校霸君
发布日期：2011-06-12
高层建筑结构体系抗水平荷载
在数以万计的荷载作用测量领域内，有一个不起眼的领域是进行过度复杂的高层建筑设计思想。的确，更好地设计高层建筑的普遍特征是进行简单和清晰的表达思想。
但如果这种思想并不符合设计要求，那这种重大的思想就没有生存发展空间了。事实上，这样一个复杂庞大的思想是由新型高层建筑家族的演进而来的。但也许更重要的是，几年前的新概念的东西在今天早已变成司空见惯的技术了。
省略掉一些需严格遵循观念的相关联的建材，那么用于高层建筑中的Z常用的结构系统可以分类如下:
1.Moment-resisting框架。
2.偏心支撑框架，包括支撑框架。
3.钢板剪力墙，包括剪力墙。
4.拉条固定管。
5.筒中筒结构。
6.核心互动结构。
7.蜂窝结构或捆绑结构。
特别是在Z近这种设计潮流正在向更复杂的形式演变，但必不可少也需要增加抵抗风和地震的刚度，大多数高层建筑结构体系都建立了有支撑的组合框架，充气，剪力墙以及相关的系统。进一步说，要想建造更高的建筑，基本都是由三维体系的互动元素组成的。
这些元素相结合的方法在本质上讲就是研究高层建筑的设计过程。这些组合要适应环境、功能、以及成本进化的需求，从而提供有效的结构，使建筑的发展达到了一个新的高度。这并不是说，富于想象力的结构设计能创造出伟大的建筑，相反的，有很多这样的例子，比如一些已建成的优良建筑是由一些平凡的结构工程师设计，而那些精细典雅的结构，而不是什么伟大的建筑， 也不需要具有天赋和领导才能的才华横溢的建筑师完成。在任何情况下，这两种选择的Z佳取向就是要制定一个对于高层建筑而言真正意义上的非凡设计。
通常只有在文献中才综合讨论这七个系统，而在这里有必要整体地讨论一下设计过程的本质。
1.Moment-Resisting框架
也许在low-medium-rise建筑和moment-resisting框架中Z常用的系统是在本质上具有线性水平和垂直成分的刚性连接接头系统。使用这样的框架作为一个独立的系统或者结合其他制度等，能提供给他们Z需要的抵抗水平荷载的作用。在较高的高层建筑物中，可能就会出现一个不符合独立系统的设计， 这是因为在没有一个天赋和领导才能的才华横溢的建筑师情况下很难设计出具有足够刚度的建筑系统。因此这两种选择的Z佳取向就是要制定一个对于高层建筑而言真正意义上的非凡设计。
STRESS、STRUDL，或者一大堆其他的合适的电脑程序可以帮助完成分析工作;而所谓的偏门的入门分析方法在今天的技术上早已无立足之地。
由于柱或梁存在内部弹性性能，并且初步设计的目的应该是突出系统的弊端， 因此通常在初步框架分析中并不使用center-to-center模型。当然，在之后的阶段性设计中，实际评估在joint模型中是至关重要的。
2.支撑框架
支撑框架在本质上比moment –resisting框架的刚度更强， 并在higher-rise建筑中发现了更重要的应用。这个框架系统的特征是它的线性水平、垂直和对角型构件简单或复杂地连接在接头上。通常在更高的建筑中用于连接其他系统，在low- medium-rise建筑中作为一个独立的系统。
其次，在支撑框架混凝土框架结构中使用钢结构是很常见的，并有可能更大规模化。更有意思的是在地震活动高发地区常使用偏心支撑框架。
再次， STRESS、STRUDL，或两者之中的任何一种，或三维分析的计算机程序都可以进行分析。而且center-to-center维度也常进行初步分析。
3.剪力墙
剪力墙的出现曾经也是伴随着ever-stiffer结构系统进展的一步。该系统的特点是相对较薄，通常是(但不总是)由混凝土组成，拥有提供结构强度和分隔建筑的功能。
在高层建筑中剪力墙系统往往有相对较高的高宽比，也就是说，它的墙高往往比墙宽要大很多。若功能系统缺乏了张力，任何建筑构件在抵御系统宽度所产生的倾覆力矩和构件的重力荷载上都会受到限制。由于受限于较小的倾覆中， 系统很显著的应用就是在建筑物很少需要窗户的外墙上拥有所需的宽度。
钢结构剪力墙一般通过具体叠加增加强度来抵抗屈曲，并经常用于剪切载荷很高的地方。该系统本质上比钢支护系统更加经济，特别是在通过高级区域内较高的楼板来承受高剪切载荷时特别有效。而且该系统拥有一个显著优势就是具有高延展性，在地震活动高发地区该特性就显得至关重要。
剪力墙系统的分析是很复杂的，这是由于在这些墙壁上不可避免的会有一些较大的孔洞。初步分析可以通过truss-analogy方法，或有限元方法，或利用一个专门计算机程序设计，还要考虑到剪力墙的互动和连接。
4.拉条固定管
拉条固定框架或拉条固定管的概念诞生于匹兹堡IBM大楼的建筑技术中，但随即被世界贸易ZX的双子星塔、纽约和许多其他建筑工程应用。系统的特征是:用3维框架和支撑框架或剪力墙， 在一定程度上几乎没有任何计划配置自然形成一个封闭圆柱。因为那些抗侧力柱尽可能放置在系统的角落里，因此整体的惯性矩和刚度的增加量是非常高的。管状结构是利用三维概念或者二维空间方法分析，但不管用哪种方法，都必须能计算出剪力滞效应所造成的影响。
