高层建筑(已翻译)

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1、高层建筑关于高层建筑是很难给出明确的定义的，我们可以定义1-2层的建筑物为低层建筑，3到4层为中层建筑或者可以说10到20层甚至更高层。虽然原则上，高层建筑和低层建筑在水平构件和垂直构件的设计方面并没有太的差别，但使竖向构件的设计成为高层设计有两个控制性的因素。高层建筑承受荷载大，对柱子截面尺寸要求很大，需要更多的墙体，若是筒体结构，还需要更多的筒体，一旦受到侧向力，就会产生很大的倾覆力矩，剪力和弯矩，因此在设计时，就必须仔细认真对结构进行设计。墙体和柱子主要负责由高层建筑竖向构件传来的荷载，竖向荷载主要是自重，因此柱子的尺寸必须很大，除了竖向荷载，柱子

2、等承重构件还要承受水平荷载，如风荷载，地震荷载，柱子将这些水平荷载和地震荷载通过基础最终传递给地基。但是，侧向荷载的分布不同于竖向荷载，它们是非线性的，并且沿着建筑物高度的增加而迅速地增加。在其他条件都相同时，建筑所承受的风荷载在建筑物底部引起的倾覆力矩随建筑物高度近似地成平方规律变化，而在顶部的侧向位移与其高度的四次方成正比。特别是地震作用，地震本身产生的侧向力就很大，再经由4次方放大，地震的破坏性将会更大。对于低层和多层建筑物设计只需考虑恒荷载和部分活荷载时，建筑物的柱、墙、楼梯或电梯等就自然能承受大部分水平力。所考虑的问题主要是抗剪问题。对于现代的

3、钢架系统支撑设计，如无特殊承载需要，无需加大柱和梁的尺寸，而通过增加板的厚度就可以实现。然而，对于高层建筑要解决很多问题，首先要解决的不仅仅是抗剪问题，还有抵抗力矩和抵抗变形问题。高层建筑中的柱、梁、墙及板等经常需要采用特殊的结构布置和特殊的材料，以抵抗相当高的侧向荷载以及过大的变形正如前面所说的，高层建筑上部承受更大的侧向力，而底部则承受更大的竖向荷载，因此高层建筑中每平方英尺建筑面积结构材料的用量要高于低层建筑。支撑重力荷载的竖向构件，如墙、柱及井筒，在沿建筑物整个高度方向上都应予以加强。用于抵抗竖向构件随着高度累计而产生的自重，同时侧向荷载的材料要

4、求也更多。钢结构建筑和混凝土结构的建筑的一个最大的区别就是自重，对于钢筋混凝土建筑，随着建筑物层数的增加，对材料的要求也随着增加。混凝土材料的质量增加而带来的建筑物自重增加，要比钢结构增加得多，而为抵抗风荷载的能力而增加的材料用量却不是那么多，因为混凝土自身的重量可以抵抗倾覆力矩。不过不利的一面是混凝土建筑自重的增加，将会加大抗震设计的难度。在地震荷载作用下，顶部质量的增加将会使侧向荷载剧增。混凝土自重除了在地震时不利外，还会加大地基上的压力，造成地基过大沉降。高层建筑设计的主要内容是抗侧向力方面的设计。无论对于混凝土结构设计，还是对于钢结构设计，下面这

5、些基本的原则都有助于在不需要增加太多成本的前提下增强建筑物抵抗侧向荷载的能力。⒈增加抗弯构件的有效宽度。由于当其他条件不变时能够直接减小扭矩，并以宽度增量的三次幂形式减小变形，因此这一措施非常有效。但是必须保证加宽后的竖向承重构件非常有效地连接。⒉在设计构件时，尽可能有效地使其加强相互作用力。例如，可以采用具有有效应力状态的弦杆和桁架体系；也可在墙的关键位置加置钢筋；以及最优化钢架的刚度比等措施。⒊增加最有效的抗弯构件的截面。例如，增加较低层柱以及连接大梁的翼缘截面，将可直接减少侧向位移和增加抗弯能力，而不会加大上层楼面的质量，否则，地震问题将更加严重。

6、⒋通过设计使大部分竖向荷载，直接作用于主要的抗弯构件。这样通过预压主要的抗倾覆构件，可以使建筑物在倾覆拉力的作用下保持稳定。⒌通过合理地放置实心墙体及在竖向构件中使用斜撑构件，可以有效地抵抗每层的局部剪力。但仅仅通过竖向构件进行抗剪是不经济的，因为使柱及梁有足够的抗弯能力，比用墙或斜撑需要更多材料和施工工作量。⒍每层应加设充足的水平隔板。这样就会使各种抗力构件更好地在一起工作，而不是单独工作。⒎在中间转换层通过大型竖向和水平构件及重楼板形成大框架，或者采用深梁体系。应当注意的是，所有高层建筑的本质都是地面支撑的悬臂结构。如何合理地运用上面所提到的原则，就

7、可以利用合理地布置墙体、核心筒、框架、筒式结构和其他竖向结构分体系，使建筑物取得足够的水平承载力和刚度。本文后面将对这些原理的应用做介绍。剪力墙结构在能够满足其他功能需求时，高层建筑中采用剪力墙可以经济地进行高层建筑的抗侧向荷载设计。例如，住宅楼需要很多隔墙，如果这些隔墙都设计为实例的，那么他们可以起到剪力墙的作用，既能抵抗侧向荷载，又能承受竖向荷载。对于20层以上的建筑物，剪力墙极为常见。如果给与足够的宽度，剪力墙能够有效地抵抗30-40层甚至更多的侧向荷载。但是，剪力墙只能抵抗平行于墙平面的荷载（也就是说不能抵抗垂直于墙的荷载）。因此有必要经常在两个

8、相互垂直的方向设置剪力墙，或者在尽可能多的方向布置，以用来抵抗各个方向的侧向荷载