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高层建筑结构的稳定性分析
编辑:深圳市金利亚钢结构有限公司   时间:2022-11-25

分析高层建筑结构的稳定性

 随着社会的快速发展,人们对建筑物的要求越来越高。

现代城市用地非常紧张,建筑的发展不得不从平面转向空间,导致高层建筑的出现和快速发展。通过对前人研究成果的总结,得出高层结构稳定性分析的必然趋势,并对不同情况进行不同的分析。应特别考虑超高层建筑,并修改相应的参数。总之,高层建筑的不断发展是科技日益更新的客观体现,也是轻质材料和高强度材料在工程材料、设计方法、规范标准、施工技术等方面的广泛应用。

关键词:高层建筑;结构;稳定性分析

1、 

随着国民经济的快速发展,高层建筑发展迅速。随着建筑层数和高度的不断增加,降低结构重量不仅有利于基础处理,而且有利于结构抗震。因此,高层钢结构具有重量轻、强度强的优点。许多创新超出了现行标准的限制。近年来,一些高层建筑有许多超出标准要求的做法,如高度、体型不规则、楼层开口大、大堂入口多层高度、凹凸比大、高位转换等,这些做法在高层设计中越来越流行。因此,研究高层建筑结构的稳定性极为重要。

2、 高层建筑的发展和高层结构的定义

高层建筑结构的增长和住房高度的变化与社会经济、科技和文化环境的发展密切相关。当代高层建筑和超高层建筑始于20世纪80年代,以美国为代表,几乎所有的高层建筑都用于商业和住宅建筑。

世界各国根据自身经济技术条件等具体因素,对高层和超高层建筑的定义没有统一的标准。美国的Charles.H.Thornton提出40层和152层m以下建筑为低高层建筑;152m~365m超过100层或365层的高层建筑m上述建筑为超高层建筑。德国规定最高标高高于地面22m以上称为高层建筑;法国的标准是50栋住宅建筑m其他建筑28栋m以上称为高层建筑;英国衡量高层建筑的标准是24.3m。

我国规范规定28m10层以上的住宅或8层以上的商业建筑称为高层建筑。

3、 高层建筑系统分类

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《高层民用建筑钢结构技术规程》,高层建筑的结构体系包括以下几种:框架结构(包括钢框架-支撑结构和混凝土框架结构)、剪力墙结构、框架剪力墙结构(包括钢框架-混凝土剪力墙结构)、部分框架剪力墙结构、框架核心筒结构(包括钢框架-混凝土核心筒结构、钢桁架-核心筒结构、筒中筒钢结构、束筒钢结构)、筒中筒结构、

众所周知,不稳定破坏是钢结构的主要破坏形式之一,因此受到研究人员和设计人员的重视。在高层钢结构稳定性分析方面,我国基本进行静载下的稳定性分析,有时辅以地震作用下的时程分析。它还可以影响残余应力和节点剪切变形;分析法和值法是稳定问题计算的两种常用方法。

4、 高层建筑结构稳定性分析

4.1 考虑到高层建筑钢结构稳定设计的因素分析

高层钢结构承受的荷载类型包括垂直恒载荷、垂直活载荷、水平风载荷、水平地震载荷和垂直地震载荷,其中风载荷和地震载荷具有动载荷特性,是高层钢结构设计的控制载荷。

(1)结构受水平荷载影响较大

在分析承载特性时,必须考虑水平荷载和垂直构件自重荷载。一般来说,建筑构件的垂直荷载对建筑结构的内力影响相对较小,如每层梁的内力主要受地板水平荷载和活荷载的影响。水平荷载作用于结构,会形成相应的倾覆力矩和一定量的垂直附加轴力,受高度影响较大。水平作用,使建筑产生水平变形,并增强垂直作用的效果。

(2)结构延性是设计的重要指标

从抗震需要出发,建筑结构也必须具有一定的延性。高层建筑比低层建筑更柔软,振动频率更低,地震引起的水平变形将更大。因此,提高结构的变形能力,特别是在塑性变形阶段,可以更好地消耗地震能量,防止建筑倾倒,因此需要调整结构,使结构具有足够的延性,以适应地震变形。

