谈论高层建筑结构设计关键
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摘要：本文就高层建筑结构设计的特点和高层建筑的结构变形特点进行分析，并分析目前国内高层建筑的四大结构体系：框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构和筒体结构。
关键词：高层建筑设计；设计分析；常见问题探讨
1. 高层建筑结构设计特点
a.水平荷载：因楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖向构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另外，对一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化；b.轴向变形：高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果；c.侧移：结构侧移是成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大；d.结构延性：相对于较低楼房而言，高层建筑结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
2.高层建筑结构的变形特点
在水平荷载作用下，高层建筑结构最大的顶点位移为：水平均布荷载 max=qH4/8EI，倒三角形水平荷载max=11qH4/120EI，式中EI为结构，从以上可看出，结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。则又比水平荷载作用下的内力累积效应增加更快，说明高层建筑结构对结构的水平侧移较敏感的。水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。所以结构应具备较大的抗侧度，而不仅仅满足强度、刚度和稳定要求。
3. 高层建筑结构分析
3.1 高层建筑结构分析的基本假定
高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板
连接构成的大型空间结构体系，要想完全精确地按照三维空间结构进行分析是十
分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。
（1）弹性假定：目前工程上使用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移而出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段，应按弹塑性动力分析方法进行设计。
（2）小变形假定：小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。有不少研究人员对几何非线性问题（P -Δ效应）进行了研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H 的比值Δ/H > 1 /500时，则P -Δ效应的影响就不能忽视。
（3）刚性楼板假定：许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般对于框架体系和剪力墙体系，采用这一假定是完全可以的。但对于竖向刚度有突变的结构，如楼板刚度较小、主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，则楼板变形的影响较大，特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可对这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。
（4）计算图形的假定：高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并未考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协
调，而且忽略了抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度，对于具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥的。三维空间分析的普通杆单元，每一节点有6个自由度；按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲。
3.2 高层建筑结构静力分析方法
（1）框架-剪力墙结构：该结构常采用连梁连续化假定，由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可建立位移与外荷载之间的微分方程求解。因采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答形式也不相同。框架- 剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。
（2）剪力墙结构：其受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。按受力特性的不同，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、框支墙等类型。其类型不同，截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。
（3）筒体结构：按对计算模型处理手法，该结构分析方法可分为等效连续化方法、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。一种是只进行几何分布上的连续化，以便应用连续函数描述其内力；另一种是作几何和物理上来分析。这类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型，是完全按三维空间结构来分析筒体结构体系，其中应用最广的是空间杆薄壁杆系矩阵位移法。这种方法是将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构，空间梁柱每端节点有6个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度，比空间杆增加了1个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析的精度较高，但其未知量较多，计算量较大，在不引入其他假定时，每一楼层的总自由度数为6Nc+7Nw（N c、Nw 为柱及墙肢数目）。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层的总自由度数降为3（N c+Nw）+ 4，这是目前工程上采用最多的计算模型。
5.结语
总之作为建筑结构设计人员必须深刻掌握理论知识，结合工程特点应用分析，进行科学合理的分析设计，做优质工程。
参考文献：
[1]《混凝土结构设计规范》（GB50010 -2010）
[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3 -2010）