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高層建筑結構的穩定性分析
編輯:深圳市金利亞鋼結構有限公司   時間:2022-11-25

分析高層建筑結構的穩定性

 隨著社會的快速發展,人們對建筑物的要求越來越高。

現代城市用地非常緊張,建筑的發展不得不從平面轉向空間,導致高層建筑的出現和快速發展。通過對前人研究成果的總結,得出高層結構穩定性分析的必然趨勢,并對不同情況進行不同的分析。應特別考慮超高層建筑,并修改相應的參數??傊?,高層建筑的不斷發展是科技日益更新的客觀體現,也是輕質材料和高強度材料在工程材料、設計方法、規范標準、施工技術等方面的廣泛應用。

關鍵詞:高層建筑;結構;穩定性分析

1、 

隨著國民經濟的快速發展,高層建筑發展迅速。隨著建筑層數和高度的不斷增加,降低結構重量不僅有利于基礎處理,而且有利于結構抗震。因此,高層鋼結構具有重量輕、強度強的優點。許多創新超出了現行標準的限制。近年來,一些高層建筑有許多超出標準要求的做法,如高度、體型不規則、樓層開口大、大堂入口多層高度、凹凸比大、高位轉換等,這些做法在高層設計中越來越流行。因此,研究高層建筑結構的穩定性極為重要。

2、 高層建筑的發展和高層結構的定義

高層建筑結構的增長和住房高度的變化與社會經濟、科技和文化環境的發展密切相關。當代高層建筑和超高層建筑始于20世紀80年代,以美國為代表,幾乎所有的高層建筑都用于商業和住宅建筑。

世界各國根據自身經濟技術條件等具體因素,對高層和超高層建筑的定義沒有統一的標準。美國的Charles.H.Thornton提出40層和152層m以下建筑為低高層建筑;152m~365m超過100層或365層的高層建筑m上述建筑為超高層建筑。德國規定最高標高高于地面22m以上稱為高層建筑;法國的標準是50棟住宅建筑m其他建筑28棟m以上稱為高層建筑;英國衡量高層建筑的標準是24.3m。

我國規范規定28m10層以上的住宅或8層以上的商業建筑稱為高層建筑。

3、 高層建筑系統分類

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》和《高層民用建筑鋼結構技術規程》,高層建筑的結構體系包括以下幾種:框架結構(包括鋼框架-支撐結構和混凝土框架結構)、剪力墻結構、框架剪力墻結構(包括鋼框架-混凝土剪力墻結構)、部分框架剪力墻結構、框架核心筒結構(包括鋼框架-混凝土核心筒結構、鋼桁架-核心筒結構、筒中筒鋼結構、束筒鋼結構)、筒中筒結構、

眾所周知,不穩定破壞是鋼結構的主要破壞形式之一,因此受到研究人員和設計人員的重視。在高層鋼結構穩定性分析方面,我國基本進行靜載下的穩定性分析,有時輔以地震作用下的時程分析。它還可以影響殘余應力和節點剪切變形;分析法和值法是穩定問題計算的兩種常用方法。

4、 高層建筑結構穩定性分析

4.1 考慮到高層建筑鋼結構穩定設計的因素分析

高層鋼結構承受的荷載類型包括垂直恒載荷、垂直活載荷、水平風載荷、水平地震載荷和垂直地震載荷,其中風載荷和地震載荷具有動載荷特性,是高層鋼結構設計的控制載荷。

(1)結構受水平荷載影響較大

在分析承載特性時,必須考慮水平荷載和垂直構件自重荷載。一般來說,建筑構件的垂直荷載對建筑結構的內力影響相對較小,如每層梁的內力主要受地板水平荷載和活荷載的影響。水平荷載作用于結構,會形成相應的傾覆力矩和一定量的垂直附加軸力,受高度影響較大。水平作用,使建筑產生水平變形,并增強垂直作用的效果。

(2)結構延性是設計的重要指標

從抗震需要出發,建筑結構也必須具有一定的延性。高層建筑比低層建筑更柔軟,振動頻率更低,地震引起的水平變形將更大。因此,提高結構的變形能力,特別是在塑性變形階段,可以更好地消耗地震能量,防止建筑傾倒,因此需要調整結構,使結構具有足夠的延性,以適應地震變形。

