摘 要：本文簡(jiǎn)述了高層建筑受水平荷載中風(fēng)荷載及水平地震力的影響，闡述了水平荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的多方面的影響，并在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)述了針對(duì)這兩個(gè)水平荷載的概念設(shè)計(jì)時(shí)的方案及理念。從結(jié)構(gòu)選型到受力分析提出了比較優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：高層建筑 水平荷載 風(fēng)荷載 水平地震力 概念設(shè)計(jì)

1、引言

在我國，高層的定義為10層及以上或者房屋超過28米的混泥土結(jié)構(gòu)高層民用建筑物。高層建筑的快速發(fā)展也帶給了設(shè)計(jì)工作者許多難題，其中水平荷載作用對(duì)建筑的影響極大，在控制上提出了較高的要求。水平荷載中屬風(fēng)荷載與水平地震力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最大。眾所周知，水平荷載中的風(fēng)荷載要求結(jié)構(gòu)有較高的剛度，水平地震力而又對(duì)柔度的要求也很高，然而剛度和柔度這兩個(gè)參量彼此是相互矛盾的，怎樣才能使之達(dá)到平衡，是我們作為土木工程的學(xué)子需要長(zhǎng)期堅(jiān)持探討的課題。

2、風(fēng)荷載對(duì)高層結(jié)構(gòu)的影響分析

空氣流動(dòng)受到建筑物的阻礙，并在建筑物表面形成了壓力或吸力，這些壓力或者吸力就稱為風(fēng)荷載。風(fēng)荷載傳力方向是自上而下，所以風(fēng)荷載對(duì)建筑的剛度有一定要求。風(fēng)荷載分為靜力部分-穩(wěn)定風(fēng)和動(dòng)力部分-脈動(dòng)風(fēng)和橫向風(fēng)。穩(wěn)定風(fēng)相當(dāng)于靜力作用，可按結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，受力簡(jiǎn)圖穩(wěn)定，脈動(dòng)風(fēng)由于其動(dòng)力效應(yīng)及分布的不均勻性，多數(shù)會(huì)引起高層建筑的振動(dòng)。以隨機(jī)動(dòng)力學(xué)與概率統(tǒng)計(jì)法為依據(jù)計(jì)算。橫向風(fēng)使建筑產(chǎn)生前后的風(fēng)壓差，進(jìn)而形成漩渦，并以一個(gè)相當(dāng)明確的頻率進(jìn)行周期性脫落。其產(chǎn)生的荷載的周期性與否取決于雷諾數(shù)的大小。風(fēng)荷載在迎風(fēng)面產(chǎn)生壓力（多對(duì)桿件產(chǎn)生拉力），在背面產(chǎn)生吸力（多對(duì)桿件產(chǎn)生壓力），但是傾斜桿件達(dá)到30度的時(shí)候可以忽略風(fēng)力的影響，對(duì)于風(fēng)荷載的影響的精確計(jì)算我們可以運(yùn)用基于動(dòng)力可靠性的Davenport譜隨機(jī)風(fēng)振動(dòng)響應(yīng)的解法得到解決，高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載的影響不但對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有影響，而且高層建筑在風(fēng)荷載作用下發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到某一限值時(shí)，處在建筑中的人會(huì)產(chǎn)生某種不舒適的感覺，例如煩躁、頭暈、惡心等癥狀，將導(dǎo)致居住者出現(xiàn)緊張甚至恐慌心理，降低其生活質(zhì)量和影響其工作效率 ，因此高層受風(fēng)荷載的影響十分豐富和復(fù)雜。

3、水平地震力對(duì)高層結(jié)構(gòu)的影響分析

地震時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)經(jīng)過基礎(chǔ)前后晃動(dòng)而傳給建筑，但是建筑的質(zhì)量會(huì)阻止這種運(yùn)動(dòng)，而在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了慣性力，這個(gè)慣性力就是地震作用。地震力給建筑產(chǎn)生的力分為水平力和豎向力。水平地震力與風(fēng)荷載一樣給結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的是水平方向的振動(dòng)，由于力是由下向上傳遞，所以對(duì)結(jié)構(gòu)的水平方向上的柔度要求挺高。水平地震力還有二階效應(yīng)，使建筑的水平側(cè)位移加大，加大結(jié)構(gòu)的重心偏移，增加結(jié)構(gòu)傾倒及毀壞的風(fēng)險(xiǎn)性。水平地震力與豎直的地震力共同作用時(shí)對(duì)不規(guī)則的高層建筑也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用。當(dāng)?shù)卣鹬芷谂c高層建筑自震周期一致或者相似的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生共振作用，結(jié)構(gòu)的變形會(huì)達(dá)到最大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大破壞。水平地震力作用與風(fēng)荷載共同作用，產(chǎn)生不規(guī)則的受力形式，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞破壞，地震作用雖然并不經(jīng)常出現(xiàn)，但是其出現(xiàn)時(shí)候的破壞力能達(dá)到最大，一般抗震設(shè)計(jì)是以“小震不壞，中震可修，大震不倒”為設(shè)計(jì)原則并考慮結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)。

