1、外文翻译高层建筑结构体系的对比研究N. F. El-Leithy , M. M. Hussein and W. A. Attia摘要：一项检验在重力及风荷载作用下的钢筋混凝土高层建筑结构体系的研究已经展开。这些体系包括“钢结构” 、 “剪力墙/中央核心” 、 “墙框架相互作用” 、 “悬臂梁”和“筒中筒” 。基本建模技术和假定是由三维建模中的“ETABS“程序制作。设计要素根据“ACI 318-05“代码和“ASCE 7-05“标准。这种比较分析旨在为某些建筑高度选择最优的结构体系。结构效率由主要基础的混凝土体积、 结构周期和基地剪力来衡量。对每个结构系统的建议都基于限制结构的风漂移，风力抵抗
2、元素消耗减到最小，和横向刚度的增加。关键字：高层；结构系统 ；风荷载 ；和漂移的控制 1.简介： 高层建筑结构体系的完成不是件容易的事。其中，作为建筑高度增加侧向荷载的重要性的速度在不断加快。有两种类型的侧向荷载， 风荷载及地震荷载。风力荷载是对现代高层，尤其是轻骨架高层居住者造成不舒适水平运动的最关键的横向荷载。此外，在建筑物四周的风荷载会随着高度和时间改变而改变。因此，有风的天气往往产生一系列引起建筑物所有者和工程师们关注的发生在高层上的问题。其中，风负荷过度振动是现代高层建筑的设计与施工的主要障碍，它应当被限制以防止结构及非结构性损坏。2.主要目标“法兹勒-汗“(沃尔夫冈-舒来尔，197
3、7年） 、高层建筑协会和城市生境 （CTBUH，1980年）比较不同类型的给定高度和层数的高层建筑结构系统进行了研究和介绍。（1）推荐一个以限制随风漂移可接受范围内无需支付高额结构材料费用为目的的结构体系。（2）介绍常见的高层建筑结构体系在过去数十年中根据大体积混凝土，结构周期，基底 剪力的比较分析。（3）超高层建筑结构体系构思和运用是一个工程对商业软件分析预测能力的实际演示。3.实例学习 案例研究为一个规则对称结构，尺寸 30 x 30 米。在所有的结构建模中板跨度被假定为 6 米，在每个方向安排五个托架 ，如图 1 所示。该计划有一个6 x 6 米中央核心开口。层高被假定为 3.5 米。使
4、用的分析是详细的有限元模型的三维分析。立柱和横梁由框架式元素表示，而剪力墙和核心组件壳类型元素表示。4.常见的高大建筑物表的结构系统 表1 (a) 和 1 (b) 介绍了被用在世界各地著名建筑上的五大结构体系，他们还讨论了这项研究。5.主要假定分析 （1）材料： 混凝土线性弹性假定。E的弹性模量将采用 4700 c。指定的混凝土抗压强度 c 假定等于 40 m p A，即在高层建筑中的实际应用。混凝土覆盖层为 4 厘米 (ACI 318-05 2005年)。（2）参与组件： 只有主结构组件假设来参加整体行为。二次结构件和非结构构件的影响被假定为可忽略不计 ，这些包括楼梯、 分区、 熔覆和开口。
5、（3）楼板：在所有模型中均被假定为刚性平面，厚度等于 30 厘米。此假设导致任何楼层的纵向构件进过相同的水平面平移和旋转。（4）开裂： 钢筋混凝土构件开裂是由于惯性矩减小致使弯拉应力受影响。 如(ACI 318-05 10.11.1 ) 所述。（5）制约因素： 所有结构模型的基础支撑位固定支撑。（6）加载： Gravity 负荷： 静态荷载为 3 kN/平方米，建筑物重量和其中容量要考虑静载和程序计算材料密度。活荷载是 2 kN/平方米 （ASCE 7-05，2005年） 。 Wind 加载： 将根据“ASCE 7-05“标准加载。6.用“ETABS”确定风荷载高于地面水平高度的Z高度的设计风
6、荷载 Z的确定根据下列公式E q.(1)， （ASCE 7-05，2005年） 。P = qz Gf Cp (向风) + q h Gf Cp (背风） （1）阵风影响因数在结构和空气流动之间的动力相互作用中所占比例。Cp是外部压力系数，迎风面为0.8，背风面为0.5。Z处风压q z和速度犀利q h有式（2）和式（3）给出。qz = 0.00256 Kz*Kzt*Kd*V2*Iw (2)qh = 0.00256 Kh*Kzt*Kd*V2*Iw (3)上述方程中含有“ETABS”项目中确定风荷载的一些因素。这些因素都被引入，如下：速度压力系数 Kz 和 Kh 用于加权飓风危险范围内的临界风向概率。
