關(guān)于土木工程類(lèi)的論文
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抗側向荷載的結構體系
一、常用的結構體系
若已測出荷載量達數千萬(wàn)磅重，那么在高層建筑設計中就沒(méi)有多少可以進(jìn)行極其復雜的構思余地了。確實(shí)，較好的高層建筑普遍具有構思簡(jiǎn)單、表現明晰的特點(diǎn)。
這并不是說(shuō)沒(méi)有進(jìn)行宏觀(guān)構思的余地。實(shí)際上，正是因為有了這種宏觀(guān)的構思，新奇的高層建筑體系才得以發(fā)展，可能更重要的是：幾年以前才出現的一些新概念在今天的技術(shù)中已經(jīng)變得平常了。 如果忽略一些與建筑材料密切相關(guān)的概念不談，高層建筑里最為常用的結構體系便可分為如下幾類(lèi)：
1． 抗彎矩框架。
2． 支撐框架，包括偏心支撐框架。
3． 剪力墻，包括鋼板剪力墻。
4． 筒中框架。
5． 筒中筒結構。
6． 核心交互結構。
7． 框格體系或束筒體系。
特別是由于最近趨向于更復雜的建筑形式，同時(shí)也需要增加剛度以抵抗幾力和地震力，大多數高層建筑都具有由框架、支撐構架、剪力墻和相關(guān)體系相結合而構成的體系。而且，就較高的建筑物而言，大多數都是由交互式構件組成三維陳列。
將這些構件結合起來(lái)的方法正是高層建筑設計方法的本質(zhì)。其結合方式需要在考慮環(huán)境、功能和費用后再發(fā)展，以便提供促使建筑發(fā)展達到新高度的有效結構。這并不是說(shuō)富于想象力的結構設計就能夠創(chuàng )造出偉大建筑。正相反，有許多例優(yōu)美的建筑僅得到結構工程師適當的支持就被創(chuàng )造出來(lái)了，然而，如果沒(méi)有天賦甚厚的建筑師的創(chuàng )造力的指導，那么，得以發(fā)展的就只能是好的結構，并非是偉大的建筑。無(wú)論如何，要想創(chuàng )造出高層建筑真正非凡的設計，兩者都需要最好的。
雖然在文獻中通�？梢砸�(jiàn)到有關(guān)這七種體系的全面性討論，但是在這里還值得進(jìn)一步討論。設計方法的本質(zhì)貫穿于整個(gè)討論。設計方法的本質(zhì)貫穿于整個(gè)討論中。
二、抗彎矩框架
抗彎矩框架也許是低，中高度的建筑中常用的體系，它具有線(xiàn)性水平構件和垂直構件在接頭處基本剛接之特點(diǎn)。這種框架用作獨立的體系，或者和其他體系結合起來(lái)使用，以便提供所需要水平荷載抵抗力。對于較高的高層建筑，可能會(huì )發(fā)現該本系不宜作為獨立體系，這是因為在側向力的作用下難以調動(dòng)足夠的剛度。
我們可以利用STRESS，STRUDL 或者其他大量合適的計算機程序進(jìn)行結構分析。所謂的門(mén)架法分析或懸臂法分析在當今的技術(shù)中無(wú)一席之地，由于柱梁節點(diǎn)固有柔性，并且由于初步設計應該力求突出體系的弱點(diǎn)，所以在初析中使用框架的中心距尺寸設計是司空慣的。當然，在設計的后期階段，實(shí)際地評價(jià)結點(diǎn)的變形很有必要。
三、支撐框架
支撐框架實(shí)際上剛度比抗彎矩框架強，在高層建筑中也得到更廣泛的應用。這種體系以其結點(diǎn)處鉸接或則接的線(xiàn)性水平構件、垂直構件和斜撐構件而具特色，它通常與其他體系共同用于較高的建筑，并且作為一種獨立的體系用在低、中高度的建筑中。 尤其引人關(guān)注的是，在強震區使用偏心支撐框架。
