高层建筑结构分析范文篇1

关键词：高层建筑结构抗震动力分析

高层建筑是作为一个国家科技发展水平、经济发展水平的标志和展现，随着我国经济的快速发展，高层建筑在北京、上海、广州、深圳、武汉等城市逐渐增多。如何保证高层结构在地震作用下的可靠性和经济性，是高层结构抗震设计的课题。近年来，建筑功能的多样化使得结构的体型越来越复杂，这对复杂高层建筑的结构分析和设计提出了更高的要求。抗震设防标准和经济实力以及所处地区的地震发生规律息息相关。抗震设防要求综合考虑地震环境、建设工程的重要程度、允许的风险水平、国家经济承受能力和要达到的安全目标等因素。准确、快速、经济地对高层建筑进行抗震分析，是高层建筑设计的重要部分。

1高层建筑结构分析方法的概述

随着高层建筑结构的不断发展，高层建筑结构分析方法直接影响建筑物的质量、结构安全和功能，是一个值得注意和重视的重要问题。结构分析方法也经历了一个从简单到复杂，从手算到计算机仿真的一个过程。从20世纪50到70年代后期，由于高层建筑结构体型较为简单，且受到计算机技术的限制，框架结构、剪力墙结构和框架－剪力墙构成了当时的主要结构形式，框架结构体系主要用力矩分配法分层法以及反弯点法等；70至80年代，随着计算机技术的发展，高层建筑空间协同工作分析法得到了广泛的应用；80年代后期，出现不少高层建筑新结构体系，由于高层建筑的平面和体型日趋复杂，空间协同工作分析法已无法满足工程需要，从而被三维杆件分析法所取代。1987年中国建筑科学研究院设计三维杆件空间分析程序TBSA以及大型通用商用有限元软件（ANSYS、ADINA等）都属于这类软件。随着科技的发展以及各种地震实际数据的采集，地震动力特性和结构动力特性已经逐步被人类所理解并加以运用，现代结构抗震设计理论从20世纪初的静力阶段、发展到今天基于性态的抗震设计理论阶段。

2抗震概念设计

由于地震作用的不确定性和复杂性，由于构件轴向变形、P-效应，非结构墙体刚度的影响、材料特性的时效变化、结构阻尼随变形而变化、地基与结构共同作用等因素在结构动力反应分析中难于考虑，在设计时选择建筑总体外形是非常重要的，结构平面较为简单，圆、三角或正多边形建筑，对称且横竖向质量和刚度变化均匀。根据分析得出，建筑结构外形为长方体时，其建筑质量分布为上下均匀，其地震力作用在建筑高度的2/3处；当建筑外型采用锥形体，其建筑质量分布为上小下大的二次曲线分布，其地震力作用点位于建筑高度的2/5处。当仔细研究这些典型形式，就易发现，实际建筑形式只能近似或介于某两个典型形式之间，具有自己的基本质量分布的归类特性，以便对抗震设计的重力荷载代表值GE、风荷载、地震作用做出粗略的估计。

3有限元模型

为了探讨高层建筑的抗震动力分析，本文选取的建筑是由16米高的裙房部分和52.7m的上部塔楼，结构主要形式为框架剪力墙结构，四层地下室，四层裙楼上设有屋顶花园。梁、柱、楼板和剪力墙的材料均为钢筋混凝土；建立模型时对结构进行整体考虑和分析，略去次要元素。ANSYS有限元软件中提供了能适应不同变形的有限单元，从而提高的了模拟效率。本模型采用了适合分析细长到中等粗短并考虑了剪切变形的影响的Beam188单元来模拟梁、柱结构；用既具有弯曲能力，又有薄膜特性，可以承受面内荷载或法向荷载Shell63来模拟板。

4结果整体分析

为了更好地研究地震作用下结构的动力反应，结合场地条件和特征周期，所选取的地震波应主要考虑不小于建筑结构基本自振周期3～4倍的加速度时间历程，不宜小于12s。根据模态分析的结果，结构基本周期约为2.34s，因此地震波持续时间按较大值可取12s，本文采用NORTHRIDGE波时程分析。

图1各楼层位移图

为了研究x、y、z三个方向的地震反应，需要对三个方向分别输入地震波，图1给出了在这三个方向地震波作用下，位移随楼层而变化趋势图。从图中我们可以发现，x、y两个方向的位移变化规律基本相同，只是受两个方向刚度的影响，位移结果稍有不同，在结构设计时应注意加强y方向的刚度，以及构件的裂缝和承载能力。并且位移图中也反应出4-5层之间的位移变化具有突变，这主要是这两层刚度有突变。且在裙楼顶设置了屋顶花园，结构质量发展变化，这点与事实相符；z方向的位移在结构17-18层之间突然减小，说明在结构的顶端楼层位移方向发生变化，z方向在整体刚度并不均衡，在结构设计时应重点关注梁柱的承载力以及构件之间的构造连接。X方向上最大位移为47.3mm是14747号节点发生在9.7s；Y方向上最大位移为77.4mm是14749号节点发生在8.8s；Z方向上最大位移31.4为14152号节点发生在0.02s，结构在NORTHRIDGE波作用下的最大底部反力为：Fx=-8752.9kN、Fy=-9074.5kN、Fz=297560kN。