钢结构构件的稳定性与整体稳定性之间存在着复杂的内在关系。在实际工程中,通常理想化假设它们之间的相互影响。对于构件的稳定性,分析方法相对成熟,整体稳定性难以准确分析。

4.2剪切结构的稳定性计算

王国安(2012)认为,在结构布置和重力荷载确定的前提下,可以计算出每层的刚重比值; 当结构布局发生变化或地板重力荷载沿垂直分布发生变化时,每层的刚重比也相应变化。

翁云(2007)系统地分析了考虑部件剪切变形影响的框架理论。他认为,随着建筑结构形式的不断发展,巨型结构形式在超高层结构中得到了广泛的应用。巨型构件通常由格构、空腹分析框架等构件组成,剪切变形占总变形的很大比例,其影响不容忽视。提出了一、二级线性抗侧刚度的精确公式。

4.3弯剪结构的稳定性计算

王国安(2012)在推导弯剪结构稳定性验算公式后,根据公式的推导过程,当弯剪结构基本符合假设前提时,整体稳定性验算结果可靠合理。两个基本假设是: 

1.结构布局垂直均匀; 

2.地板重力荷载垂直均匀分布。

此外,他认为,当计算的刚重比值接近规范的下限时,无法准确判断以弯曲剪切变形为主的高层建筑结构的整体稳定性。根据地震力转换获得的结构等效侧向刚度往往与风荷载转换不同。结构的刚重比应采用两种水平力作用方法计算,结构的整体稳定性应根据其不利结果来判断。

翁云(2009)重点研究了垂直荷载作用下非等高双重抗侧力结构体系的稳定性,得出以下结论:重点分析了非等高双重抗侧力体系总临界荷载变化的规律。研究发现, 当两个结构高度相等时,总临界荷载达到最大值 ,相反,有最优相对高度的概念,即当内部两子结构的相对高度为最优相对高度时,结构的总临界荷载最大。这一重要结论告诉我们,不仅可以增加或降低双重抗侧力系统内某一子结构的高度,还可以获得更大的临界荷载,对工程实践起到一定的指导作用。

4.4超高层建筑结构稳定性分析方法

袁康、白宏思、李英民等人(2016)从刚重比控制稳定性的原则出发,介绍了超高层建筑刚重比计算的修正方法,结合一带一带一带一带一带一路的超高层建筑工程实例,对结构刚重比计算进行了修正。 P-Δ 对比效应计算和整体屈曲分析结果,得出一致的结论。他们认为,对于刚度、质量分布不均匀、宽度大的超高层建筑,按照规范方法计算的刚重比值非常接近高规范的下限值,甚至低于下限值,仅依靠规范提供的刚重比值不能准确合理地设计结构稳定性。通过对一刚度比验算、重力二阶效性计算和整体结构屈曲分析,得出以下结论:

( 1) 超高层建筑的稳定性评价与高规定结构的重力二级效应基于刚刚修正的比例( P-Δ 效应) 限值相对一致。当结构修正刚刚达到高规则的限值要求时,整体结构可以满足几何非线性屈曲分析指标的要求,并考虑初始缺陷。

( 2) 超高层建筑的整体稳定性分析应修正刚重比和重力二级效应( P-Δ 效应) 、综合评价整体屈曲分析等方法,应考虑多质点重力荷载分布对临界荷载影响的修正,以及实际水平荷载分布模式对弹性等效刚度的修正。

熊琦、郑晓青(2017)通过优化结构构件,主要研究了垂直荷载和风荷载作用下超高层建筑的研究和优化策略( 梁、柱、剪力墙、支撑) 高层结构的自振频率可以控制在合理的范围内,使建筑在风的作用下保持舒适,在地震的作用下不会倒塌。

4.5基于软件模拟的高层钢结构稳定性分析

许多高层建筑对钢结构的抗震性能分析和稳定性分析尤为重要,因为它们的建筑体型多端,跨度大,分析难度和精度要求高。ANSYS对其进行模态分析,得出其振动特性,如周期、频率、振动等。

5、 结论

高层建筑结构的发展是历史进程的产物,与经济水平的快速发展和科技水平的不断进步密切相关。它已成为城市发展程度的象征,也是人类文明历史悠久河流中明亮的雄蕊[15]。高层建筑的发展在一定程度上代表了城市发展、国家现代化进程和人类文明的标志。

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