以结构设计理论为基础简述高层建筑结构

　　本文以高层建筑结构设计理论为基础，根据高层建筑结构的设计特点，并结合实际经验，对高层建筑结构分析与设计进行了一次深刻的探讨，归纳出一些具有使用价值的思路，对实际高层建筑结构分析与设计具有一定的使用价值。

　　《中外建筑》于2003年6月全新改版，全方位、多视角触及建筑领域;发布权威信息，宣传建筑成就，推介学术成果，探索建筑新路;为优秀建筑作品提拱展示舞台，为业内人士评定职称发表论文提供平台。

　　随着经济水平的迅猛发展及科学技术水平的不断提高，高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂多元，为此随着我国国力的的不断增强,我们不仅应该借鉴外国先进的建筑技术,更加应该注意密切结合我国的具体国情。这样,我们必将能走出一条具有中国特色的高层建筑之路。

　　1 高层建筑结构设计的主要特点

　　1.1 控制指标和重要设计指标分别是侧移、结构延性。最重要的原因是，高层建筑不同于低层建筑，在高层建筑结构设计中，结构侧移已成为其最主要因素。水平荷载下结构的侧移变形会受到楼层高度的影响，楼层越高，其变形越大，所以说在水平荷载作用下的结构变形应该受到控制。其次，和低层建筑相比，高层建筑的结构柔性更高，地震作用下的变形也会相应较大。为使高层建筑在力的作用下具有较强的变形能力，避免其发生倒塌，必须要在其结构方面采取相应的办法，提高其延性。

　　1.2 水平荷载是关键。首先，楼房本身的重量和其楼面使用的荷载在竖构件中所引起的轴力、弯矩的数值与楼房的高度成一次方的正比;;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比;其次，当楼房的高度一定时，竖向的荷载大体上是一固定的数值，但是，在水平方向上的荷载，例如：风荷载和地震荷载，其数值是随着结构动力特性的不同而做出相应的变化的。

　　1.3 变形种类多、影响效果大。高层建筑结构具有层数多、高度高、轴力很大的特点，并且从纵向观察，沿着其高度发生的纵向变形很厉害，同时中部构件与边部构件及其角部构件的变形存在很大的不同，这对于其结构内力的分配具有很大的影响，因此，对于构件中的轴向变形影响必须加以慎重的分析;此外，在剪力墙结构体系中，整片墙或墙肢的剪切变形也要被纳入计算范围，并且，在筒体结构计算中，剪变滞后的影响也不能忽视。

　　2 高层建筑抗震概念设计若干原则

　　建筑抗震性能是概念设计的决定因素，概念设计应遵循一定的原则。

　　2.1 结构抗侧力结构的布置宜规则、对称，受力明确简单、传力合理不间断，保证良好的整体性。

　　2.2 结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性，构件应遵循“强柱、弱梁、更强节点、强剪、弱弯、强底层柱(墙)底”的原则。

　　2.3 结构中应尽可能设置多道抗震防线。结构体系中应由多个延性较好的分体，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，以便地震时结构能吸收和耗散大量的地震能量，避免大震倒塌。

　　2.4 对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力，防止在局部上加强而忽视整个结构各部位的刚度、承载力协调。考虑上部结构嵌固于基础结构或地下室结构之上时，应使基础结构或地下室结构保持弹性工作状态，使塑性铰出现在结构嵌固部位。

　　3 高层建筑结构的分析

　　3.1 框架—剪力墙结构。框架—剪力墙结构其计算方法有很多，但是通常被人们所采用的那就是：睦梁连续化假定。当剪力墙与框架水平位移或转角的位移条件相等时，可以根据位移与外荷载之间的关系，利用微分方程的方法来求解。因为在此过程中，所假定的未知量和考虑因素可能存在不同，所以在解答时，要根据实际情况及不同的假定因素进行不同形式的解答。但是框架—剪力墙的—般计算方法通常是根据杆系结构矩阵位移法，将结构转化为等效壁式框架来进行求解。

　　3.2 剪力墙结构。剪力墙的开洞情况主要受剪力墙的受力特性与变形状态两大方面的影响。根据受力特性的不同，单片剪力墙可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等不同类型。剪力墙的应力截面会根据剪力墙的类型不同而分布不同，在进行内力与位移的计算时，应采用相对应的计算方法。平面有限单元法是剪力墙结构的计算方法，此方法具有计算精确的特点，并且使用范围广，对于各类剪力墙都能使用。但此方法也存在一定的缺陷，例如，在计算是其自由度较大、耗费较多，因此目前通常只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等复杂特殊的情况。

