[精品]材料力学课程论文(原创).doc

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1、美国希尔斯大厦关于高层建筑简化模型的力学分析摘要：高层建筑高度远大于截而宽度,故可将高层建筑抽象成细长杆件,对其进行受力分析。针对高层建筑外部荷载的特点，着重分析水平荷载对高层建筑的影响并结合具体高层建筑结构体系展开力学分析，突岀建筑结构设计合理性的重要性。关键词：高层建筑水平荷载力学分析合理设计1高层建筑及超高层建筑的发展我国《高层民用建筑设计防火规范》以及《民用建筑设计通则》规定10层及10层以上的住宅和高度大于等于24m的其他建筑为高层建筑，将高度在100m及其以上的高层建筑称之为超高层建筑。与单层和多层建筑相比，高层建筑具有其突出的优点：占地面积小，节约建设用

2、地；城市道路及备种管线设施的长度缩短，节约了城市基础设施的总投资；城市的血貌得到改变,使城市呈现出现代化风貌。高层钢结构建筑自重轻，构件截血小，有效空间大，抗震性能好，施工速度快，用工少,现场施工文明。除钢结构木身的造价比钢筋混凝十•结构稍高外，其综合效益优于同类高层钢筋混凝土结构。建筑物高度超过100m以上的超高层钢结构建筑，其优点更为突出。我国白上世纪80年代屮期始建高层钢结构，至1998年，在这短短的I•余年屮，我国已建和在建的高层钢结构建筑（含钢一混凝土混合结构）己近50幢，主要分布于上海、北京和深圳，其屮上海最多，取得了建设高层钢结构工程的丰富经验。在世界范

3、用内，随着城市发展进程的加快，高层建筑逐渐普及，超高层建筑获得愈来愈多的关注，人类正以土木工程技术的发展进步不断挑战着高度极限。2高层建筑的受力特点2.1水平荷载成为决定因素在高度较小的建筑屮，往往是竖向荷载（楼面、屋面活载、结构自重等）控制着结构设计，而在高层建筑屮，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要煤响，但水平荷载却起着决定性的I大I素，往往成为高层建筑结构设计的控制因素。这是因为一方瓯结构自重和楼血使用荷载在竖向构件屮所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比

4、；另一方面，对某一高度的楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风载和地慝作用，其数值是随结构动力特性的不同而令较大幅度的变化。下图所示为高层建筑结构的计算简图:亠_=======三三三・・•：••荷找内力耳侧移(a)重力荷载;(b)水平均布荷载;(c)水平倒三角形荷载N=如〃.*M=4qFAv.1/=yg//2在各种荷载作用下的内力与建筑高度的关系为:竖向荷载作用下的最人轴力水平均布荷载作用下的最大弯矩水平倒三角形分布荷载作用下的最大弯矩式屮q、"分别为作用于楼房每米高度上的水平荷载与竖向荷载。2・2结构侧移可能成为控制指标^=7501/.9计算简图确定的结

5、构顶点侧移为:水平均布荷载作用时水平倒三角形分布荷载作用时细长压杆临界力的欧拉公式从上式可以看出，结构顶点侧移△与结构总高度〃的四次方成正比。这说明，随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形速率增大。由细长压杆临界力公式(视为等截血)N=如〃.*M=4qFAv.1/=yg//2在各种荷载作用下的内力与建筑高度的关系为:竖向荷载作用下的最人轴力水平均布荷载作用下的最大弯矩水平倒三角形分布荷载作用下的最大弯矩式屮q、"分别为作用于楼房每米高度上的水平荷载与竖向荷载。2・2结构侧移可能成为控制指标^=7501/.9计算简图确定的结构顶点侧移为:水平均布荷载作用时水平倒三

6、角形分布荷载作用时细长压杆临界力的欧拉公式从上式可以看出，结构顶点侧移△与结构总高度〃的四次方成正比。这说明，随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形速率增大。由细长压杆临界力公式(视为等截血)也说明随着高度的增加，能维持压杆稳定的临界荷载也在减小。因此，与较低的建筑相比,结构侧移已上升为高层建筑结构设计的关键因素，可能成为结构设计的控制指标。通过上述分析可知，设计高层建筑结构时，不仅要求结构具有足够的强度，还要求有足够的刚度，使结构在水平荷载作用下产生的侧移被控制在某一限值Z内。这是因为高层建筑的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：（1）结构在阵风作用下的

7、振动加速度Q超过0.0i5g时，就会影响楼房内使用人员的正常丁作与生活。从关系式&二又可看出，当高楼在阵风作用下发生振动的频率f为某一定值时，结构振动加速度a与结构侧移幅值a成正比，因而结构侧移幅值的大小成为关键因素。（2）过大的侧向变形会使隔墙、围护墙以及高级饰血材料出现裂缝或损坏，此外，也会使电梯因轨道变形而不能正常运行等。（3）过大的侧向变形，会使结构产生过大的二阶效应——引起过大的附加内力，以致有时使总内力超过结构的承载能力，或者使结构的变形不稳定，共至引起倒塌。2.3轴向变形不容忽视2.3.1对连续梁弯矩的影响采用框架体系和框架-剪力墙体系