浅议高层建筑结构设计与分析
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【摘要】随着社会和经济的蓬勃发展，特别是城市建设的发展，要求建筑物所能达到的高度和规模不断地增加。城市中的高层建筑成为反映这个城市经济繁荣和社会进步的重要标志。本文分析了高层建筑结构设计的特点，提出了高层建筑结构分析和各种体系相对应的方法
【关键词】高层建筑结构；结构体系；静力分析方法
1 高层建筑结构设计特点
1.1 水平荷载成为决定性因素。建筑物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，仅与建筑物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，是与建筑物高度的二次方成正比；另外，对某一定高度建筑物而言，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。
1.2 轴向变形不容忽视。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，从而会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。
1.3 侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼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，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
1.4 结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，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 高层建筑的结构体系
2.1 框架结构体系。一般用于钢结构和钢筋混凝土结构中，由梁和柱通过节点构成承载结构。框架结构可形成灵活布置的建筑空间，使用较方便。但随着结构高度增加，水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，增加到一定程度后，将给建筑平面布置和空间处理带来困难，影响建筑空间的正常使用。另外，框架结构抗侧刚度较小，在水平力作用下将产生较大的侧向位移。其中一部分是结构弯曲变形，即框架结构产生整体弯曲，由柱子的拉伸和压缩所引起的水平位移；另一部分是剪切变形，即框架结构整体受剪，层间梁柱杆件发生弯曲而引起的水平位移。由于框架构件截面较小，抗侧刚度较小，在强震下结构整移和层间位移都较大，容易产生震害。因而，框架结构主要适用于非抗震区和层数较小的建筑。
2.2 框架--剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要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，便形成了框架--剪力墙体系。框架--剪力墙结构体系是把框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系。这种结构既具有框架结构布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度和较强的抗震能力。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架--剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均，所以框架--剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。
2.3 剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙结构比框架结构刚度大、空间整体性好，用钢量较省，结构顶点水平位移和层间位移较小，能够满足抗震设计变形要求，且具有一定的延性，传力直接均匀，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架--剪力墙体系。剪力墙结构往往应用于住宅和旅馆客房开间较小、墙体较多的建筑中。
2.4 筒体体系。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体―框架、筒中筒、成束筒等多种形式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。
3 高层建筑结构分析
3.1 高层建筑结构简化计算原则
3.1.1 弹性工作状态。高层建筑结构的内力与位移按弹性方法计算。在竖向荷载和一般风荷载作用下，结构应保持正常使用状态，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但对于某些局部构件，由于按弹性计算所得的内力过大，出现截面设计困难，配筋不合理的情况。因此在某些情况下可以考虑局部构件的塑性变形内力重分布，对内力适当予以调整。对于罕遇地震的第二阶段设计，绝大多数结构不要求进行内力和位移计算，“大震不倒”通过构造要求予以保证。实际上由于在强震下结构已进入弹塑性阶段，处于开裂、破坏状态，构件刚度已难以确切给定，内力计算已无重要意义。
3.1.2 高层建筑结构应考虑整体共同工作。高层建筑结构在风力和地震作用下，楼层的总水平力是已知的，但这水平力如何分配到各片框架、各片剪力墙却是未知的。由于各片抗侧力结构的刚度、形状不同，变形特征也不相同，所以不能简单地按受荷面积、构件间距分配；否则，会使刚度大、起主要作用的结构所分配的水平力过小，偏于不安全。在不考虑扭转影响时，同层各构件水平位移相同，剪力墙结构中各片墙的水平力大致按其等效刚度分配；框架结构中各片框架的水平力大致按其抗侧刚度分配；框架--剪力墙和筒体结构受力较为复杂，要进行专门的计算。
3.1.3 刚性楼板假定。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为无限大，而平面外的刚度可以不考虑。在内力和位移计算中，楼板可作为刚性隔板，在平面内只有刚移--平移和转动，不改变形状。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。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是对于竖向刚度有突变的结构，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，楼板变形比较显著，楼板刚度无限大的假定不适用。这时，对采用刚性楼面假定的计算结果需加以修正，或采用考虑楼面的平面内刚度的计算方法。
3.1.4 计算中应考虑墙与柱子轴向变形的影响。高层建筑结构由于层数较多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。所以轴向变形的影响在结构计算中应当考虑。在考虑轴向变形影响时，要考虑施工过程分层施加竖向荷载这一因素，不能简单地按一次加载考虑，否则就会出现一些不合理的计算结果。
3.2 高层建筑结构静力分析方法
3.2.1 框架--剪力墙结构。其内力与位移计算的方法很多，大都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，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。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。
3.2.2 剪力墙结构。剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其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。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。
3.2.3 筒体结构。其分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。
4 结语
高层建筑的结构体系是随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的。可以预见，在相当长的一段时间内，高层建筑将是世界上大部分国家在城市建设中的主要建筑形式。因此，掌握高层建筑的设计知识是建筑与土木领域技术人员的基本要求。