4、基于水平荷載作用的高層概念設(shè)計(jì)

基于風(fēng)荷載與水平地震力等水平荷載的復(fù)雜性和影響的重要性，高層結(jié)構(gòu)中概念設(shè)計(jì)變得尤為重要。結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)一般是指不經(jīng)過數(shù)值計(jì)算，在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的地震作用、風(fēng)作用、溫度作用、場(chǎng)地土特征、結(jié)構(gòu)的真實(shí)效應(yīng)和一些基本概念的深刻理解的基礎(chǔ)上，從整體的角度來指導(dǎo)建筑結(jié)構(gòu)的選型、總體布置和抗震措施。具體說來，首先就是要有效地選擇結(jié)構(gòu)體系，然后再從平面形式、立面形式等方面綜合進(jìn)行協(xié)調(diào)，使各空間的要求與其所對(duì)應(yīng)的平、立面形式相吻合，最后充分考慮一些細(xì)部構(gòu)造。

運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的思想，可以拓寬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，突破常規(guī)，進(jìn)行真正的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)工作，這才是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最高目標(biāo)。

首先對(duì)于高層的選型，現(xiàn)代高層有框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框-筒結(jié)構(gòu)，筒中筒結(jié)構(gòu)等等。其中筒中筒結(jié)構(gòu)外筒以剪切型變形為主，核心筒以彎曲型變形為主。兩者協(xié)調(diào)工作，具有很大的優(yōu)勢(shì)，將是高層選型的一大方向。

其次是結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于風(fēng)荷載的影響，當(dāng)一幢獨(dú)立高層時(shí)候，以風(fēng)力垂直于與結(jié)構(gòu)表面為最不利，當(dāng)有干擾的時(shí)候應(yīng)考慮風(fēng)偏角效應(yīng)。根據(jù)流體力學(xué)，風(fēng)壓產(chǎn)生的流線型，建筑結(jié)構(gòu)體系應(yīng)以流線型為主題，參照飛機(jī)與魚的外形，建筑應(yīng)以獨(dú)立的規(guī)則的圓形建筑為優(yōu)選，而且在建筑的中間設(shè)置加強(qiáng)層，以伸臂桁架和腰桁架來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)強(qiáng)度。對(duì)于水平地震力的影響，對(duì)于建筑上部而言，小震時(shí)，結(jié)構(gòu)為彈性，大震作用下，耗能梁段為剪切屈服，屬于脆性。近30年來發(fā)展起來一種叫做偏心支撐框架（EBSP）的抗震結(jié)構(gòu)體系，其抗震性能大大優(yōu)于純框架與中心支撐，其中的K型偏心支撐鋼架在水平地震荷載作用下具有較強(qiáng)的抗側(cè)強(qiáng)度，顯著改善抗震性能。對(duì)于建筑下部基礎(chǔ)，運(yùn)用鉛芯橡膠基礎(chǔ)做隔震設(shè)計(jì)，可以有效的減輕水平地震力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，但是在底層柱軸力尤其是角柱，邊柱，應(yīng)該加強(qiáng)考慮豎向地震力的影響。

最后，建筑應(yīng)考慮到適用性與美觀性，對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)也應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的受力分析，確定結(jié)構(gòu)的合理性。

5、總結(jié)

現(xiàn)代高層建筑發(fā)展速度越來越快，在未來的時(shí)間里，高層發(fā)展將會(huì)是一種趨勢(shì)，而高層概念設(shè)計(jì)也是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽視的重要內(nèi)容。作為一名土木工程的學(xué)子，不但需要學(xué)好建筑理論、力學(xué)、結(jié)構(gòu)、材料以及施工技術(shù)和管理知識(shí)的知識(shí)，而且要有對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備功能需求的理解，對(duì)設(shè)計(jì)、施工和使用實(shí)踐的領(lǐng)會(huì)，再總結(jié)長(zhǎng)期工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上所制定的一些基本要求，對(duì)做好概念設(shè)計(jì)的全盤打算的工作。

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