高層建筑結(jié)構(gòu)自振周期與結(jié)構(gòu)高度關(guān)系及合理范圍研究

劉 陽

（太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030002）

關(guān)鍵字：高層建筑；自振周期；結(jié)構(gòu)高度；分布；合理范圍

自振周期是高層建筑結(jié)構(gòu)的固有力學特性，與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以及剛度都有著重要的聯(lián)系。自振周期的大小與結(jié)構(gòu)在風載、地震等作用下的整體穩(wěn)定性、位移限值以及最小剪重比、承載力相關(guān)，因此如果能夠?qū)⒆哉裰芷诳s小到一個范圍，就可以把握高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量設(shè)計，通過多個高層建筑的自振周期研究，得出了相關(guān)的規(guī)律。

1 傳統(tǒng)的高層建筑結(jié)構(gòu)周期范圍

早在70年代左右，通過實測國內(nèi)已經(jīng)對已有建筑物進行了自振周期的分析，提出了合理的范圍，由于時代限制，當時的樓高約在50m左右，因此得出了框架結(jié)構(gòu)T=0.1n，剪力墻結(jié)構(gòu)T=0.04n～0.06n，框架剪力墻結(jié)構(gòu)T=0.07H/B0.5～0.13H/B0.5.近年來我國高層建筑快速發(fā)展，超過150m的高層建筑不斷出現(xiàn)，由于原來高層結(jié)構(gòu)的研究自振周期基本都是50m范圍建筑研究分析所得的，結(jié)構(gòu)剛度較大，因此用到新型高層建筑后，合理性和精度均明顯下降，所以需要對當前的高層建筑結(jié)構(gòu)自振周期進行重統(tǒng)計，以滿足當前高層建筑設(shè)計的要求。

2 當前我國高層建筑結(jié)構(gòu)周期范圍

通過對超過400棟高度超過200m的高層進行統(tǒng)計，其中還有超過300m的超高層，結(jié)構(gòu)形式包括了框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)，最終得出我國高層結(jié)構(gòu)的自振周期分布規(guī)律。

2.1 基本周期

圖1 結(jié)構(gòu)基本周期與結(jié)構(gòu)高度關(guān)系圖

將結(jié)構(gòu)的基本周期T和結(jié)構(gòu)高度H的關(guān)系用圖1表示，通過分析可以得知：隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，高度的增加，結(jié)構(gòu)的基本周期與高度并沒有呈現(xiàn)出簡單的線性關(guān)系，通過數(shù)據(jù)的分析結(jié)合相關(guān)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范可以得到結(jié)構(gòu)的基本周期分布大概為：如果H≥250m，T在0.3H0.5～0.4H0.5之間，T繼續(xù)變小后結(jié)構(gòu)的剛度變大，繼續(xù)變大后結(jié)構(gòu)的剛度變小。150≤H＜250m的時候，T的合理范圍為0.25H0.5～0.4H0.5，T繼續(xù)變小后結(jié)構(gòu)的剛度變大，繼續(xù)變大后結(jié)構(gòu)的剛度變?。?00≤H＜150m的時候，T的合理范圍為0.2H0.5～0.35H0.5，T繼續(xù)變小后結(jié)構(gòu)的剛度變大，繼續(xù)變大后結(jié)構(gòu)的剛度變小。

2.2 二階周期T1

結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學理論和材料力學，將彎曲型和剪切型懸臂結(jié)構(gòu)當作分析模型可以得知：

如果H≥250m，T1與T的比值范圍在0.25～0.40之間；50≤H＜250m的時候，T1與T的比值范圍在0.20～0.33之間；平均比值約為0.26，與結(jié)構(gòu)基本力學符合，見圖2。

通過數(shù)據(jù)分布和相關(guān)的分析可以得知如果結(jié)構(gòu)的基本周期超過0.4H0.5時，結(jié)構(gòu)剛度不足，基本周期接近0.45H0.5時，結(jié)構(gòu)剛度過低，建議加固。

3 結(jié)語

通過對多個高度200m以上的高層建筑進行研究后得知，當前我國在設(shè)計高層建筑時采用的結(jié)構(gòu)自振周期數(shù)據(jù)已經(jīng)不符合實際情況，需要進行調(diào)整并限制周期范圍，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)高度與基本周期以及二階周期的規(guī)律，最終將自振周期限制在合理的范圍內(nèi)，通過研究給我國高層建筑設(shè)計提供了依據(jù)，能夠保證建筑物的安全性，具有一定的社會價值。