高層建筑結構研究（3篇）范文
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摘要：
本文首先對幾種最常見的轉換層做簡要概述并分析了其工作原理，接著分析了轉換層在高層建筑中應用時應具備怎樣的布局和構造原理，接著對其抗震性能和合理性進行了分析，最后對一些新型轉換層的設計進行了探究。
關鍵詞：
高層建筑；轉換層；抗震性；結構設計
隨著城市化腳步的加快，高層建筑對于城市來說早已是屢見不鮮。對高層建筑設計轉換層更是當下必不可少的一項任務及要求，轉換層能更好的讓高層建筑發揮其優點和作用，方便了我們的生活。但由于其結構的限制，抗震性能的強弱決定了整棟樓層的安全，因此，對轉換層的要求便更加嚴格。
1轉換層的幾種基本類型和構造原理
1．1梁式轉換層
轉換層樓板上層構造的剪力要傳送給下層構造，在本身承擔一部分壓力的同時還要承擔上部壓力。因此對梁式轉換層的設計構造要求十分嚴格。梁式轉換層的構造優點十分突出，例如它的結構十分簡單，對于力的傳導和傳輸目的十分直接和明了，在大部分的高層建筑中都能被采用。
1．2箱式轉換層
當某一層樓板的硬度條件與估算值存在偏差時，就要求在轉換層的上下各安裝一層樓板，從而增加樓層在受到力的作用下而不易發生形變，安裝后就會上下形成一個箱式構造。采用箱式轉換層的好處是轉換層的受力導力平均，且轉換層在受力時抵抗彈性形變的能力大大增強，但是在實際操作時，箱式轉換層不僅花費大而且不易操作施工［1］。
2轉換層在高層建筑應用及設計構造
轉換層在高層建筑的應用極其廣泛，只要根據樓層的需要進行設計即可，但設計的同時也要考慮種種因素，如建筑地區的選擇，一些高層建筑選擇在土壤比較稀松的地區施工，本身就不利于樓房的自身需求而使得樓房易下陷，而有的樓房較高，如果單純的使用轉換層則不利于對地震的需求，因此對轉換層的使用應具備以下幾點要求：
（1）轉換層的設計要有一定的韌性，在承受一定壓力的情況下不易發生形變。
（2）應盡可能的在構造中不使用縱向構件。
（3）在構造時要使頂底兩層的剛度比控制在1和2之間，使縱向受壓時形變量不受過大影響。
（4）盡可能將轉換層上部的剪力墻和柱子保持一一對應。
（5）轉換層在選擇位置上要盡可能靠近建筑物底部的適當位置，如果建筑物特別高要求轉換層設置也要高時就盡可能的讓轉換層的縱向位置降低并增加一定的剛度，如果設計不達標則地震來臨時便會對整個建筑物的安全帶來嚴重的威脅。
（6）使支剪力墻與落地剪力墻的比值保持在相關要求內。
（7）要系統精確地分析轉換層結構，將其和整棟樓房進行統一換算分析，并進行模擬實驗以及抗震測試，最大化的提高其安全系數［2］。
3抗震性能的分析
隨著轉換層位置的不斷提高，對于其抗震性能的要求也不斷提升，影響其抗震性能的因素也有很多種類，像轉換層的位置設置、轉換層頂部與底部對壓力變形的韌性，轉換層側面的剛度等。因此我們在對轉換層進行結構分析和設計構造時應考慮這些因素。根據《高規》內容的明確規定，對于一些框支剪力墻結構的轉換層，設置在三層及以上時，在剪力墻和支柱底端應加強抗震系數，使其增加一級抗震系數，本身為特一級時則不必增加。
4轉換層的幾種最新構造
4．1搭接柱轉換型
其設計的主要準則是利用轉換柱來實行轉換，這樣做的好處就是在構造時使用的原材料較少，而且它的自身重量比較輕，對建筑的剩余空間資源可以得到充分利用，而且對壓力的形變程度也比較小。但有一點值得關注的是柱子上面的樓蓋應該使用高承受力的物質材料進行加固。搭接柱轉換型之所以在安全和穩定性上優于其他轉換型結構的原因在于它連接樓蓋的承受力和縱向伸縮度的完美控制。使得搭接柱受內力的影響大大衰減。在搭接柱形式的轉換層中，最主要的重心便是筒體對側力的抵抗能力。所以對于筒體的承受力，伸縮性和橫截面的尺寸要做到足夠精細。就要求受力能從搭接柱伸縮到上一層，當筒體的構造材質發生變化時，不會影響塔柱因受力而產生變形，從而使高層建筑的抗震性不衰減。另外我們也可以運用SATWE、PMSAP這樣的軟件對搭接柱轉換構造的性能進行測算解析，更方便快速的解決了人力測算帶來的誤差。
