高層建筑結構體系的研究與探索

侯彥軍

山西呂梁市供熱集團有限責任公司 山西 呂梁 033001

隨著時代的不斷發展，城市化進程持續加快，城市中的土地資源有限，要求增加高層建筑的數量，其不僅能夠對居住問題進行有效解決，同時內容能夠給對城市中有限的土地資源進行充分利用[1]。高層建筑工程的實際建設中，需要使用到鋼筋混凝土建筑結構，需要對鋼混結構進行合理應用，強化提升其抗風、抗震的作用，確保高層建筑工程的使用質量。本文從高層建筑結構設計談起，闡述在高層建筑構造中的設計特點，結構體系，與框架結構的節點設施。研究高層建筑所涉及的系統和設計方法，分析各種重力和橫向系統及其在高層建筑中的行為。重點關注高層建筑中各種橫向系統的結構行為[2]。

1 設計理念

1.1 選擇的材料

鋼被選為主要材料。這是因為與混凝土或復合材料相比，鋼材來設計和估算鋼構件的尺寸應用更為廣泛。事實上，許多高層建筑都是綜合設計的，通常是用混凝土包裹鋼筋。重力框架的梁和柱采用典型的寬翼緣截面，核心系統(承受重力和橫向荷載)采用鋼筋混凝土。

1.2 重力系統

本文假設高層建筑用于住宅或商務工作產所使用這個項目，一般每平方英尺的活負荷為40磅。

重力框架布局可以根據使用的每個橫向系統而改變。大部分資料認為需要檢測兩個核心。本文只研究了一個核心，主要原因有三點，一、鋼框架必須與混凝土核心對齊；二、斜網格系統周圍沒有垂直的柱，改變了建筑結構的布局；三、斜構件承擔了橫向和重力荷載。

1.3 研究案例的結構尺寸及高度

樓層高度和結構的整體高度是基于一個典型的鋼梁的設計。然后根據結構框架、機械要求、照明和附加的施工公差計算樓層高度。住宅層高為4m，天花板高度為2.8m。底層一般會增加1.5m，以提供一個大型大廳和入口，使建筑的總高度達到240m。

1.4 軸向縮短

軸向縮短的概念是高層建筑中的一個主要問題。從屋頂到地面的重力載荷呈指數增長[3]。這些巨大的軸向載荷會導致垂直構件的縮短。鋼、混凝土和組合截面都易受此影響，必須特別考慮以確保軸向縮短的影響不太大（如圖1所示）。如果沒有適當的考慮，整個結構可能會有很大的變形(多達十多厘米)，并影響結構和非結構部件。

2 橫向加載

2.1 風與地震

由于區域的原因，需要同時考慮風和地震荷載。如前所述，風壓是通過ASCE 7-16的定向程序估算的。此外，地震荷載采用了ASCE 7-16的等效側向力程序。下面是層剪對比風和地震層剪的圖表（圖2所示）。

圖2 風和地震荷載作用下的樓層剪切力

如上所示，南北方向風引起的基底切變支配著地震基底切變。有趣的是，由于地震引起的樓層剪切力和樓層力實際上比靠近建筑物頂部的風要高。在這個項目中，風被認為是主導的情況，盡管在現實中，地震層力在一些地方起主導作用。

2.2 風的其他影響

在高層建筑中，旋渦脫落是一個主要的問題，它取決于建筑的形狀和形式。建筑的形狀很大程度上影響了渦旋撕碎和側風運動的大小。

3 橫向系統研究

通過研究和參數化的計算機建模，選擇了三個橫向系統進行研究。觀察了每個系統的行為，以及參數的變化如何影響撓度、核心的彎矩和各種構件的軸向力。橫向荷載分布假設為分布荷載分解為均布荷載和三角形荷載。在SAP20OO模型中，這些荷載分布在10層樓高的模塊中。在ETABS模型中，基于支流面積計算實際層力，并應用于每層。

3.1 混凝土芯結構

本文以建筑中心的鋼筋混凝土核心為研究對象。它被理想化為一個“管”截面，忽略了每層的開口。它還假設在建筑物的高度上有一個恒定的壁厚。

研究模型在平面視圖下為30ft × 60ft的配置，并觀察彎曲撓度（如圖3所示）。對于高層建筑，核心的彎曲撓度要比剪力撓度大得多[4]。對于關于弱軸彎曲，剪切撓度僅為36''壁厚總彎曲撓度的0.5%。因此忽略剪力撓度，分析頂板彎曲撓度。強弱兩個方向寬高比為（1）弱方向:H/L =785'/30' = 26.17；（2）強方向：H/L = 785'/60' = 13.1。