7、“ETABS”由以下方程（4）或（5）计算。Kz = 2.01 (z / zg) 2/ for 15 ft z z g (4)Kz = 2.01 (15 / zg) 2/ for z 15 ft (5)3 S是 阵风速度幂律指数， （见 ASCE 7-05 表 6.2） ， zg 是大气边界层的理论高度。 三个风险类别（B,C和D）是根据（ASCE7-05，第6.5.6.1节）定义的。风险B对应市区及近郊地面粗糙地区，C对应空旷平坦地区，风险D对应面积空旷地区及水面。这项研究中风险C适应于任何情况。 风的重要因素I w用于调整结构相对重要回收期。本研究假设，所有建筑物被列为类别二，所以I w将
8、等于1.0。 地形因素Kzt反映风经过小山和悬崖的速度效应。本研究假设，所有的建筑物没有受到这些地形突变的影响。因此，这一因素取1.0。 风的方向性系数Kd变化取决于结构类型。这个因素只适用于“ASCE7-05”标准规定下的荷载组合。 见2.3 和 2.4节。 对于大多数类型的结构，K d等于0.85。风的方向性因素的两个效果：（1）从任何给定的方向流动的最大风速降低的可能性。（2）对于任何给定的方向发生的最大压力系数降低的概率。 基本风速 V 取 100 英里/小时 （ASCE 7-05，2005年） 。“ETABS“ 当“ETABS中”计算设计风荷载是，所有指定案件按“ASCE7-05”标
9、准设计。见图2中四种情况。“ETABS中”方案风荷载的计算是在分析结构模型前用手工计算验证（EL-leithy，2010） 。图2 风荷载设计案例（ASCE 7-05,2005 ）7.初步和最终分析结构系统已应用使用两种模型考虑个案。初步 模型：基于设计风力抵抗因素根据“的ACI318-05”守则构建。最终 模型：如果在初步模型内任何层高的侧风漂移超过允许限度，检验漂移的组成部分将显示哪些部分应该最有效地限制漂移。8.容许侧风漂移 总建筑漂移：必须确保居住者舒适感和机械及建筑系统的安全使用。“ASCE 7-05“标准建议最大摇摆应为正常风压的建筑物高度的0.002倍。 层间漂移：从（ASCE，
10、1988）中区别开来的一种侧向位移，必须控制尽量减少的 覆层、非结构性墙壁和隔墙的损伤，“ASCE 7-05“标准规定层高漂移应小于 0.002 0.0025倍 层高。9.结果和讨论 9.1 刚结构仅有10个结构案例 (高35米) 允许风漂移。同时，20 层及20层以上结构（高70 米） 的漂移超过允许限制，如图（4a）中所示。所以，风力抵抗元素大小需要增加（图 4b） 。其刚度随即增加，如图（4c）中所示。更高层结构，风漂移值达到双倍允许限制。这就需要增加混凝土用量，它的结构成本也高于其它结构。有人认为当高度的超过10层时，风漂移开始超过设计控制。考虑到基底剪切，立柱和横梁的尺寸很大程度随着
11、基地剪切的增加而增加。图4d显示基底剪切值。9.2 剪力墙/中央核心结构一般情况下。该体系在风漂移控制方面比钢结构更具优势。但是，风漂移扔超过20层结构的允许限值，如图5a所示。因此，它需要增加混凝土用量，见图（5b） 。如果我们在大多数高层上、使用该体系，那么将大大增加建筑成本，而且为了限制风漂移将大大降低积横截面面积。考虑到结构周期（图5c） ，20层及更多层结构体系效能低下的问题依然存在。在最终模型比较中，剪力墙/中央核心体系的基底剪力值比钢结构体系略低，在5%左右。9.3 墙体框架共同作用1020层结构有足够能力限制风漂移，见图6a。而30层结构需要稍微增加混凝土体积以限制横向位移（图6b） 。对50层结构而言改体系是不经济的。考虑到结构周期，如图（6c）所示。因为中央核心墙体的伸缩性与高度的立方成正比，所以总刚度也随高度变化，而框架的伸缩性直接同高度成正比。外部剪力将按比例分配给剪力墙和框架，其中剪力墙大约承受78-94%的基底剪力。