4．2其他新型轉換結構
除了上面的搭接柱轉換型，還有兩種基本形式的轉換結構，寬扁梁轉換結構和斜撐轉換結構，這兩種結構都有其各自優點，對于前者來說，該轉換型適應于各種建筑物類型，對轉換層的高低影響重大并且有利于建筑物機械設備的使用，大大減少了資金成本，對建筑物造型設計上有一定的輔助功能。后者則使高層建筑受力均勻，力的傳導比較明確，緩沖機械變形上有更好地抗震效果［3］。
5基于高層建筑轉換層構造的建議
面對當前形勢，許多建筑工程師就高層建筑的轉換層的抗震效果、對高層建筑自身受力等多種情況進行了一些有價值的研究，這樣就為設計構造者對高層建筑物的轉換構造帶來了理論依據，使得一些建筑避免了成為爛尾工程的犧牲品。據此，針對高層建筑轉換層的設計構造提出了以下幾點建議：
其一，轉換層的高度問題應該進行全面系統地分析測試，轉換層高度大，會使轉換層的地震反應力加大，但對其它樓層的反應較小，對地基的承受能力是一大考驗，所以應該使轉換層的高度設計在允許抗震等級以內。
其二，轉換層自身高度越大，其自身結構受地震影響其波動幅度越大，靠近轉換層的幾層受轉換層的影響其波動幅度也有所加強，因此，轉換層的轉換梁不應太高。
其三，轉換層設置越高對樓層的變形程度影響越大，轉換層的高度越靠上，對樓層的伸縮性要求增加，各個樓層間的可伸縮性減小，各樓層間的位移量變小，加大了構造的扭轉時間，對建筑物本身的結構造成一定的影響，因此，轉換層的高度不應設置太高。其四，剛度比的不同會對抗震性能產生一定的影響，同時對第一次低階振型周期產生巨大影響，而對橫向方向的構造在能檢測出的地震影響較小。因此，我們應該使用各類方法使結構剛度比達到黃金比值。
6結語
由于當今社會的建筑類型大不相同，為了建筑需求所要實現的效果和功能也不盡相同，因此在設計轉換層時應考慮到各個高樓的現場具體情況，為可能發生的各類突發狀況做好必要的應急措施。轉換層所在的高樓受力復雜，對自然界的不可抗拒的因素也要考慮在內，如地震，臺風，海嘯等。
參考文獻：
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［2］閆微微．帶轉換層的高層建筑結構設計［J］．科技與企業，2013，06：215．
［3］梁興泉．高層轉換結構的設計［J］．山西建筑，2016，02：29－31．
作者:廖曉雄 單位:中國建筑西南設計研究院有限公司
第二篇：高層建筑結構彈塑性研究
摘要:
近年來，我國城市化迅猛發展，為滿足城市發展及人口增長的需要，高層建筑應運而生。高層建筑解決了城市發展中的一部分土地及人口問題。但是由于高層建筑結構較為復雜，對其進行彈塑性分析十分必要，能夠了解建筑結構的抗震性能，確保高層建筑結構的安全，為城市化的發展提供堅實的基礎。
關鍵詞:
高層建筑結構；彈塑性分析；模型；應用
改革開放以來，我國的城市化進程不斷加快，城市的高層建筑工程也越來越多，居世界之前列。在高層建筑不斷發展的同時，高層建筑結構抗震設計也引起廣泛的關注與研究。當高層建筑物在經歷中級地震或大型地震的時候，其結構必然要進入彈塑性，對建筑結構的安全有著重要的影響，因此對高層建筑的彈塑性分析在建造高層建筑時需要對其進行深入分析，來保證高層建筑結構能夠達到塑性的標準要求。但是在實際工作中對高層建筑結構的彈塑性分析并非易事，其需要借助大量的復雜的計算才能得到較為正確的分析結果。針對于高層建筑結構彈塑性的分析工作，國內外已取得一些成就并開發出了一些相關的軟件，但在使用的過程當中，大部分的軟件都沒有到達預想的效果。彈塑性分析方法分為靜力彈塑性分析法和動力彈塑性時程分析法是對高層結構進行非線性階段抗震的兩種主要方法，我國高層建筑結構彈塑性分析也采取此兩種方法。
