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高層建筑(已翻譯).doc

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?高 層 建 筑 關于高層建筑是很難給出明確的定義的,我們可以定義1-2層的建筑物為低層建筑,3到4層為中層建筑或者可以說10到20層甚至更高層。雖然原則上,高層建筑和低層建筑在水平構件和垂直構件的設計方面并沒有太的差別,但使豎向構件的設計成為高層設計有兩個控制性的因素。高層建筑承受荷載大,對柱子截面尺寸要求很大,需要更多的墻體,若是筒體結構,還需要更多的筒體,一旦受到側向力,就會產生很大的傾覆力矩,剪力和彎矩,因此在設計時,就必須仔細認真對結構進行設計。墻體和柱子主要負責由高層建筑豎向構件傳來的荷載,豎向荷載主要是自重,因此柱子的尺寸必須很大,除了豎向荷載,柱子等承重構件還要承受水平荷載,如風荷載,地震荷載,柱子將這些水平荷載和地震荷載通過基礎最終傳遞給地基。但是,側向荷載的分布不同于豎向荷載,它們是非線性的,并且沿著建筑物高度的增加而迅速地增加。在其他條件都相同時,建筑所承受的風荷載在建筑物底部引起的傾覆力矩隨建筑物高度近似地成平方規律變化,而在頂部的側向位移與其高度的四次方成正比。特別是地震作用,地震本身產生的側向力就很大,再經由4次方放大,地震的破壞性將會更大。對于低層和多層建筑物設計只需考慮恒荷載和部分活荷載時,建筑物的柱、墻、樓梯或電梯等就自然能承受大部分水平力。所考慮的問題主要是抗剪問題。對于現代的鋼架系統支撐設計,如無特殊承載需要,無需加大柱和梁的尺寸,而通過增加板的厚度就可以實現。然而,對于高層建筑要解決很多問題,首先要解決的不僅僅是抗剪問題,還有抵抗力矩和抵抗變形問題。高層建筑中的柱、梁、墻及板等經常需要采用特殊的結構布置和特殊的材料,以抵抗相當高的側向荷載以及過大的變形正如前面所說的,高層建筑上部承受更大的側向力,而底部則承受更大的豎向荷載,因此高層建筑中每平方英尺建筑面積結構材料的用量要高于低層建筑。支撐重力荷載的豎向構件,如墻、柱及井筒,在沿建筑物整個高度方向上都應予以加強。用于抵抗豎向構件隨著高度累計而產生的自重,同時側向荷載的材料要求也更多。鋼結構建筑和混凝土結構的建筑的一個最大的區別就是自重,對于鋼筋混凝土建筑,隨著建筑物層數的增加,對材料的要求也隨著增加?;炷敛牧系馁|量增加而帶來的建筑物自重增加,要比鋼結構增加得多,而為抵抗風荷載的能力而增加的材料用量卻不是那么多,因為混凝土自身的重量可以抵抗傾覆力矩。不過不利的一面是混凝土建筑自重的增加,將會加大抗震設計的難度。在地震荷載作用下,頂部質量的增加將會使側向荷載劇增?;炷磷灾爻嗽诘卣饡r不利外,還會加大地基上的壓力,造成地基過大沉降。高層建筑設計的主要內容是抗側向力方面的設計。無論對于混凝土結構設計,還是對于鋼結構設計,下面這些基本的原則都有助于在不需要增加太多成本的前提下增強建筑物抵抗側向荷載的能力。⒈增加抗彎構件的有效寬度。由于當其他條件不變時能夠直接減小扭矩,并以寬度增量的三次冪形式減小變形,因此這一措施非常有效。但是必須保證加寬后的豎向承重構件非常有效地連接。⒉在設計構件時,盡可能有效地使其加強相互作用力。例如,可以采用具有有效應力狀態的弦桿和桁架體系;也可在墻的關鍵位置加置鋼筋;以及最優化鋼架的剛度比等措施。⒊增加最有效的抗彎構件的截面。例如,增加較低層柱以及連接大梁的翼緣截面,將可直接減少側向位移和增加抗彎能力,而不會加大上層樓面的質量,否則,地震問題將更加嚴重。⒋通過設計使大部分豎向荷載,直接作用于主要的抗彎構件。這樣通過預壓主要的抗傾覆構件,可以使建筑物在傾覆拉力的作用下保持穩定。⒌通過合理地放置實心墻體及在豎向構件中使用斜撐構件,可以有效地抵抗每層的局部剪力。但僅僅通過豎向構件進行抗剪是不經濟的,因為使柱及梁有足夠的抗彎能力,比用墻或斜撐需要更多材料和施工工作量。⒍每層應加設充足的水平隔板。這樣就會使各種抗力構件更好地在一起工作,而不是單獨工作。⒎在中間轉換層通過大型豎向和水平構件及重樓板形成大框架,或者采用深梁體系。應當注意的是,所有高層建筑的本質都是地面支撐的懸臂結構。如何合理地運用上面所提到的原則,就可以利用合理地布置墻體、核心筒、框架、筒式結構和其他豎向結構分體系,使建筑物取得足夠的水平承載力和剛度。本文后面將對這些原理的應用做介紹。剪力墻結構在能夠滿足其他功能需求時,高層建筑中采用剪力墻可以經濟地進行高層建筑的抗側向荷載設計。例如,住宅樓需要很多隔墻,如果這些隔墻都設計為實例的,那么他們可以起到剪力墻的作用,既能抵抗側向荷載,又能承受豎向荷載。對于20層以上的建筑物,剪力墻極為常見。如果給與足夠的寬度,剪力墻能夠有效地抵抗30-40層甚至更多的側向荷載。但是,剪力墻只能抵抗平行于墻平面的荷載(也就是說不能抵抗垂直于墻的荷載)。因此有必要經常在兩個相互垂直的方向設置剪力墻,或者在盡可能多的方向布置,以用來抵抗各個方向的側向荷載。并且,墻體設計還應考慮扭轉的問題。在設計過程中,兩面或者更多的剪力墻會布置成L型或者槽形。實際上,四面內剪力墻可以被聯結成矩形,以更有效地抵抗側向荷載。如果所有外部剪力墻都連接起來,整個建筑物就像是一個筒體,將會具有很強的抵抗水平荷載和抵抗扭矩的能力。通?;炷辆图袅Χ际菍嶓w的,并在有要求時開洞,而鋼筋剪力墻常常是做成桁架式。這些桁架上可能布置成蛋單斜撐、X斜撐及K斜撐。在側向力作用下這些桁架的組合構件受到或拉或壓力。從強度和變形控制角度來說,桁架有著很好的功效,并且管道可以在構件之間穿過。當然,鋼桁架墻的斜向構件在墻體上要正確放置,以免妨礙開窗、循環以及管道穿墻。如上所述,電梯強、樓梯間及設備豎井都可以形成筒狀體,常常用它們既抵抗豎向荷載又抵抗水平荷載。這些筒的橫斷面一般駛矩形或圓形,由于筒結構作用,筒狀結構能夠有效地進行各個方向上的抗彎和抗剪。不過在這樣的結構設計中存在的問題是,如何保證在門洞口和其他孔洞的強度。對于鋼筋混凝土結構,通過使用特殊的鋼筋配置在這些孔洞的周圍。對于鋼剪力墻,則要求在開洞處加強節點連接,以抵抗洞口變形。對于很多高層建筑,如果墻體和筒架進行合理地安排與連接,會起到很好的抵抗側向荷載的作用。還要求由這些結構分體系提供的剛度在各個方向上應大體對稱??蚣芙Y構在建筑物結構設計中,用于抵抗豎向和水平荷載的框架結構,常作為一個重要且標準的型式而被采用。它適用于低層、多層建筑物,亦可用于70-100層高的高層建筑物。同剪力墻結構相比,這種結構更適合在建筑物的內部或者外圍的墻體上開設矩形孔洞。同時它還能充分利用建筑物內在任何情況下都要采用的梁和柱的剛度,但當柱子與梁剛性連接時,通過框架受彎來抵抗水平和豎向荷載會使這些柱子的承載能力變得更大。通常情況下,框架結構的剛度不如剪力墻結構,因此對于高寬比較大的高層建筑可能會產生過多的撓度。但正由于這種柔性,使得混凝土框架結構通常被人們認為更具延展性,因此相比使用剪力墻結構設計的建筑,框架結構在地震時更不易發生毀滅性的災難。例如,如果框架局部出現超應力時,延性將使結構作為一個整體,整體平動,但它絕不會塌陷,即使出現了一個比預期更大的外力作用在結構上。