此外，可以利用STRESS，STRUDL，或一系列二維或三維計算機分析程序中必然出同一些大孔，使得剪力墻體系分析變得錯綜復雜�？梢酝ㄟ^(guò)桁架模似法、有限元法，或者通過(guò)利用為考慮剪力墻的交互作用或扭轉功能設計的專(zhuān)門(mén)計處機程序進(jìn)行初步分析 框架或支撐式筒體結構： 框架或支撐式筒體最先應用于IBM公司在Pittsburgh的一幢辦公樓，隨后立即被應用于紐約雙子座的110層世界貿易中心摩天大樓和其他的建筑中。這種系統有以下幾個(gè)顯著(zhù)的特征：三維結構、支撐式結構、或由剪力墻形成的一個(gè)性質(zhì)上差不多是圓柱體的閉合曲面，但又有任意的平面構成。由于這些抵抗側向荷載的柱子差不多都被設置在整個(gè)系統的中心，所以整體的慣性得到提高，剛度也是很大的。
在可能的情況下，通過(guò)三維概念的應用、二維的類(lèi)比，我們可以進(jìn)行筒體結構的分析。不管應用那種方法，都必須考慮剪力滯后的影響。
這種最先在航天器結構中研究的剪力滯后出現后，對筒體結構的剛度是一個(gè)很大的限制。這種觀(guān)念已經(jīng)影響了筒體結構在60層以上建筑中的應用。
設計者已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多的技術(shù)，用以減小剪力滯后的影響，這其中最有名的是桁架的應用�？蚣芑蛑问酵搀w在40層或稍高的建筑中找到了自己的用武之地。除了一些美觀(guān)的考慮外，桁架幾乎很少涉及與外墻聯(lián)系的每個(gè)建筑功能，而懸索一般設置在機械的地板上，這就令機械體系設計師們很不贊成。但是，作為一個(gè)性?xún)r(jià)比較好的結構體系，桁架能充分發(fā)揮它的性能，所以它會(huì )得到設計師們持續的支持。由于其最佳位置正取決于所提供的桁架的數量，因此很多研究已經(jīng)試圖完善這些構件的位置。實(shí)驗表明：由于這種結構體系的經(jīng)濟性并不十分受桁架位置的影響，所以這些桁架的位置主要取決于機械系統的完善，審美的要求， 筒中筒結構： 筒體結構系統能使外墻中的柱具有靈活性，用以抵抗顛覆和剪切力。
“筒中筒”這個(gè)名字顧名思義就是在建筑物的核心承重部分又被包圍了第二層的一系列柱子，它們被當作是框架和支撐筒來(lái)使用。配置第二層柱的目的是增強抗顛覆能力和增大側移剛度。這些筒體不是同樣的功能，也就是說(shuō)，有些筒體是結構的，而有些筒體是用來(lái)支撐的。 在考慮這種筒體時(shí)，清楚的認識和區別變形的剪切和彎曲分量是很重要的，這源于對梁的對比分析。在結構筒中，剪切構件的.偏角和柱、縱梁（例如：結構筒中的網(wǎng)等）的彎曲有關(guān)，同時(shí)，彎曲構件的偏角取決于柱子的軸心壓縮和延伸（例如：結構筒的邊緣等）。
在支撐筒中，剪切構件的偏角和對角線(xiàn)的軸心變形有關(guān)，而彎曲構件的偏角則與柱子的軸心壓縮和延伸有關(guān)。 根據梁的對比分析，如果平面保持原形（例如：厚樓板），那么外層筒中柱的軸心壓力就會(huì )與中心筒柱的軸心壓力相差甚遠，而且穩定的大于中心筒。但是在筒中筒結構的設計中，當發(fā)展到極限時(shí)，內部軸心壓力會(huì )很高的，甚至遠遠大于外部的柱子。這種反常的現象是由于兩種體系中的剪切構件的剛度不同。這很容易去理解，內筒可以看成是一個(gè)支撐（或者說(shuō)是剪切剛性的）筒，而外筒可以看成是一個(gè)結構（或者說(shuō)是剪切彈性的）筒。
