高層建筑及結構設計-土木工程畢業設計外文翻譯中文
發布日期：2020-02-02 11:04:02來源：土木工程網責任編輯：土木龍
導讀：
高層建筑的定義很難確定?？梢哉f1-2層的建筑物為低層建筑，中層建筑也許為3-4層至10－20層的或者更多層數的建筑物。盡管在基本原理上，高層建筑的豎向和水平構件的設計同低層及多層建筑的設計沒什么區別，但當要使豎向構件的設計成為高層設計有兩個控制性的因素：首先，高層建筑需要較大的柱體、墻體和井筒；更重要的是側向力所產生的傾覆力矩和剪力變形要大的多，必要要有謹慎的設計來保證。
高層建筑及結構設計-土木工程畢業設計外文翻譯英文
摘要：
高層建筑的定義很難確定?？梢哉f1-2層的建筑物為低層建筑，中層建筑也許為3-4層至10－20層的或者更多層數的建筑物。盡管在基本原理上，高層建筑的豎向和水平構件的設計同低層及多層建筑的設計沒什么區別，但當要使豎向構件的設計成為高層設計有兩個控制性的因素：首先，高層建筑需要較大的柱體、墻體和井筒；更重要的是側向力所產生的傾覆力矩和剪力變形要大的多，必要要有謹慎的設計來保證。
關鍵詞： 高層建筑 結構設計 框架 剪力墻 抗震體系
概 述
高層建筑的豎向構件從上到下逐層對累積的重力和荷載進行傳遞，這就要有較大尺寸的柱體或者墻體來進行承載。此外，這些構件還要將風荷載及地震荷載等水平荷載傳給基礎。然而，水平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。例如，在其他條件都相同時，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，而在頂部的水平位移與其高度的四次方成正比。地震荷載產生的效應更為明顯。
對于低層和多層建筑物結構設計只需考慮恒荷載和部分動荷載時，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“短”建筑物里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，而通過增加規定尺寸的板（或甚至所有面板）就可以輕而易舉地實現。
不幸的是，對于高層建筑首先要解決的不僅僅是抗剪問題，比其更重要的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變形。
如前所述，在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。用于抵抗側向荷載的材料數量要求更重要。
對于鋼筋混凝土建筑，對材料的數量要求也隨著建筑物層數的增加而增加。在此應當注意的是，因混凝土材料質量增加而帶來的建筑物自重的增加，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。另一方面，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，上層樓體的附加質量的增加將會使整體側向荷載劇增。
無論對于混凝土結構設計，或者對于鋼結構設計，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。
- 增加抗彎構件的有效寬度。由于當其他條件不變時，寬度的增加能夠直接減小扭矩，并以寬度增量的三次冪形式減小變形，因此這一措施非常實用。但是這項措施必須保證加寬后的豎向承重構件非常有效地連接才能收到切實利益。
- 在設計構件時，盡可能有效地使它們加強相互間的作用力。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拉結鋼筋；以及最優化鋼架的剛度比等措施。
- 增加最有效的抗彎構件的截面材料。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，地震問題將會（因樓層質量增加）被加劇。
- 通過設計安排使大部分豎向荷載，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。
- 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程量。
- 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相互作用，而不是單獨工作。
- 在中間轉換層通過大型豎向和水平構件及重樓板創建連接成大框架，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由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
當剪力墻能夠與其他功能需求兼容時，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體的，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，剪力墻的采用極為常見。如果給與足夠的長度，剪力墻能夠經濟有效地抵抗30-40層甚至更多樓層的水平荷載。
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。此外，墻體設計還應考慮扭轉的問題。
在設計過程中，兩片或者更多的剪力墻會布置成L型或者槽形。實際上，四片內剪力墻可以連接到一個矩形軸（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連續都連接起來，整個建筑物就像是一個筒體，即是精良的剪力墻系統，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型式。這些桁架上可能布置成單斜撐、X斜撐或K斜撐。在側向力作用下這些桁架的組合構件受到拉或壓力（即成拉桿或壓桿）。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、循環以及管道穿過這些墻。
如上所述，電梯墻、樓梯間及設備豎井都可以形成筒狀體，常常用它們同時抵抗豎向荷載和水平荷載。這些筒體的橫斷面一般呈矩形或圓形，由于筒結構作用，筒狀結構能夠提供有效地方式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一個問題是，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（即布置加強筋）。對于鋼剪力墻，則要求在開洞處有更重更強的節點連接，以抵抗洞口變形。
對于很多高層建筑，互相合理地布置與連接墻體和筒體，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。
框架結構
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來設計建筑。它們適用于低層、多層建筑物，可能用于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。
大多情況下，框架的剛度不如剪力墻，因此對于細長的建筑物設計將會出現過度變形。但正是因為這種柔性，使得其與剪力墻結構相比具有更大的延性，因而地震荷載下不易發生事故。例如，如果框架局部某處（例如連接處附近）出現超應力時，那么其延性就會允許整個結構位移多一點，但即使在結構上承受比預期更大的力量也絕不會（使建筑物）崩潰。因此，框架結構常被視為最好的高層抗震結構型式。另一方面，設計得好的剪力墻結構也不可能倒塌。
對于混凝土框架結構，還存在較大的分歧。的確，如果混凝土框架按傳統方式設計，不進行特殊的延性設計，那么它將很難承受比設計標準值大很多倍的地震荷載的沖擊。因此，很多人認為它不具備鋼框架所具備的超載能力。不過最新研究和實驗表明，當混凝土中放入足夠的鋼箍和節點鋼筋時 ，混凝土框架框架也能表現出很好的延性。新建筑規范對所謂延性混凝土框架有專門的規定。然而，現在這些規范往往要求在框架的某處增設過多的鋼筋，這就造成（潛在的）阻塞和增加施工的難度。盡管這樣，混凝土框架設計還是既實用又經濟的。
當然，還可以在建筑結構設計中，將框架結構和剪力墻結構結合起來使用。例如，在建筑體系一個方向上使用框架，而在另一方向上可以使用剪力墻。
結 論
以上所述就是高層建筑最普通的結構形式。在設計過程中，應盡可能經濟實用地選擇合理的形式。
