高层建筑结构基本自振周期合理范围探析

高层建筑结构基本自振周期合理范围探析

邓士强

武理加固检测（武汉）有限公司   湖北武汉    430000

摘 要：在这个世界上，各种工厂、公司、房屋都在不断地拔地而起，留给人类使用的空间也在不断减少。而在这种情况下，为了节省更多的用地，修建更多有利于人民生活的房屋，因此最近几年，在建筑业中，已经形成了一种新的趋势，那就是将房屋越建越高，以此来节约更多的用地，让更多的人能够更好地利用土地。伴随着越来越多的高楼出现，人们开始质疑其是否具有一定的安全性能，与此同时，建筑学界也在致力于提升其安全性能。高层建筑的安全与否直接关系到它的安全与否，其中振动频率就是其中的关键基础参量之一。本项目以414幢高层住宅为对象，通过对其抗震性能与抗震性能的关系进行系统的理论与实证研究。

关键词：高层建筑；自振周期；分布规律；合理范围；控制

针对超高层建筑对承载力、刚度、稳定性和舒适性等方面的需求，本项目拟对其进行总体剪重比、层间变位角、顶点风振加速度等进行研究，然而，它们都依赖于外部荷载的输入。而高层建筑的基础自振周期是一种不依赖于外部载荷的基本特征，主要取决于其自身的质量和刚度，同时还与刚重比、剪重比、最大层间变位角度等因素有关，是一种非常有意义的基础参数。在结构的初始阶段，一是根据基础自振周期，从整体上来判别其刚度、重量等指标，从而确定其合理与否；同时，通过选取合适的循环区间，也能在某种意义上实现现行标准中对应的设计目标，从而为高层建筑的进一步优化提供依据。

1.以往关于高层建筑结构基本周期合理范围的研究

1.1 中国经济技术研究中心

单纯构架：T1=0.1 n

剪力墙结构：T1=0.04 n～0.06 n

框剪结构：T1=0.014 H

其中： n表示高层房屋的楼层数， H表示房屋的高度。

1.2 智利

智利高楼基础建设周期的统计一直处于持续的动态中，为获取最新资料，智利研究人员于2010年度对2622座房屋进行了调查，并在对2622座房屋进行了初步探讨后，就其与房屋高度 H之间的联系展开了如下讨论：

合理范围 ：T1=0.014H ～ 0.025H

偏柔 ：T1＞0.025H

偏刚 ：T1=0.007H ～ 0.014H

太刚 ：T1＜0.007H

从国内和智利两国的高层建筑基础周期的合理取值来看，对于高层建筑的施工周期，各国都有自己的规范和需求。之所以会出现这种情况，很大程度上是因为每个国家的地域都不一样，再加上地震对于人类来说是一种巨大的灾害，所以在建造高楼的时候，必须注意到相关的抗震设计是否符合规定。可是，也会有人提出疑问，为何国外的高层建筑物，即使已经做出了相应的规范，建造出来的建筑物还是会有危险？另外，从世界各国的高楼建设周期来看，它们与建筑的高度、楼层之间存在着一定的线性关系，究其根本原因，就是因为人们在对建造周期进行测量时，往往观测到了较小的建筑高度，导致测量结果不够精确。最近几年，国内对高层建筑的基础周期进行了很大的调整，因为改革开放以后，国内的经济飞速发展，所以在高层建筑方面也取得了很大的进展。随着社会的发展和可持续发展的需求，目前国内150米以上的高楼数量达到350余座，规模之大，令人叹为观止。然而，目前国内对高层建筑振动频率的研究主要集中在50米以上的建筑上，很少有大于100米的，这就导致以往的研究成果不再适合目前的超高层建筑。其理由是，由于其固有频率与建筑物的垂直荷载具有很强的相关性，而50 m之下的高层建筑通常受其自身能力所支配，其刚性较大，若将该理论推广至较高的高层建筑，其计算结果将会严重降低其合理性与准确性。为此，需要对已有的高层建筑进行全面的统计和分析，找到适用于超高层建筑的最优控制区间，从而更好地适应超高层建筑的发展要求。

2.我国现有高层建筑结构自振周期分布规律及合理范围

2.1结构基本周期

通过对已有资料的分析，再结合构造的基础周期和构造的相关分析，我们可以看到，在构造的基础上，构造的高度与构造的周期性之间有很大的差异。在初期，我们就已经注意到，基础的构造周期和建筑物的高度之间存在着一种直线的关系，造成这一现象的原因我们已经在上面进行了详尽的说明，那就是由于房屋的高度太矮。而现在，由于楼房的高度越来越高，这种直线关系也随之改变。

2.2结构二阶周期

二阶周期的研究与一般的基础周期有很大的区别，通常采用两种形式，是弯、剪两种形式，然后将其与结构动力学和材料力学相结合，建立起两种不同的体系。

由于国内现有资料缺乏满足三阶振型的需求，现有的研究成果还远不及三阶振动。然而，从目前的观测结果来看，在 H>250米时，T_3/T1的合理区间为0.14-0.20；在50米不到250米的情况下，T_3/T1的合理区间为0.10-0.19；总平均水平和离散性分别为0.15和21.1%。

3.高层建筑结构自振周期与结构高度关系及控制

由于高层建筑的自振周期与其自身的高度之间存在着密切的联系，而从其固有频率的概念出发，我们发现其与其自身的固有频率之间应当存在一个平方根的函数。另外，根据相关的统计资料和分配规则，我们还可以得知，除了纯钢结构和框架结构外，在符合国家现行规范规定的整体稳定性能、位移限值和剪重比的条件下，高层结构（不包括纯钢结构和框架结构）的振动频率和结构的高度之间也存在着紧密的联系。在此基础上，提出了一种新的、符合实际的、符合工程实际的抗震设计方法。

在此基础上，我们进一步研究了一阶周期随结构高度变化的规律，即： H≥250米：T2=0.26T1~0.34T150m:T2=0.23T1~0.33T1整体均值：T2=0.28T1，结构三阶周期随结构高度变化的规律为 H≥250:T3=0.14T1~0.20T150m≤ H<250 m:t3=0.12T1~0.19T1整体均值：T3=0.15T1同时我们通过观察高层建筑结构一阶周期、二阶周期和三阶周期的变化规律，可以看出，一阶周期对我国高层建筑的影响最大。一次振动对一次振动的影响很大，其原因在于一次振动频率在一定的区间内将改变结构的性能。但是如果我们的房子太软了，我们就需要对它进行一定的限制，这样才能保证我们的安全。所以，观测和研究一次地震作用下的一次振动，将有助于我们更好地保障我国高层建筑的安全。

结束语：

综上所述，从本文的叙述和分析可知，高耸建筑物的自振周期受楼层高度的影响较大。而在国内，随着高楼数量的增加，将会有更多的高楼出现。在这样的大环境下，我们需要研究各种类型的高层结构的自振周期，只有这样，我们才能更好地发展高层结构，为国家的经济发展做出贡献。

参考文献

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[2]徐永秋,卜涛.高层建筑结构自振周期与结构高度关系及合理范围研究[J].居舍, 2021(07):171-174.

[3]王福明,沈蒲生.满足规范剪重比要求的高层结构基本自振周期研究[J].湖南大学学报:自然科学版, 2022(05):35-38.