高层建筑结构自振周期与结构高度关系及合理范围研究

刘雪娇

摘要：随着时代的发展与进步，各种工厂、企业、住房等等建筑相应拔起，因此人们的可占用土地却越来越少。而为了节约土地，建造出更多对人们有益的建筑，所以近些年来建筑行业出现了一些现象，就是楼房建设的越来越高，这样做的目的就是为了节省一部分土地，提高人们的土地利用率。随着高层建筑的增多，人们对于其具备的安全性有了极大的疑惑，而建筑学家们也在不断研究如何提高高层建筑的安全性。高层建筑结构的安全性是否得到标准，与其所具备的基本参数有着极大的关联，而自振周期就是其一个重要的基本参数。同时，我们为了研究高层建筑结构刚度和质量是否适当的提供参考数据，研究者们将414栋高层建筑作为数据源，统计分析了自振周期的合理分布范围。

关键词：高层建筑;自振周期;分布规律;合理范围;控制

1以往关于高层建筑结构基本周期合理范围的研究

人们对于土地的重要性一直有着十分理性的认识，因此早在20世纪60-70年代的时候，人们就有着高层建筑的意识。并且在那个时候，人们对于高层建筑结构以及有了一定的认识，并且对于高层建筑的一个重要参数——结构自振周期的研究发现自然是不可缺少的。在早先年间的高层建筑基本周期合理范围的统计，都是通过国内外国家之间对已有的建筑物进行实际测量并计算出基本周期，并对这些计算出来的数据进行统计分析，以此得到了令人较为信服的高层建筑基本周期。但是这种测量方式得到的数据并不是最为准确的，因为这种实测的建筑物都存在一定的弊端，不利于其数据广泛的应用。而这些弊端主要就是所统计的高层建筑高度普遍不高，大多都是50m以下的，仅仅只有少数统计的建筑物为50-100m之间。而在2010年的时候，智利对于建筑物的高度有了一定的要求，突破了建筑物过低的限制，但是进步的空间依旧不足，因其所统计的结构高度均在135m之下，依旧没有太高的建筑物数据。而下面我们就来看一下我国以及智利国家对于高层建筑基本周期的测量数据。

2中国

纯框架结构：T1=0.1n

剪力墻结构：T1=0.04n～0.06n

框架-剪力墙结构：T1=0.014H

式中：n为高层建筑结构的层数，H为结构高度。

3智利

智利国家对于智利高层建筑结构的基本周期的统计是在不断更新的，为了得到最新的数据，智利研究学者在2010年间实际考察了2622栋的建筑结构基本周期，并且在研究者将2622栋的建筑结构基本周期研讨之后，又与其结构高度H的

关系做了以下研讨：

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

通过观察我国与智利的高层建筑基本周期合理范围可知，不同国家之间高层建筑结构周期是有着不同的要求与规定的。而造成这一现象的最主要的原因就是各国所处的地理位置不同，而地震又是人类面临的大灾难之一，因此在建筑高层楼房之时，就一定要去考虑抗震规范的要求有没有达到应有的标准。但是又有人会说，观察其他国家的高层建筑基本周期的合理范围时，为什么明明有了一些规定，但是建筑之后的楼房依然存在一定的危险性呢？并且观察其他国家的高层建筑基本周期会发现其与高度或层数有的呈现出线性关系，这些问题的原因都在于在考察建筑基本周期时所观察的建筑物高度过低，使得所获得的数据并不是那么准确。而我国在近些年来针对于高层建筑基本周期的合理范围的变化可以说是极大的了，由于我国在改革开放之后，国家的经济急速发展，而对于高层建筑上也有了极大的进步。由于经济发展以及可持续发展的需要，使得我国在高层建筑上面高度超过150m的建筑楼房就以及有了350多栋，这是一个极大的进步。而随之而来的一个问题就是，我国之前所观察的高层建筑结构自振周期的分布规律由于参考的多是50m以下的建筑物，极少有超过100m的数据，因此就使得之前的高层建筑结构自振规律不使用于当前的超高层建筑楼房。这样说的原因主要在于因为自振周期的大小对于楼房结构的竖向荷载有着极大的关联，并且50m以下高层建筑结构设计一般由承载力控制，结构刚度偏大，如将其统计规律应用到高度更高的高层建筑结构上，其合理性和精度将显著下降。因此，为了我国超高层建筑物更好的发展，我们有必要对现有的高层建筑结构自振周期的分布规律重新进行统计分析，寻找到适合超高层建筑物的合理范围，使得广大结构设计人员的需求得以满足。