1影響建筑結構彈塑性因素
當發生地震時，如果高層建筑結構一直停留在彈性狀態下，那么此時的建筑材料在符合虎克定律(固體材料受力之后，材料中的應力與應變之間成線性關系)條件下的反應叫做彈性地震反應;反之，當地震的威力較大的情況下，建筑結構就會進入彈塑性，此時的建筑材料在不符合虎克定律，建筑結構就會引起彈塑性反應［1］。彈性地震反應與彈塑性反應之間有著很大的不同，現將兩者之間的不同表述如下。圖1彈性體系下的位移與力之間的關系
1．1兩者的結構剛度和阻尼不同
彈性地震反應借助于剛度矩陣，也叫做常量矩陣，要依靠相對應的積分來逐步完成相應的計算。而在彈塑性地震反應過程中，位移與力的不僅僅是線性的規律，在使用雙線性恢復力模型的時候只有當位移同時處在相同的直線段的時候，剛度矩陣才能夠滿足于常量，反之當兩個位移不在同一條直線上，剛度矩陣就會產生影響，剛度矩陣構
1．2彈塑性反應的特殊性
彈性地震反應與彈塑性反應雖然有著很大的不同，但是在某些特殊的情況下，兩者可以等同。在地震的強度并非非常強烈，作用力不大的情況下，而此時的結構屈服強度也超過了一定的限度的時候，地震的作用對于高層建筑結構的彈性造成的影響不明顯的情況下，振動范圍就如圖2所示。在圖2中，AD線段內的整個區域都屬于內振動，而在這個范圍內，由彈性地震反應求得的解將會與彈塑性地震反應所求得的解相同，在這種情況下，彈性地震反應可以等同于彈塑性反應。
1．3位移反應與地震力之間的關系
在正常的狀態下，地震作用的強度和彈性變形程度成正比，也就是說，地震的強度越大，彈性變形也就會越大，而且彈性的變形無限制，隨著地震的強度不斷的變形。與彈性變形不同的是，彈塑性變形的不是無限制的，如果地震的力度已達到讓結構屈服的程度，彈塑性變形的增長就會越來越慢，并且在達到一定程度的同時就不會再增長，但是彈塑性變形能力的不再增長不會影響結構變形的持續。對于塑性體系與彈性體系的分析比較不能簡單的進行概括，在結構、地震力影響相同的情況下，我們無法正確的區分出塑性地震反應與彈塑性反應。在圖2中的AD線段我們可以看出，由于塑性變形本身沒有地震力減小得快的特殊性，在地震力變小下，會出現塑性變形的能力加強的情況。
1．4結構強度與延性高層建筑結構的屈服強度與高層建筑結構進入塑性狀態有著一定的關系，一般而言，屈服強度提升，塑性狀態越晚。因為借助于此，可以通過提升強度來達到提高抗震能力。
2高層建筑結構彈塑性分析的結構模型
2．1層模型層
模型的原理主要是將層靜力在特定的方法之下當做彈簧串，在對層模型進行一定的分析。對層靜力的特性計算和對動力時程響應計算是分析層模型過程當中需要進行的兩大計算。對于層靜力特性計算通常使用增量法和能量方兩種方式，對動力時程響應的計算建立在質量、串聯彈簧模型的基礎上［2］。
2．2平面模型
平面模型可以在高層建筑結構的剛度分布均勻的情況下使用，因為在這種情況下，建筑的幾何就會比較的規則，結構之間的影響則不會太多，反之，不規則的幾何布置使得結構之間的影響增大。
2．3空間模型
空間模式在高層建筑結構彈塑性分析中能夠進行精確的分析，因為該模型可以將建筑結構的整體進行分析。在強調整體、精度的同時，空間模型也具有自身的缺點，由于復雜的整體分析，使得空間模型分析的計算量較大，對應的時間也較長。
