侯彦军

山西吕梁市供热集团有限责任公司 山西 吕梁 033001

随着时代的不断发展，城市化进程持续加快，城市中的土地资源有限，要求增加高层建筑的数量，其不仅能够对居住问题进行有效解决，同时内容能够给对城市中有限的土地资源进行充分利用[1]。高层建筑工程的实际建设中，需要使用到钢筋混凝土建筑结构，需要对钢混结构进行合理应用，强化提升其抗风、抗震的作用，确保高层建筑工程的使用质量。本文从高层建筑结构设计谈起，阐述在高层建筑构造中的设计特点，结构体系，与框架结构的节点设施。研究高层建筑所涉及的系统和设计方法，分析各种重力和横向系统及其在高层建筑中的行为。重点关注高层建筑中各种横向系统的结构行为[2]。

1 设计理念

1.1 选择的材料

钢被选为主要材料。这是因为与混凝土或复合材料相比，钢材来设计和估算钢构件的尺寸应用更为广泛。事实上，许多高层建筑都是综合设计的，通常是用混凝土包裹钢筋。重力框架的梁和柱采用典型的宽翼缘截面，核心系统(承受重力和横向荷载)采用钢筋混凝土。

1.2 重力系统

本文假设高层建筑用于住宅或商务工作产所使用这个项目，一般每平方英尺的活负荷为40磅。

重力框架布局可以根据使用的每个横向系统而改变。大部分资料认为需要检测两个核心。本文只研究了一个核心，主要原因有三点，一、钢框架必须与混凝土核心对齐；二、斜网格系统周围没有垂直的柱，改变了建筑结构的布局；三、斜构件承担了横向和重力荷载。

1.3 研究案例的结构尺寸及高度

楼层高度和结构的整体高度是基于一个典型的钢梁的设计。然后根据结构框架、机械要求、照明和附加的施工公差计算楼层高度。住宅层高为4m，天花板高度为2.8m。底层一般会增加1.5m，以提供一个大型大厅和入口，使建筑的总高度达到240m。

1.4 轴向缩短

轴向缩短的概念是高层建筑中的一个主要问题。从屋顶到地面的重力载荷呈指数增长[3]。这些巨大的轴向载荷会导致垂直构件的缩短。钢、混凝土和组合截面都易受此影响，必须特别考虑以确保轴向缩短的影响不太大（如图1所示）。如果没有适当的考虑，整个结构可能会有很大的变形(多达十多厘米)，并影响结构和非结构部件。

2 横向加载

2.1 风与地震

由于区域的原因，需要同时考虑风和地震荷载。如前所述，风压是通过ASCE 7-16的定向程序估算的。此外，地震荷载采用了ASCE 7-16的等效侧向力程序。下面是层剪对比风和地震层剪的图表（图2所示）。

图2 风和地震荷载作用下的楼层剪切力

如上所示，南北方向风引起的基底切变支配着地震基底切变。有趣的是，由于地震引起的楼层剪切力和楼层力实际上比靠近建筑物顶部的风要高。在这个项目中，风被认为是主导的情况，尽管在现实中，地震层力在一些地方起主导作用。

2.2 风的其他影响

在高层建筑中，旋涡脱落是一个主要的问题，它取决于建筑的形状和形式。建筑的形状很大程度上影响了涡旋撕碎和侧风运动的大小。

3 横向系统研究

通过研究和参数化的计算机建模，选择了三个横向系统进行研究。观察了每个系统的行为，以及参数的变化如何影响挠度、核心的弯矩和各种构件的轴向力。横向荷载分布假设为分布荷载分解为均布荷载和三角形荷载。在SAP20OO模型中，这些荷载分布在10层楼高的模块中。在ETABS模型中，基于支流面积计算实际层力，并应用于每层。

3.1 混凝土芯结构

本文以建筑中心的钢筋混凝土核心为研究对象。它被理想化为一个“管”截面，忽略了每层的开口。它还假设在建筑物的高度上有一个恒定的壁厚。

研究模型在平面视图下为30ft × 60ft的配置，并观察弯曲挠度（如图3所示）。对于高层建筑，核心的弯曲挠度要比剪力挠度大得多[4]。对于关于弱轴弯曲，剪切挠度仅为36''壁厚总弯曲挠度的0.5%。因此忽略剪力挠度，分析顶板弯曲挠度。强弱两个方向宽高比为（1）弱方向:H/L =785'/30' = 26.17；（2）强方向：H/L = 785'/60' = 13.1。