剪力滞效应首先发现于飞机结构检测中， 在刚度框管里那是一种严格的限制。这个概念已将框架管的应用汇总于关于剪力的六十篇论文里。
设计师们已经开发出各种技术来减少剪力滞效应的影响，带桁架的使用Z为显著。其应用于建筑的案例高达40次甚至更高。然而，除了可能的美学考虑，带桁架几乎使每个建筑功能与外墙的联系受到干扰；桁架往往放置在机械地板上，但机械系统设计师并不认同这一点。然而，作为一个有效的桁架结构体系，带桁架方法非常有效，且可能会受到设计师的继续批准。无数的研究已经优化了这些桁架的位置，而Z佳的位置非常依赖于所提供的桁架数量。经验表明，不论如何，这些桁架的位置是机械系统优化和审美考量所决定的，而在经济方面结构体系对桁架的位置并不敏感。
5.筒中筒结构
管状框架体系能让每个外墙柱体抵抗弯矩和剪力。“筒中筒” 这个词在很大程度上不证自明，即双柱体环形管，整个环形周围是建筑的ZX服务核心，作为一种内在框架或拉条固定管所使用。两根管目的是提高刚度来抵抗超弯矩和侧向阻力。两根管子的性质并不相同，其中一个起框架作用，另一个起支撑作用。
研究这一系统很重要的是去深刻理解剪力和元件弯曲挠度的不同，这是根据梁的分析情况得出的。在框筒结构中，抗剪构件的挠度与梁柱弯曲变形有关(如下，框筒网)， 同时也和抗弯构件柱的轴向伸缩有关(如下，法兰框筒)。在一个支撑管中，抗剪构件的挠度与对角线的轴向变形有关，而抗弯构件挠度与柱体的轴向伸缩有关。
根据梁的分析，如果平面保持水平(如下，楼板)，那么外管柱的轴向应力会远离中性轴，但会明显大于内管的轴向应力。然而，在筒中筒设计中，Z优条件下柱体内管轴向应力会和外管轴向应力相同甚至更高。这个看似异常的情况是与刚性剪力构件中两个系统的差异性有关。Z简单的解释是将内管视为支撑(如下，刚性管)，外观视为框架(如下，弹性管)。
6.核心互动结构
核心的互动结构是筒中筒系统中的一个特殊例子，其中两支管是伴随着三维空间框架的某种形式存在。事实上，这个系统的外管剪力通常为零。美国匹兹堡钢结构建筑项目很好的阐明了这一系统。在这里，内管是刚性框架，外管没有抗剪强度，但这两个系统是有关联的。需要注意的是，如果把它们看作是一个进入“帽子”体系基础直线的系统，那么外柱会进行不恰当的模仿。这些圆柱也许增加15%硬度来适应支撑核心的弹性屈曲。另外，轴力与内柱侧向压缩变化有关，这种变化来自于紧张高度与拐点管，大约在试管的5 / 8的高度。当然， 由于系统的剪力几乎为零，外柱要承受来自整个高层横向荷载的轴向力。
连接内管与外管的梁或桁架的空间结构经常位于不同级别的楼栋里。美国电话电报公司总部就是具有惊人数组的交互式基础的一个重要例子。
（1）结构系统(28.6m 94英尺)宽，196ft(59.7m)长，601ft(183.3m)高。
（2）提供了两个内管，每31ft追加)(40呎)，ZX(12.2m 90英尺(27.4m)的分离，建筑的纵向分离。
（3）内管在近端方向起支撑作用，但在近端内为零的剪切刚度在远端方向。
（4）外部套管上提供一个单一的建筑物，它环绕边界。
（5）moment-resisting外管是一种框架，但随着剪切刚度的center50ft(15.2m)各自的长边。
（6）一个space-truss帽子结构可在大楼的顶部。
（7）一个类似的空间桁架底部附近的建筑物
（8）整个组件的侧向支撑其基于双steel-plate剪切刚度的管子，因为在建筑的基础上外部套管的剪力趋向于零。
7.蜂窝结构
蜂窝结构的一个典型例子是有由九个独立管组成的捆绑管结构的芝加哥西尔斯大厦，。而西尔斯大厦由9个近乎相同的管组成，基础结构体系对形状不规则的建筑物有特殊的用处，由于几个管外型上不需要有相似的规划模型，一些独立的管就突出了系统的许多优劣之处，这种情况很常见。
由于系统的这种特殊的弱点，尤其是框管，因此必须有处理这种微分柱缩短的观念。这种在荷载作用下的缩短，可利用利用该表达式△=ΣfL/E计算。
对建筑物来说，12英尺(3.66m)和15克耐思（138Mpa）天棚平均压应力缓解一列在荷载作用下的应力，是每15(12)(12)/ 29000或0.074in(1.9mm)。在50篇论文里，柱体已被缩短为3.7(94mm)，低于其无应力的长度。对于一个蜂窝式的绑管系统而言，其高度为50stories，而相邻蜂窝式系统其高度为100stories，那些临近两个系统边界线之间的柱体就需要调整一下微分挠度了。
主体结构工作需要在一些特定的地点完成。在墨尔本里亚尔托项目至少有一个建筑中，结构工程师发现必须降低垂直预应力柱的高度以便协调承受短柱后加拉力的柱体的微分挠度，同时这种短柱也增加了临近的更高的柱体的重量。