3高層建筑結構彈塑性分析方法的具體應用
3．1空間計算模型的具體應用
在上述高層建筑結構彈塑性分析的結構模型中指出空間模型有著高度的精確性，但是其本身所運用的計算及時間加大，因而限制其的運用。但隨著科技的迅猛發展，尤其是計算機技術和計算數值技術的快速發展，在高層建筑結構彈塑性分析工作中也大量的使用相關技術。傳統的層模型和平面模型由于自身的一些缺點已被逐漸的淘汰，越來越大的工程人員都選擇使用空間模型來進行高層建筑結構彈塑性分析，在使用空間模型的同時，伴隨圖形分析技術的發展，使得在工程設計的時候工程模型能夠更加的逼真與形象，在縮短模型分析時間與減輕計算復雜性的同時，也不斷的提高了高層建筑結構彈塑性的精確度、提升了彈塑性分析的效率。
3．2計算程序的選用
計算機分析軟件的選用對于高層建筑結構彈塑性分析有著重要的作用，不理想的計算機分析軟件不僅會浪費大量的時間進行分析而且得出的分析結果也并非準確。因此要正確地進行高層建筑結構的彈塑性分析，保證分析的高效順利完成，就必須要選擇合適的計算機分析軟件。對于高層建筑結構彈塑性分析，目前我國主要采用三種計算機軟件:第一種是ABAQUS三維有限元彈塑性分析程序，此款軟件在高層建筑結構彈塑性分析中的運用最為廣泛，得益于其優異的分析能力以及二次開發能力。線性與非線性的靜力彈塑性分析法和動力彈塑性時程分析都可以運用ABAQUS三維有限元彈塑性分析程序;第二種是SAP2000三維有限元彈塑性分析程序，強大的分析能力使得SAP2000三維有限元彈塑性分析程序的運用也十分廣泛，在日常當中遇到的方法，如時程分析、地震動輸入、動力分析以及Push－over分析等，ABAQUS三維有限元彈塑性分析程序基本上都具有，強大的分析與處理能力讓SAP2000三維有限元彈塑性分析程序在工程領域得到大量運用;第三種是MIDAS系列三維有限元彈塑性分析程序。簡單易操作、上手快等特點也讓MIDAS系列三維有限元彈塑性分析程序在高層建筑結構彈塑性分析中得到認可。此外空間彈塑性分析程序SCM－3D，AN－SYS，Algor，Cosmos/M等大型微機有限元分析程序，三維結構彈塑性地震反應分析程序DRAIN－3D等都可以用于高層建筑結構彈塑性分析［3］。
4結語
綜上所述，高層建筑彈塑性分析是一項十分復雜的工程，影響的因素也比較多。這就要求設計人員在建造高層建筑結構時要高度重視彈塑性分析，不斷運用現代科技手段，確保分析結果的高效與準確。
參考文獻：
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［2］王鑫，聶桂蘭．靜力與動力彈塑性分析在超限高層建筑結構抗震設計中的應用［J］．中國西部科技，2009(23)．
［3］楊旭東，婁蕙．高層建筑結構彈塑性分析方法的應用探討［J］．紹興文理學院學報，2003(9)．
作者:劉強 鄔鑫瓊 單位:深圳市筑道建筑工程設計有限公司南昌分公司
第三篇：高層建筑結構設計不規則性應用分析
摘要：
針對高層建筑體的結構設計，具體方法是有多種的，在不斷要求提高建筑結構功能性與美觀性的背景下，不規則設計方法逐漸得到廣泛應用。在建筑工程的不規則設計中，尤其需要注意對建筑設計要點的把握，從而保證結構質量，本文即重點探討了建筑結構的不規則設計，以供參考。
關鍵詞：
高層建筑；結構設計；不規則性
1引言
在進行高層建筑設計的過程中，采用不規則性設計不僅能夠提供良好的視覺效果，還可以給建筑整體的安全性、穩定性帶來良性影響，因此，在設計高層建筑結構時，需要高度重視不規則設計方法的合理運用，以確保設計成果能夠符合建筑結構設計的預期效果，并發揮其優良性能。
2高層建筑結構設計不規則概述