核心交互式結構： 核心交互式結構屬于兩個(gè)筒與某些形式的三維空間框架相配合的筒中筒特殊情況。事實(shí)上，這種體系常用于那種外筒剪切剛度為零的結構。位于Pittsburgh的美國鋼鐵大樓證實(shí)了這種體系是能很好的工作的。在核心交互式結構中，內筒是一個(gè)支撐結構，外筒沒(méi)有任何剪切剛度，而且兩種結構體系能通過(guò)一個(gè)空間結構或“帽”式結構共同起作用。需要指出的是，如果把外部的柱子看成是一種從“帽”到基礎的直線(xiàn)體系，這將是不合適的；根據支撐核心的彈性曲線(xiàn)，這些柱子只發(fā)揮了剛度的15%。同樣需要指出的是，內柱中與側向力有關(guān)的軸向力沿筒高度由拉力變?yōu)閴毫�，同時(shí)變化點(diǎn)位于筒高度的約5/8處。當然，外柱也傳遞相同的軸向力，這種軸向力低于作用在整個(gè)柱子高度的側向荷載，因為這個(gè)體系的剪切剛度接近于零。 把內外筒相連接的空間結構、懸臂梁或桁架經(jīng)常遵照一些規范來(lái)布置。美國電話(huà)電報總局就是一個(gè)布置交互式構件的生動(dòng)例子。
1、 結構體系長(cháng)59.7米，寬28.6米，高183.3米。
2、 布置了兩個(gè)筒，每個(gè)筒的尺寸是9.4米×12.2米，在長(cháng)方向上有27.4米的間隔。
3、 在短方向上內筒被支撐起來(lái)，但是在長(cháng)方向上沒(méi)有剪切剛度。
4、 環(huán)繞著(zhù)建筑物布置了一個(gè)外筒。
5、 外筒是一個(gè)瞬時(shí)抵抗結構，但是在每個(gè)長(cháng)方向的中心15.2米都沒(méi)有剪切剛度。
6、 在建筑的頂部布置了一個(gè)空間桁架構成的“帽式”結構。
7、 在建筑的底部布置了一個(gè)相似的空間桁架結構。
8、 由于外筒的剪切剛度在建筑的底部接近零，整個(gè)建筑基本上由兩個(gè)鋼板筒來(lái)支持。
框格體系或束筒體系結構： 位于美國芝加哥的西爾斯大廈是箱式結構的經(jīng)典之作，它由九個(gè)相互獨立的筒組成的一個(gè)集中筒。由于西爾斯大廈包括九個(gè)幾乎垂直的筒，而且筒在平面上無(wú)須相似，基本的結構體系在不規則形狀的建筑中得到特別的應用。一些單個(gè)的筒高于建筑一點(diǎn)或很多是很常見(jiàn)的。事實(shí)上，這種體系的重要特征就在于它既有堅固的一面，也有脆弱的一面。
這種體系的脆弱，特別是在結構筒中，與柱子的壓縮變形有很大的關(guān)系，柱子的壓縮變形有下式計算： △=ΣfL/E 對于那些層高為3.66米左右和平均壓力為138MPa的建筑，在荷載作用下每層柱子的壓縮變形為15（12）/29000或1.9毫米。在第50層柱子會(huì )壓縮94毫米，小于它未受壓的長(cháng)度。
這些柱子在50層的時(shí)候和100層的時(shí)候的變形是不一樣的，位于這兩種體系之間接近于邊緣的那些柱需要使這種不均勻的變形得以調解。 主要的結構工作都集中在布置中。在Melbourne的Rialto項目中，結構工程師發(fā)現至少有一幢建筑，很有必要垂直預壓低高度的柱子，以便使柱不均勻的變形差得以調解，調解的方法近似于后拉伸法，即較短的柱轉移重量到較高的鄰柱上。
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