根据抗震变形验算，在x、y方向的最大层间位移为6.33mm

5结论

我国的抗震规范是容许结构在抵抗强地震，结构某些构件发生不影响结构整体稳定的开裂或屈服，从而使得房屋震动周期加长，并且增加建筑物本身的阻尼，因而可以实现建筑物在抵抗强震而不破坏。强烈地震时，结构仍要进入弹塑性，从而引起结构构件的损伤与破坏。在设计时需考虑这类构件破坏是建筑物的整体稳定性。采用结构振动控制的方法去改善这类建筑结构的抗震设计是必要和可行的。通过反应谱分析，得到给出结构内各构件的内力、应力、位移分布，并找出了结构薄弱环节。

参考文献：

[1]张小云．建筑抗震（第一版）．北京：高等教育出版社，2003

[2]梁波．结构动力学．武汉：华中科技大学出版社，2001

[3]王亚勇．关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨．建筑结构学报．2000，21（1）：21-29

[4]徐植信，胡再龙．结构地震反应分析（第一版）．北京：高等教育出版社，1993

[5]王呼佳，陈洪军．ANSYS工程分析进阶实例．北京：中国水利水电出版社，2006

高层建筑结构分析范文

关键词:高层建筑；建筑结构；剪力墙

Abstract:withthedevelopmentofsociety,theprogressofscienceandtechnology,thebasicconstructionofthelarge-scalebuilding,high-risebuildingstructureformmoreandmore.Summarizesthecharacteristicsofhighbuildingstructuredesign.Andputforwardthecorrespondinghigh-risebuildingstructureanalysismethodsforactualhighbuildingstructureanalysisanddesigntoprovidecertainreference.

Keywords:highbuilding;Buildingstructure;Shearwall

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A文章编号：

1、高层建筑结构设计有以下特点

水平荷载成为决定因素。楼房的自重和楼面的使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯曲的数值，仅与楼房的高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的二次方成正比。

轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。

侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移成为高层结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内

结构延性事重要设计指标。相对于较低楼房而言，高层结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

2、应用高层建筑的结构体系

剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，时一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架―剪力墙体系

框架―剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置加大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架―剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系，在体系中框架体系

主要承受竖向荷载，剪力墙主要承受水平剪力。

筒体体系。凡采用筒体为抗测力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体―框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混泥土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风，抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

3、对高层建筑的结构分析

1）高层建筑分析常见的一些基本假定

弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑动力分析方法进行设计。

小变形假设。小变形假设也是各种方法普通采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题P-效应进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移与建筑物高度H的比值/H大于500分之一时，P-效应的影响就不能忽视了。

刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。

2）高层建筑结构静力分析方法

剪力墙结构

剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、连肢墙、特殊开洞墙、框架墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法

。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能够使用。但因其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂情况。

框架―剪力墙结构‘

框架―剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定

。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式也不相同。框架―剪力墙的计算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。

筒体结构

筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法多用等效连续化方法、等效离散化方法。

等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件带换为等效的正交异性弹性薄版，以便应用分析弹性薄版的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。

等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架缝隙法和平面框架子结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。

4结论

随着我国社会经济的蓬勃发展，建筑科技和建筑技术也有了高速发展。尤其在城市，随着进一步发挥土地的综合利用率的提高，高层建筑正在日益成为城市建筑的主体。为了体现高层建筑的魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们目标和方向。

【参考文献】

1、李学军;;大开间大跨度多高层建筑结构设计问题的探讨[J];山西建筑;2009年07期

2、王业娥;;高层建筑与城市设计分析[J];建设科技;2006年13期

高层建筑结构分析范文

关键词：高层建筑结构结构体系剪力墙

1、引言

自1885年美国兴建第一幢高层建筑——芝加哥保险公司大楼（10层，55m）以来，高层建筑的发展很快，从20世纪初至1979年，全世界建成200m以上的高层建筑有50幢以上，其中大部分建筑在美国。其中著名的有1972年建造的纽约世界贸易中心大厦（110层，417m，415m），1974年建造的美国芝加哥西尔斯大厦（SearsTower，110层，443m）。

在我国，目前高度在104m以上的高层建筑超过100幢，分布在上海、广州、北京、深圳等20个大城市，其中以上海为最多。1998年建成的金茂大厦（88层，420.5m），是世界第三高楼。

2、高层建筑结构设计特点

（1）水平荷载成为决定因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

（2）轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。

（3）侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

（4）结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

3、高层建筑的结构体系

（1）框架－剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架－剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架－剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架－剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

（2）剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架－剪力墙体系。

（3）筒体体系。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体－框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

4、高层建筑结构分析

4.1高层建筑结构分析的基本假定

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定：

（1）弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。

（2）小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题（P－Δ效应）进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H>1/500时，P－Δ效应的影响就不能忽视了。

（3）刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

（4）计算图形的假定。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：（1）一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定，同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。（2）二维协同分析。二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，同时计算；扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有三个自由度u，v，θ（当考虑楼板翘曲是有四个自由度），楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程，用矩阵位移法求解。二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程序所采用。（3）三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。

4.2高层建筑结构静力分析方法

（1）框架－剪力墙结构

框架－剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。

框架－剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。

（2）剪力墙结构

剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。

剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。

（3）筒体结构

筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。

等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。

等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。

比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆－薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。空间梁柱每端节点有6个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度，比空间杆增加一个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析精度较高，但它的未知量较多，计算量较大，在不引入其它假定时，每一楼层的总自由度数为6Nc+7Nw（Nc、Nw为柱及墙肢数目）。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层总自由度数降为3（Nc+Nw）＋4，这是目前工程上采用最多的计算模型。

5、结论

随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。

参考文献