在進行高層建筑物的建設的時候，必須要充分考慮高層建筑物的選址地點、選址環境以及當地的大氣環境等因素，進行合理的設計調整，以確保高層建筑的穩定性。調整過程中不僅要重視高層建筑施工進度的控制，更重要的是要在建筑物構造的設計方面，采取科學合理的調整措施，以滿足高層建筑物投入實際運用后，各種功能方面的要求，而這些調整本身也往往存在不規則性。通過這種不規則的結構調整，能夠有效改變整個建筑物的受力情況和整體作用力狀況，最終實現建筑結構的最安全設計方案。同時，建筑的結構上的不規則性還可能體現在建筑外觀上的不規則，現代的不規則建筑能夠改變傳統的和諧對稱設計方式，將美觀、大膽作為建筑的主線，使建筑成為社會上的一道風景線。
3高層建筑結構設計不規則性的表現
3.1建筑平面的不對稱
3.1.1平面布局不規則
在平面不規則類型中，主要分扭轉不規則、凹凸不規則和樓板局部不連續，具體如下：
①扭轉不規則（見圖1），主要體現為將每層樓的最大彈性水平移動值設計為該棟樓樓層兩端水平移平均值的1.2倍，或者將最大層間移位設計為該樓層兩端層間移位平均值的1.2倍；
②凹凸不規則，即是以建筑結構面凹進的一側尺寸，設計為大于實際投影方向上總尺寸的30%為標準；
③樓板局部不規則則主要以樓板尺寸與平面剛度所發生的急劇變化作為判斷標準。
3.1.2質量、剛度與強度的不規則
（1）質量不對稱傳統建筑的質量對稱，并非代表的是絕對對稱，而主要是指建筑物各個結構中的小的質量元素存在的一種相對結構對稱。為適應建筑物的實際地質環境限制等問題，國家規定，質量偏移需要在一定的范圍內進行，這樣一來，偏離能夠減少一個位置或一個點所承受的作用力。高層建筑為了能夠解決地面不平、地質松動等環境缺陷，則可以利用質量上的不對稱方法，或者通過設計建筑物進行質量不對稱性，來增加整個建筑的抗震能力。例如將質量的重心盡量的設計成垂直于地震的作用力方向，就能夠在很大程度上緩解地震強度，形成一個力的緩沖，從而減少了地震對于高層建筑的作用，起到抗震的作用。
（2）剛度不對稱高層建筑物當中的外部荷載，主要指的是整個建筑物所承受的壓力。這種壓力通常分為外壓力和內壓力兩種。外部的壓力主要就表現為與建筑物負載重量相垂直的壓力，而內部的壓力則是表現為與建筑物所負載壓力方向一致的力。建筑物的剛度出現不對稱的主要原因在于實際施工過程中面臨著眾多的客觀問題，所以，要采取相應的改變措施，改變建筑的剛度，設計好建筑物的不對稱性，使得高層建筑更為穩定。
（3）強度不對稱在建筑施工中，利用鋼筋水泥以及混凝土等建材能夠充分體現出建筑的強度，但設計建筑時，難以完全的確保所使用的鋼筋、水泥以及混凝土這些建材的配比平均性，所以，就容易導致簡述平面的強度出現不對稱的問題。工程施工時，常會出現各種不確定的問題，嚴重影響建筑平面上剛度的對稱性，并且在平面的強度或者平面的質量不夠對稱這兩種情況中，最難以避免的是強度的不對稱問題，而強度的不對稱又會影響到建筑物的規則性。盡管平面上存在的不對稱問題會對建筑的實際抵抗能力產生影響，但分析了實際情況后，發現如果在設計階段就考慮到該因素，即可刻意采取合理的強度不對稱設計，從而緩解強度不規則問題。
3.2豎向不規則性
高層建筑的豎向不規則主要分為以下幾種：①對側向剛度的不規則進行判斷時，要確保樓層側向的剛度值比其相鄰上一樓層的70%要小，或者比該樓層以上相鄰的三個樓層側向剛度平均值的80%要小，除掉頂層外的樓層布局收進的水平向尺度大于與其相鄰下一層的25%；②豎向抗側力不規則，是以豎直方向上的抗側力產生的內力通過水平的轉換構建而向下傳遞為依據；③樓層間質量突變，以樓層質量大于相鄰的下一樓層質量的1.5倍為判斷標準；④樓層承載力突變，指的是相鄰樓層結構在接受外部應力作用的條件下，承載剪應力表現不同結構現象，樓層承載力突變的評定標準為，評定目標樓層在檢測過中剪應力承載水平波動變化超過80%水平。
