高层建筑结构设计中关键技术问题分析与研究

宋可加

西南交通大学土木工程学院，四川成都 610000

0 引言

随着社会经济不断发展，城市化进程不断加快以及对高层、超高层建筑的结构体系的研究日益完善，使得高层、超高层建筑得迅猛发展。

1885年美国芝加哥土木工程师詹尼，设计并建造了共10层、高55m的芝加哥国内保险公司大楼，开启了高层建筑修建之先河，随后高层、超高层建筑在世界各国增长迅速，其中许多高层建筑已成为城市标志，如纽约帝国大厦（1931年，高381m，102层）、芝加哥西尔斯大厦（1974年，高443m，110层)、台北101大楼（2003年，高508m，101层）。目前，我国正处于高层建筑迅速发展时期，建造数量与日俱增，建筑高度记录不断被更新，其中以上海的环球金融中心、金茂大厦，广州的中信广场等最具代表性。高层建筑的出现，不仅改变了城市的建筑格局和人们的居住模式，还在一定程度上反映出科学技术与社会经济发展的水平。

1 常用高层建筑结构体系受力特点分析比较

1.1 框架结构

框架结构体系它是由基础、楼板、柱、梁这4种承重构件所组成的。基础、柱和梁一起构成平面框架是主要的承重结构。框架结构建筑平面布置灵活，可形成较大的建筑空间，建筑立面处理也较方便；整体性、抗震性能好，具有较好的塑性变形能力。

但是，框架结构侧向刚度小，当层数过多时，会产生过大的侧移，从而差限制了框架结构的建造高度。

1.2 框架一剪力墙结构

高层建筑结构设计中通常采用的是框架一剪力墙结构体系，即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，竖向荷载由框架和剪力墙等竖向承重单体共同承担，水平荷载则主要由剪力墙这一具有较大刚度的抗侧力单元来承担。剪力墙的设置，大幅增加了高层建筑结构的抗侧力刚度，使其水平侧向位移大幅减小；同时，框架-剪力墙结构的协同工作使各层层间变形趋于均匀，所以框架一剪力墙结构体系的建筑能建高度要显著高于框架结构。

1.3 剪力墙结构

由墙体承受全部水平作用和竖向荷载的结构体系称为剪力墙结构体系。剪力墙结构体系属于明显的刚性结构，且传力均匀、直接。其结构的强度和刚度都相对较高，但同时也具有一定的延性。结构在台风、地震作用等水平大荷载作用下，结构的侧向位移能有效控制，具有良好的结构整体性能，抗倒塌能力强，其能建高度大幅高于框架或框架一剪力墙结构体系。

1.4 筒体结构

筒体结构体系由筒体为主的结构称为筒体结构。筒体结构体系的高层建筑结构具有非常大的强度和刚度，结构体系中各构件的受力分配合理，抗风、抗震性能相对框架一剪力墙结构、剪力墙结构更强，往往应用于大空间、大跨度要求的高层、超高层建筑结构设计中。

2 高层建筑结构设计关键技术分析

2.1 水平荷载相对于竖向荷载显得更为重要

结构需同时承受竖向和水平荷载，低层结构以抵抗重力为代表的竖向荷载为主，而水平荷载所产生的内力、侧向位移很小。对高层结构来说，随着建筑高度的增加，水平荷载随建筑高度的增高迅速增大。如把建筑物视作一简单的竖向悬臂构件，构件中由竖向荷载产生的轴力与高度（H）成正比；水平作用产生的弯矩与高度（H）的平方成正比；水平作用产生的侧向位移则与高度（H）的四次方成正比。对某一高度确定的建筑，结构竖向荷载的大小基本稳定，而水平方向上风载和地震作用的数值大小往往会随高层建筑结构的动力特性不同而存在较大幅度的变化。可见，水平荷载对高层建筑结构的影响大，侧向位移成为结构设计的主要控制目标之一。