由于整體性的原因,框架結構也被認為是“最好。省略部分。rame Systems In the design of architectural buildings , rigid-frame systems for resisting vertical and lateral loads have long been accepted as an important and standard means for designing building . They are employed for low-and medium means for designing buildings . They are employed for low- and medium up to high-rise building perhaps 70 or 100 stories high . When compared to shear-wall systems , these rigid frames both within and at the outside of a buildings . They also make use of the stiffness in beams and columns that are required for the buildings in any case , but the columns are made stronger when rigidly connected to resist the lateral as well as vertical forces though frame bending . Frequently , rigid frames will not be as stiff as shear-wall construction , and therefore may produce excessive deflections for the more slender high-rise buildings designs . But because of this flexibility , they are often considered as being more ductile and thus less susceptible to catastrophic earthquake failure when compared with ( some ) shear-wall designs . For example , if over stressing occurs at certain portions of a steel rigid frame ( i.e.,near the joint ) , ductility will allow the structure as a whole to deflect a little more , but it will by no means collapse even under a much larger force than expected on the structure . For this reason , rigid-frame construction is considered by some to be a “best”seismic-resisting type for high-rise steel buildings . On the other hand ,it is also unlikely that a well-designed share-wall system would collapse. In the case of concrete rigid frames ,there is a divergence of opinion . It true that if a concrete rigid frame is designed in the conventional manner , without special care to produce higher ductility , it will not be able to withstand a catastrophic earthquake that can produce forces several times lerger than the code design earthquake forces . therefore , some believe that it may not have additional capacity possessed by steel rigid frames . But modern research and experience has indicated that concrete frames can be designed to be ductile , when sufficient stirrups and joinery reinforcement are designed in to the frame . Modern buildings codes have specifications for the so-called ductile concrete frames . However , at present , these codes often require excessive reinforcement at certain points in the frame so as to cause congestion and result in construction difficulties 。Even so , concrete frame design can be both effective and economical 。 Of course , it is also possible to combine rigid-frame construction with shear-wall systems in one buildings ,For example , the buildings geometry may be such that rigid frames can be used in one direction while shear walls may be used in the other direction。SummaryAbove states is the high-rise construction ordinariest structural style. In the design process, should the economy practical choose the reasonable form as far as possible.
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