4高層建筑結構設計中不規則性應用實例分析
4.1工程概述
某工程建筑面積11457.3m2，共21層，建筑物總高度66.12m，地下1～3層是商業廣場，層高3.6m，以上樓層為住宅區、層高3m。工程采用框架一剪力墻結構設計，由于本工程屬于平面不規則，豎向不規則建筑，合理的剪力墻布置既能夠提高建筑的抗扭性能，又能增強建筑結構的整體穩定性，同時需要對建筑結構設計中的薄弱環節采取抗震加強措施，本工程1～3層結構平面和4層及以上結構平面如圖2所示。
4.2結構不規則設計的具體措施
4.2.1合理控制偏心距
高層建筑結構設計中，為合理控制不規則性影響，應當采取以下措施控制偏心距：①設計人員應結合建筑結構設計的實際情況，對結構內在不規則性進行深入的研究分析，依據計算結果準確掌握建筑結構的質心、剛心情況，從而為后續設計工作的進行打下基礎；②需要通過相關數據以及實踐經驗比較準確的判斷建筑結構的剛度分布；③適當的增減距質心較遠的抗側力構件。經過計算，本工程的X向和Y向的質量中心和剛度中心分距離別為0.01～0.07m、0.05～0.37m，對應的建筑物邊長分別為0.27%、1.50%。
4.2.2提高抗震性能
由于此建筑的上下層之間具有的使用功能存在差異，所以，4層以上的平面結構部分收進l1.1m，收進后的平面寬度為12.7m。在此設計中，為提高薄弱部位的抗扭性能，豎向體型突變部位樓面板厚度設計為180mm，鋼筋設計采用雙層雙向通長設計，配筋率大于0.30%，同時本工程在4～21層民用建筑的設計中平面凸出長度為11.3m，加強凸出位置的樓板厚度和配筋率。
4.2.3抗扭薄弱環節的設計
該工程采用了轉角窗的設計，因而削弱了建筑結構的抗扭性能，屬于薄弱環節設計，容易出現結構的局部破壞現象。在設計中，應當在轉角窗的兩側設置剪力墻，用以加強樓板板筋的配置率，并在洞口邊緣的端柱之間設置暗梁，提高抗扭性能。當地震多發時，結構薄弱層的剪力值設計乘以最大系數，相鄰的兩層之間的框架柱與剪力墻的尺寸面積相等，所使用的混凝土等級液相同。為了能夠進一步減少結構的扭轉效應，則布置剪力墻要確保均勻對稱，同時提高周邊剪力墻的抗側剛度。
4.2.4抗震的性能化設計
本工程在中震不屈服的設計中，為了提高建筑結構的塑性耗能能力，估計地震影響系數取最大值0.45，為了保證結構安全，設計采用彈性時程分析法補充計算，內置特征周期為0.45s，地震加速度是程曲線最大為70cm/s2，加速度依照最大1：0.85取值。
4.3不規則設計的計算分析
現階段，設計高層建筑結構時，使用的計算程序以及計算分析的方式都是相同的假定的方式，且都是假定平面內剛度無限大、樓板在平面內不出出現變形的情況，盡管，此類假設對于大部分工程而言具有較高的可行性，但如果樓板出現較大的凹入時，且有較大的開洞時，樓板的平面就會發生變形，此時，此假設則不成立，無法適用，使用的計算方法以及程序則需要對樓板變形的影響進行充分的考慮。
5結語
在現代工程建設中，高層建筑的不規則性逐漸成為時代潮流，如何完善建筑的不規則設計，保證不規則結構穩定性與安全性，必須針對結構的薄弱環節采取合理的設計措施，在實際建設施工中，結合工程實際情況進行合理改進，引入新技術、新概念，減少設計的不利因素，從而在保證建筑美觀的同時，確保建筑質量。
參考文獻：
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作者:鄧兵 單位:湖南方圓建筑工程設計有限公司