鋼結構構件的穩定性與整體穩定性之間存在著復雜的內在關系。在實際工程中,通常理想化假設它們之間的相互影響。對于構件的穩定性,分析方法相對成熟,整體穩定性難以準確分析。

4.2剪切結構的穩定性計算

王國安(2012)認為,在結構布置和重力荷載確定的前提下,可以計算出每層的剛重比值; 當結構布局發生變化或地板重力荷載沿垂直分布發生變化時,每層的剛重比也相應變化。

翁云(2007)系統地分析了考慮部件剪切變形影響的框架理論。他認為,隨著建筑結構形式的不斷發展,巨型結構形式在超高層結構中得到了廣泛的應用。巨型構件通常由格構、空腹分析框架等構件組成,剪切變形占總變形的很大比例,其影響不容忽視。提出了一、二級線性抗側剛度的精確公式。

4.3彎剪結構的穩定性計算

王國安(2012)在推導彎剪結構穩定性驗算公式后,根據公式的推導過程,當彎剪結構基本符合假設前提時,整體穩定性驗算結果可靠合理。兩個基本假設是: 

1.結構布局垂直均勻; 

2.地板重力荷載垂直均勻分布。

此外,他認為,當計算的剛重比值接近規范的下限時,無法準確判斷以彎曲剪切變形為主的高層建筑結構的整體穩定性。根據地震力轉換獲得的結構等效側向剛度往往與風荷載轉換不同。結構的剛重比應采用兩種水平力作用方法計算,結構的整體穩定性應根據其不利結果來判斷。

翁云(2009)重點研究了垂直荷載作用下非等高雙重抗側力結構體系的穩定性,得出以下結論:重點分析了非等高雙重抗側力體系總臨界荷載變化的規律。研究發現, 當兩個結構高度相等時,總臨界荷載達到最大值 ,相反,有最優相對高度的概念,即當內部兩子結構的相對高度為最優相對高度時,結構的總臨界荷載最大。這一重要結論告訴我們,不僅可以增加或降低雙重抗側力系統內某一子結構的高度,還可以獲得更大的臨界荷載,對工程實踐起到一定的指導作用。

4.4超高層建筑結構穩定性分析方法

袁康、白宏思、李英民等人(2016)從剛重比控制穩定性的原則出發,介紹了超高層建筑剛重比計算的修正方法,結合一帶一帶一帶一帶一帶一路的超高層建筑工程實例,對結構剛重比計算進行了修正。 P-Δ 對比效應計算和整體屈曲分析結果,得出一致的結論。他們認為,對于剛度、質量分布不均勻、寬度大的超高層建筑,按照規范方法計算的剛重比值非常接近高規范的下限值,甚至低于下限值,僅依靠規范提供的剛重比值不能準確合理地設計結構穩定性。通過對一剛度比驗算、重力二階效性計算和整體結構屈曲分析,得出以下結論:

( 1) 超高層建筑的穩定性評價與高規定結構的重力二級效應基于剛剛修正的比例( P-Δ 效應) 限值相對一致。當結構修正剛剛達到高規則的限值要求時,整體結構可以滿足幾何非線性屈曲分析指標的要求,并考慮初始缺陷。

( 2) 超高層建筑的整體穩定性分析應修正剛重比和重力二級效應( P-Δ 效應) 、綜合評價整體屈曲分析等方法,應考慮多質點重力荷載分布對臨界荷載影響的修正,以及實際水平荷載分布模式對彈性等效剛度的修正。

熊琦、鄭曉青(2017)通過優化結構構件,主要研究了垂直荷載和風荷載作用下超高層建筑的研究和優化策略( 梁、柱、剪力墻、支撐) 高層結構的自振頻率可以控制在合理的范圍內,使建筑在風的作用下保持舒適,在地震的作用下不會倒塌。

4.5基于軟件模擬的高層鋼結構穩定性分析

許多高層建筑對鋼結構的抗震性能分析和穩定性分析尤為重要,因為它們的建筑體型多端,跨度大,分析難度和精度要求高。ANSYS對其進行模態分析,得出其振動特性,如周期、頻率、振動等。

5、 結論

高層建筑結構的發展是歷史進程的產物,與經濟水平的快速發展和科技水平的不斷進步密切相關。它已成為城市發展程度的象征,也是人類文明歷史悠久河流中明亮的雄蕊[15]。高層建筑的發展在一定程度上代表了城市發展、國家現代化進程和人類文明的標志。

金利亞3

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