圖3 研究假設的加載和配置

本文對芯壁的厚度進行了研究，以找出芯壁在多大厚度下可以最好地減少撓度，使其在允許的范圍內(圖4)。允許的偏差限制是18.84英寸，基于H/500，其中H是建筑的總高度(785英尺)。

圖4 混凝土核心研究彎曲撓度參數研究

由于彎曲撓度大大高于允許的，一個單獨的研究檢查了各種結構高度及其相應的撓度。假設相同的載荷和撓度標準的H/500，一個36英寸厚的核心墻測量30ft × 60ft比較了各種高度。結果表明，過去大約40層，或大約30層，核心系統已不再有效或不能抵抗假定的風荷載下的彎曲撓度。假設相同的建筑寬度，因為只有高度在變化，長寬比將會下降。在400ft，縱橫比是6.67和13.33(其中H=400ft和L = 60ft或30ft取決于方向)。與高寬比為13.1和26.17時，H=785英尺，可以得出一些結論，限制撓度時，高寬比如此之大。這一觀察值得注意，因為當寬度(L)增加到建筑的全寬時，支腿和斜桁系統的長寬比降低了。

圖5中總結的研究結果，在上圖中，結構限制在35到50層。

圖5 不同高度下核心系統的有效性檢驗

3.2 懸臂梁結構

伸臂系統使用伸臂，或水平構件“延伸”到垂直柱，以穩定結構，并從非常細長的核心增加縱橫比。支腿就像滑雪者的手臂，垂直的柱子就像固定在地面的滑雪桿。這些懸臂梁通過拉力/壓縮力耦合將核心的橫向載荷轉移到周邊柱。帶桁架通常與支腿架一起使用，以接合所有的周邊柱。支腿只與與之相連的柱子相嚙合。皮帶桁架提供了一個封閉的“環”或“管”連接到所有周邊的柱，并幫助轉移的力量在懸臂梁周圍的所有柱。

在減少頂板撓度、核心彎矩和柱軸向力的能力方面，將單個支腿與兩個支腿進行了比較（如圖6所示）。

圖6 不同支腿位置的頂板撓度比較

沿建筑物高度三分之一處有兩個支腿的結構在減少撓度方面是最好的。還應注意的是，堆芯中的力矩是從單堆芯開始減少的，減少的量取決于所使用的支腿架的位置和數量。這種彎矩的減少是由拉/壓縮耦合力在柱和重要的考慮，因為這些大的軸向力有助于進一步軸向縮短柱。比較這些彎矩在核心和軸向力在柱顯示如下（圖7和圖8）。

圖7 使用支腿時底座混凝土核心的力矩比較

圖8 由伸臂接合的底座柱的軸向力比較

3.3 斜交網格結構

對角線是最后一項研究，研究了各種構型。

對于長寬比在4:1 ~ 9:1之間的高層建筑，最適宜的支撐角度在60 ~ 70度之間[4]。這一最佳范圍是由耶魯大學的Kyoung Sun Moon對一座118英尺乘118英尺的60層建筑進行研究后確定的。研究還發現，在這個范圍內，最有效的角度是69度。對于參數研究，選擇69度角和52度角(略超出最佳范圍)進行比較。通過改變每條對角線跨度的樓層數，對角線成員的數量也進行了比較。配置如圖9，結果如圖10。

圖9 對角網格參數研究的配置

圖10 種不同斜網格結構頂板撓度比較

4 總結

在研究了高層建筑的行為后，主要結論如下。

4.1 高層建筑很復雜

高層建筑中的系統可能非常復雜，結構構件的規模可能比我在低層建筑中使用的要大得多。加載和行為很少是線性的，需要更多的考慮。橫向荷載是動態的，重力荷載是指數級的，所有系統和結構構件必須共同工作，以充分傳遞力和限制撓度。

4.2 小心信任計算機程序

通過本項目的分析研究，一個非常重要的經驗是計算機程序的可信性和有效性判斷。特別是對于規模較大、從未設計和分析過的高層建筑，很難判斷構件受力是否合理。必須借助計算機建立準確的模型，以便得到是合理設計[5]。

4.3 高層建筑需要多個連接系統

本文研究了幾個系統來理解它們的行為，然而高層建筑經常使用許多不同的系統，甚至使用“超大”系統，其中成員的規模很大。