图3 研究假设的加载和配置

本文对芯壁的厚度进行了研究，以找出芯壁在多大厚度下可以最好地减少挠度，使其在允许的范围内(图4)。允许的偏差限制是18.84英寸，基于H/500，其中H是建筑的总高度(785英尺)。

图4 混凝土核心研究弯曲挠度参数研究

由于弯曲挠度大大高于允许的，一个单独的研究检查了各种结构高度及其相应的挠度。假设相同的载荷和挠度标准的H/500，一个36英寸厚的核心墙测量30ft × 60ft比较了各种高度。结果表明，过去大约40层，或大约30层，核心系统已不再有效或不能抵抗假定的风荷载下的弯曲挠度。假设相同的建筑宽度，因为只有高度在变化，长宽比将会下降。在400ft，纵横比是6.67和13.33(其中H=400ft和L = 60ft或30ft取决于方向)。与高宽比为13.1和26.17时，H=785英尺，可以得出一些结论，限制挠度时，高宽比如此之大。这一观察值得注意，因为当宽度(L)增加到建筑的全宽时，支腿和斜桁系统的长宽比降低了。

图5中总结的研究结果，在上图中，结构限制在35到50层。

图5 不同高度下核心系统的有效性检验

3.2 悬臂梁结构

伸臂系统使用伸臂，或水平构件“延伸”到垂直柱，以稳定结构，并从非常细长的核心增加纵横比。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杆。这些悬臂梁通过拉力/压缩力耦合将核心的横向载荷转移到周边柱。带桁架通常与支腿架一起使用，以接合所有的周边柱。支腿只与与之相连的柱子相啮合。皮带桁架提供了一个封闭的“环”或“管”连接到所有周边的柱，并帮助转移的力量在悬臂梁周围的所有柱。

在减少顶板挠度、核心弯矩和柱轴向力的能力方面，将单个支腿与两个支腿进行了比较（如图6所示）。

图6 不同支腿位置的顶板挠度比较

沿建筑物高度三分之一处有两个支腿的结构在减少挠度方面是最好的。还应注意的是，堆芯中的力矩是从单堆芯开始减少的，减少的量取决于所使用的支腿架的位置和数量。这种弯矩的减少是由拉/压缩耦合力在柱和重要的考虑，因为这些大的轴向力有助于进一步轴向缩短柱。比较这些弯矩在核心和轴向力在柱显示如下（图7和图8）。

图7 使用支腿时底座混凝土核心的力矩比较

图8 由伸臂接合的底座柱的轴向力比较

3.3 斜交网格结构

对角线是最后一项研究，研究了各种构型。

对于长宽比在4:1 ~ 9:1之间的高层建筑，最适宜的支撑角度在60 ~ 70度之间[4]。这一最佳范围是由耶鲁大学的Kyoung Sun Moon对一座118英尺乘118英尺的60层建筑进行研究后确定的。研究还发现，在这个范围内，最有效的角度是69度。对于参数研究，选择69度角和52度角(略超出最佳范围)进行比较。通过改变每条对角线跨度的楼层数，对角线成员的数量也进行了比较。配置如图9，结果如图10。

图9 对角网格参数研究的配置

图10 种不同斜网格结构顶板挠度比较

4 总结

在研究了高层建筑的行为后，主要结论如下。

4.1 高层建筑很复杂

高层建筑中的系统可能非常复杂，结构构件的规模可能比我在低层建筑中使用的要大得多。加载和行为很少是线性的，需要更多的考虑。横向荷载是动态的，重力荷载是指数级的，所有系统和结构构件必须共同工作，以充分传递力和限制挠度。

4.2 小心信任计算机程序

通过本项目的分析研究，一个非常重要的经验是计算机程序的可信性和有效性判断。特别是对于规模较大、从未设计和分析过的高层建筑，很难判断构件受力是否合理。必须借助计算机建立准确的模型，以便得到是合理设计[5]。

4.3 高层建筑需要多个连接系统

本文研究了几个系统来理解它们的行为，然而高层建筑经常使用许多不同的系统，甚至使用“超大”系统，其中成员的规模很大。