　　3.3 筒体结构。根据模型处理手法的不同，通体结构的分析方法大致可分为三种类型:即等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理，一种是为便于用连续函数描述其内力而只作几何分布上的连续化;另外一种是为便应用分析弹性薄板的各种有效方法既做几何分布上的连续化又做物理上的连续化，用正交异性弹性薄板取代离散杆件。等效离散化方法是为便于应用适合杆系结构的方法而将连续的墙体离散为等效的杆件的一种分析方法。核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等是这类方法的核心。筒体结构体系是完全按照三维空间结构来分析的，它是一种比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型，其中应用最广的是空间杆一薄壁杆系矩阵位移法。这是一种空间杆系结构方法，它是由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元三种元素结合而成的高层结构体系。

　　4 高层建筑结构的体系分析

　　4.1 框架 - 剪力墙体系。框架 - 剪力墙体系其概念是：当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架。框架和剪力墙在承受水平力时，通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系与剪力墙分工合作，即剪力墙主要承受水平剪力、框架体系主要承受垂直荷载。设置剪力墙不仅可以增大结构的侧向刚度而且还可以减小建筑物的水平位移，并且框架承受的水平剪力明显下降同时沿竖向的内力分布逐渐均匀，因此与框架体系下钢笔，框架- 剪力墙体系的能见高度要高。

　　4.2 筒体体系。筒体体系根据其名就可以知道，它是采用筒体为抗侧力构件的结构体系。总体来说筒体分为空腹筒和腹筒两大类，并且它是一种空间受力的构建。筒体体系具有很大的优点，首先，它的刚度和强度都很大，并且各部件的受力比较均匀，具有很好的抗风和抗震能力，适用于大跨度、大空间或超高层建筑。

　　4.3 剪力墙体系。剪力墙体系就是由平面剪力墙构件组成受力主体的全部构件时形成的。在剪力墙体系中,单片剪力墙起着很重要的作用，它不仅承受了全部的垂直荷载还承受了全部的水平力。剪力墙体系是刚性结构的种类之一，所以它的强度和刚度都比较好，不仅具有良好的延展性，而且传力比较均匀、综合性能高,因此它具有较高的抗倒塌能力并且是一种优质的结构。

　　5 高层建筑结构体系的基本假定

　　5.1 刚性楼板假定。大部分高层建筑结构的分析方法均将平面外的刚度忽略不计，而对于楼板在自身平面内的刚度则假定无限度的大。对于框架体系和剪力墙体系来讲，他们通常采用这一假定，并且这样的做法也是完全可以的。但是，当遇到结构的竖向刚度有突然性的变化、楼板的刚度比较小，并且抗侧力构件之间的距离过于大、楼层的层数比较少等情况时，楼板的形形就会受到很大的影响甚至发生强烈的变形。尤其是结构的底部和顶部，它们各层的内力和位移都会受到很大的影响。可以通过调整剪力来解决这一问题。

　　5.2 弹性假定。弹性的计算方法是目前大多数工程建筑使用的高层建筑分析方法。结构受垂直荷载或一般风力的影响通常处于弹性工作阶段，这种假定符合实际并且符合结构的工作状况。但是在特殊情况下，如果仍按弹性方法计算内力和位移，这种方法就是不可取的，因为此时结构的工作状态已发生变化，原来的计算方法已不能适合于此时结构真是的工作状态。

　　6 结束语

　　近几年来，随着科学技术的不断进步，高层建筑在我国也取得了跨越性的发展。高层建筑的结构体系日益多样化，并且出现了层数增多、高度加大的的发展趋势，其平面布置与竖向体形日趋复杂，多功能性、综合性日益增强，高度轻质材料不断的被推广应用。高层建筑具有投资大、施工周期长的特点，这就要求高层建筑的结构分析设计方法的准确性，否则将会将使结构产生薄弱环节，影响结构的安全性和使用寿命，甚至有可能造成结构倒塌、人员伤亡、财产受损的重大危害事故。因此，必须加强高层建筑结构分析的质量控制。

　　参考文献：

　　[1] 王振军.高层建筑结构竖向布置的探讨[J].科技资讯，2010,(3).

　　[2] 张海伟.高层建筑结构设计[M].北京: 北京大学出版社，2010.

　　[3] 周芝兰.普通高等院校土木专业“十一五”规划精品教材建筑结构[M].武汉：华中科技大学出版社.2007.