4我国现有高层建筑结构自振周期分布规律及合理范围

为了更好、更清晰的观察我国高层建筑结构自振周期的分布规律，我们可以通过观察20世纪80年代直到今天已经建成或是通过超限审查的414栋高层建筑结构的数据，从这写数据源之中我们就可以得到很多有价值的信息。而在这些建筑物的其中，不仅仅所有的结构高度都超过了50m，而且其中有很多的建筑物都是超过300m以上的超高层建筑物。这就使得我们从这些建筑物中得到的数据是比较完整的数据，对于我国高层建筑结构自振周期的分布规律以及合理范围都是一个极其有用的数据。同时从这些建筑物中想要得到十分完备的数据，不仅仅要求建筑物的高度有着不同，对于建筑物的结构以及结构形式都有着不同。首先我们先来说一下建筑物的结构，对于建筑物内在的结构，我们要求其中不应该包含纯钢结构，最符合要求的就是结构为钢筋混泥土结构以及混合结构的了。接着就是结构形式的要求，对于结构形式我们要求的是那些不包含框架的结构，而符合要求的则是那些剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒等。

4.1结构基本周期

根据我们所观察的一些数据，并且在将结构基本周期与建筑结构的关系列在一起，仔细观察我们就可以发现建筑结构高度与基本周期的关系会发生相当大的变化。在最初的时候，我们发现结构基本周期与建筑结构的高度所呈现出的关系是线性关系，这种情况的原因在上文之中我们也做了详细的解释，就是因为建筑结构的高度过低。而随着如今建筑高度的增加，使得它们之间的线性关系也发生了变化。

4.2结构二阶周期

对于研究高层建筑结构周期的二阶周期研究与结构基本周期有着不同，高层建筑结构二阶周期主要基本分析模型是弯曲型与剪切型结构，之后再加上结构动力学理论以及材料力学进行分析，分别得出他们之间的不同关系。对于高层建筑结构的三阶周期我们目前的研究就远远比不上结构基本周期与结构二阶周期的研究，这是因为我国目前的数据库之中符合结构三阶周期的要求很少。但是通过这些有限的观察我们还是能够得到一些有价值的结构的，当H≥250m时，T3/T1合理范围在0.14～0.20之间;当50m≤H<250m时，T3/T1合理范围在0.10～0.19之间;T3/T1的总体均值为0.15，离散系数为21.1%。

5高层建筑结构自振周期与结构高度关系及控制

通过本篇文章我们可以知道对于高层结构自振周期与结构的高度有着密不可分的关系，并且我们通过对结构自振周期的定义就可以知道，我们的结构周期与结构的高度关系应该是有着平方根的关系。同时，我们也可以通过一些统计数据以及分布规律可知，在满足我国标准规范对结构整体稳定、位移限值、剪重比等要求的基础上，高层建筑结构（不含纯钢结构、框架结构）自振周期与结构高度也是有着密切的关系的。我们必须严格按照这种关系来对高层建筑结构自振周期进行划分，这样就会使得我国的高层建筑发展的越来越好。对于结构二阶周期与结构的高度依旧有着密切的关系

H≥250m：T2=0.26T1～0.34T150m≤H<250m：T2=0.23T1～0.33T1

总体均值：

T2=0.28T1而结构三阶周期与结构高度的关系式则为H≥250：T3=0.14T1～0.20T150m≤H<250m：T3=0.12T1～0.19T1总体均值：T3=0.15T1同时我们通过观察高层建筑结构一阶周期、二阶周期以及三阶周期之后，将这些数据再次进行分析，我们就会发现对于我国高层建筑结构影响最为深远的还是我们的结构一阶周期。结构一阶周期的作用之所以这么重要，就是因为结构一阶周期在某一个值得范围时，会使得结构的性质有着变化。而当我们的建筑结构过柔的话，那么为了我们高层建筑的安全性，我们就必须进行控制。因此，通过对结构一阶周期的观察与分析，对于提高我们高层建筑结构的安全性是有着极大的益处的。

6结束语

通过本篇文章的描述与分析，我们可以知道对于高层建筑结构的自振周期对于建筑结构的高度有着深刻的影响。而高层建筑物在我国的地位越来越重要，日后的高层建筑物也会越来越多。在这种环境背景之下，我們就必须将任何一种

高层建筑自振周期都要研究清楚，以此才能使得我国的高层建筑发展的越来越好，对于我国的经济发展也有着极大的促进作用。

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（作者单位：河北省第四建筑工程有限公司）