2.2 控制结构侧移是关键因素

与低层建筑结构的设计不同，高层建筑结构的侧移是其结构设计过程中的关键决定性因素。随着建筑高度的不断增加，水平侧向荷载下的结构侧移变形会快速增大。侧向位移过大将使结构产生附加内力，特别是对竖向构件，附加偏心力超过一定限值时，将会引起整个结构的倒塌破坏；同时，在风荷载作用下，如果侧向位移过大，将会引起居住者工作者的不适，在地震作用下，如果侧向位移过大，更会让人感到不安和惊慌。

2.3 结构轴向变形的影响显著

对于高层建筑结构，由于层数多、高度高，轴力很大，从而沿高度逐渐积累的轴 向变形很显著高层建筑结构中，一般竖向荷载的数值较大，在柱中会引起较大范围的轴向压缩变形，对结构体系中的连续梁弯矩大小产生显著影响。高层建筑的轴向变形的差异会达到一个比较大的数值，从而引起跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大，连续梁中间支座处的负弯矩值减小。

2.4 结构延性的重要性

高层建筑相对于低层或是多层建筑来说结构更柔一些，受到地震的影响后，结构变化更大一些。所以采取恰当的措施保证结构具有足够的延性，使结构在塑性变形阶段仍然具有较强的变形能力。

3 高层建筑结构分析方法简介

3.1 计算分析基本假定

高层建筑结构要完全精确地分析三维空间结构是十分困难的。需要通过各种分析方法对计算模型进行不同程度的简化。以下是一些常见的假定：

1）弹性假定

目前实用的高层建筑结构分析方法都是使用的弹性计算方法。这一假定符合建筑结构的工作状况，因为在一般风力作用下，建筑结构一般都处于弹性工作阶段。

2）小变形假定

小变形假定也是各种高层建筑结构实用分析方法中普遍采用的基本假定。对几何非线性问题的研究认为∶当顶点水平位移与建筑物高度的比值大于1/500的时候，就必须重视几何非线性问题的影响。

3）刚性楼板假定

刚性楼板假定在对高层建筑结构进行分析的时候，一般假定楼板自身平面内的刚度是无限大的，平面外的刚度则为零。这就简化了计算方法，减少了结构位移的自由度。

3.2 高层建筑结构受力分析方法

1）框架一剪力墙结构的高层建筑内力与位移的计算分析，大都采用连梁连续化假定。可由框架结构与剪力墙水平位移或转角相等的位移协调条件，建立位移与外荷载之间关系的微分方程进行求解。

2）剪力墙结构的受力特性与变形主要取决于墙体的开洞情况。单片剪力墙按其受力特性的不同，可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙等各种类型，不同类型的剪力墙结构其截面应力分布的规律也不相同，计算结构内力与变形位移时需采用相对应的计算方法。

3）按照对计算模型处理的手法不同，筒体结构的实用分析方法通常可分为：等效连续化法、等效离散化法和三维空间分析法。等效连续化方法的具体应用包括有连续化微分方程求解法、有限单元法、能量法等；等效离散化方法则包括等代角柱法、核心筒的框架分析法等；相对于等效连续化方法和等效离散化方法的筒体结构计算模型，完全按三维空间结构建立计算模型来分析筒体结构体系的受力性能更为精确。三维空间分析法将高层筒体建筑结构体系看作是由若干个空间梁单元、空间柱单元和薄壁柱单元组合而成的空间杆系结构体系进行计算分析，更符合受力结构体系的实际工作状态。

4 结论

由于城市人口密度大，用地紧张，高层建筑依然是未来的趋势，建筑的体型将更加复杂多样。追求更具创新性的结构形式，建立更加合理的力学模型也是土木工作者努力的目标和方向。

[1]国家标准.建筑抗震设计规范GB50011-2008.

[2]周军，杜宏彪，蔡龙.框架—剪力墙结构体系概念化设计问题[J].山西建筑，2009(1).

[3]方鸿强，伊新富.混凝土结构的耐久性设计[J].浙江建筑，2001(1).