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高层建筑

高层建筑一般定义为高于人们愿意走的最大高度;因此需要机械垂直运输.这包括相当有限的建筑用途,主要是住宅公寓、酒店和办公楼,但偶尔也包括零售和教育设施。最近出现的一种类型是多功能建筑,它包含不同数量的住宅、办公室、酒店或商业空间。高层建筑是建筑规模最大的建筑之一,其单位成本相对较高;他们的商业和办公功能需要高度的灵活性。

基金会

高层建筑的基础承受的荷载非常大,但也使用了为低层建筑开发的系统,尽管规模有所扩大。这些包括混凝土沉箱列轴承在岩石上或建筑在裸露的岩石上。还采用了承重桩和浮动基础。

结构系统

加载

高层建筑的结构系统必须承受垂直重力载荷,但横向载荷,如风和地震,也是一个主要的考虑因素。百年际最大风力因地点不同而有很大差异;在大陆内部,它们在地面上的重量通常约为每平方米100公斤(每平方英尺20磅)。在沿海地区,飓风和台风等气旋风暴发生的地方,最大力量更高,约为每平方米250公斤(每平方英尺50磅)。风力也随着建筑高度的增加而增加,达到一个常数或梯度值随地面摩擦作用的减小而减小。在台风地区,高层建筑的最大设计风力约为每平方米840公斤(每平方英尺170磅)。

风力对高层建筑的影响是双重的。高层建筑可以被认为是一端固定在地面的悬臂梁;风对建筑物的压力使其在顶部产生最大的弯曲。此外,经过建筑的风在背风侧的角落附近产生了漩涡;这些漩涡是不稳定的,每隔一分钟左右就会从顺风处脱离,从一边交替到另一边。当涡旋脱离时,压力的变化产生了摇摆,或者周期运动,使建筑物垂直于风向。因此,在风力作用下有几种表现标准一个高层建筑必须满足的条件。首先是稳定性——建筑物不能倒塌;其次,偏转,或顶部的侧移,不得超过最大值(通常视为1/500的高度),以避免损坏易碎的建筑构件,例如隔墙;第三,由于旋涡脱落引起的摇摆运动不能以加速度的形式被建筑物的居住者轻易察觉,通常表示为重力的一个分数,或g阈值对横向运动的感知因人而异;一小部分人能感觉到0.003克或0.004克。运动感知的建议是限制加速度为0.010 g的风力,将在10年的时间间隔内重复出现。第四标准涉及到建筑结构的自然时期。这是振动周期,在此期间,建筑物的摇摆悬臂运动自然地加强和增强彼此之间可能会变得足够大,从而损坏建筑物,甚至导致建筑物倒塌。建筑物的自然周期应小于1分钟,这是由于风涡脱落引起的振动周期。

地震加载

与风力不同,地震或地震力通常局限于相对较小的区域,主要是沿着缓慢移动的大陆板块的边缘,这些板块构成了地壳。当这些板块的边缘突然移动时,能量就会释放出来传播波浪穿过地壳;这波动地球的一部分被赋予了建立在其上的建筑物。木结构建筑轻巧灵活,通常很少受到地震的破坏;砌筑建筑物又重又脆,容易受到严重破坏。连续的钢框架或钢筋混凝土如果它们的地震反应处于这两个极端之间,那么它们就可以在相对较小的破坏中存活下来。

在两次涉及大量高层建筑的大地震中洛杉矶1971年墨西哥城在1985年,横向用加速度计测量了一些高层建筑中由于地面运动而产生的加速度,结果发现加速度在0.100到0.200克之间。在洛杉矶,地震波的周期不到一秒,大多数钢框架高层建筑表现良好,损伤相对较小;连续混凝土框架一般也表现良好,但混凝土有相当大的裂缝,后来通过注入环氧树脂来修复胶粘剂.然而,在墨西哥城,地震波的周期相当长,大约几秒钟。这接近于许多高层建筑的自然频率,引起了巨大的侧向运动,导致了它们的倒塌。根据此经验,确定了其抗震性能标准建筑物的横向阻力为0.100至0.200 g,并考虑建筑物的自然周期与当地可预期的地震波周期的关系。另一个重要的因素是结构的延展性,这种灵活性使它能够移动并吸收地震力的能量而不会造成严重的损坏。然而,建筑抗震设计仍然是一个复杂的课题,涉及到许多其他重要的标准。

结构体系分类

用于高层建筑的结构类型必须满足上述横向荷载性能标准,并且必须在材料的使用和合理的成本方面具有合理的效率。最有效的高层结构将满足横向荷载标准,使用的材料不超过仅承载建筑物重力荷载所需的材料;换句话说,它不会因高度而有所增加。这种经济标准“高度无溢价”的原则导致了高层结构的分类,每一种结构在特定的高度范围内只有很小的溢价(图2)。

高层结构开始于最低范围的钢和混凝土刚性框架。梁柱之间的部分或全部节点通过焊接钢材或现场浇筑混凝土刚性连接在一起,并由刚性节点提供侧阻力;该系统可以上升约90米(300英尺),几乎没有溢价。下一种类型是刚性框架与垂直剪切桁架在钢或剪力墙在混凝土中提供更大的横向刚度;它的射程为38至150米(125至500英尺)。的钢和混凝土的框架管结构为建筑周边紧密间隔的柱子带来了更多的重力载荷和更多的结构材料,再次增加了横向刚度;这种类型在38到300米(125到1000英尺)的高度是相当有效的。的桁架管和内部柱,也可以在钢和混凝土中执行,在建筑周长的所有方面引入了对角线支撑。支撑还可以承受重力载荷,并进一步提高横向刚度,使其成为240至360米(800至1200英尺)区域的低溢价结构。的捆绑管它由许多框架管连接在一起,具有更大的横向刚度,在大约75米(250英尺)处开始实用。这是钢结构的形式用于西尔斯(现在的威利斯)大厦在芝加哥。在这个高度之外,还有另一种系统似乎具有较低的溢价超帧。在这种结构中,建筑的大部分重力荷载,因此它的材料,被带到一个对角支撑的超框架管在周边的内部转移桁架配置.目前还没有真正的超级框架被建造出来。