浅谈高层建筑结构

杨 利

随着经济和城市建设的高速发展以及人们对高层建筑结构体系的研究日趋完善、施工技术水平的不断提高，我国高层建筑发展迅速。现在高层、超高层建筑往往被看作一个城市的标志性建筑、国家的经济实力和科技水平的反映。比如中央电视台新址，上海金茂大厦等在国内外均产生了一定的影响。因此，设计思想也在不断更新，结构体系日趋多样化，建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂，这就给高层结构设计和分析提出了更高的要求，目前，高层建筑结构按建筑材料分类主要有三大类:混凝土结构，钢结构和混合结构。高效、准确的对这些复杂的高层结构体系进行分析、设计与比较，选择既经济合理又安全适用的结构体系，已成为我国高层建筑研究领域的重要课题之一。本文介绍了三大结构体系，阐述了高层结构的分析，指出了一些现状中的问题，并展望了未来高层建筑结构的发展。

1 结构体系概述

目前用于高层建筑结构的主要结构体系有:1)混凝土结构。结构的主要承重受力材料为钢筋混凝土。它的主要优点是:就地取材，耐久性、耐火性好，整体性好，节约钢材。常用的结构形式有:框架结构，剪力墙结构，框架剪力墙结构，筒体结构，框筒结构等。但混凝土材料抗拉强度差，自重大，且施工受季节影响大，工程修补困难。2)钢结构。结构的梁柱及支撑等主要构件均采用钢材。它的主要优点是:材料强度高，自重轻，有良好的延性。结构构件所占面积少，建设工期短，构件可以循环利用，环境污染少，并且能满足建筑上大跨度、大空间的要求。常用的高层建筑钢结构形式有:框架结构，钢框架—支撑结构，筒体结构及巨型结构等。但钢结构施工要求严格，工程造价高，防腐蚀性、防火性差，并且维护费用也相当高。3)混合结构。指由钢框架或型钢混凝土框架与钢筋混凝土筒体所组成的共同承受水平和竖向作用的高层建筑结构。它充分发挥钢材和混凝土两种材料各自优点的合理组合，能大量节约钢材，降低工程造价，加快施工进度，并减少对环境的污染。常用的高层建筑混合结构形式有:钢框架—剪力墙结构，钢框架—核心筒结构等。相当长的时期以来，型钢混凝土结构只是作为局部采用，如在大跨度梁或框支柱中使用，随着钢产量的迅速增加，高层建筑的飞快发展，混合结构已从局部应用发展到主要结构均采用型钢混凝土。混合结构的综合经济指标优于全钢结构和混凝土结构的综合经济指标。

2 高层建筑结构的分析

高层建筑的侧移和内力随着结构高度增加而急剧增加，当高层建筑达到一定高度时，侧向位移很大，所以水平荷载产生的侧移和内力是确定结构体系、材料用量和造价的决定因素。高层建筑结构的设计是靠刚度支配而不是结构材料的强度，而刚度的大小取决于结构体系。以下就现代高层建筑的结构力学的一些分析方法进行了论述。

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。常见的一些基本假定有:弹性假定、小变形假定、刚性楼板假定、计算图形的假定等。

高层建筑结构的静力分析方法主要有:连梁连续化假定、杆系结构矩阵位移法、平面有限单元法、等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析等。针对不同的结构体系，选择相应的计算方法。比如剪力墙结构选择平面有限元法。另外，高层建筑结构弹塑性动力分析方法(亦称时程法)的研究和应用在我国迅速发展。这种方法是将地震波记录直接输入结构，考虑结构的弹塑性性能，依据结构弹塑性恢复特性建立动力方程，用逐步积分法直接求出地震过程中位移、速度和加速度的时程变化，从而能够描述结构在强震作用下，在弹性和非弹性阶段的内力变化，以及结构构件逐步开裂、屈服、损坏直至倒塌的全过程。

3 发展现状及存在的问题

1)在实际工程中出现了很多规则性很差，体型复杂不利于抗震的高层建筑。例如:首先，结构平面不规则，为了满足建筑效果，平面存在大的凹入口，楼板平面过于狭长及楼板开洞面积超过楼面面积的30%，造成楼板有较大的削弱，楼板水平地震力的传递不连续等不利影响。其次，结构竖向不规则，带有较大范围的错层，错层剪力墙结构使剪力墙形成错层洞，导致结构刚度不规则，对结构抗震都有不利影响。尤其对平面不规则和扭转效应显著的错层结构破坏特别严重。另外由于楼板错层，使得错层交接处形成竖向短墙肢，可能在同向受力中因错层构件刚度大而产生内力集中，不利于抗震。因此，应尽量避免采用不规则的结构，并采取有效可靠的抗震加强措施。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。3)目前工程上实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，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。但是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，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态，应按弹塑性动力分析方法进行设计。4)从理论上讲，高层建筑结构弹塑性动力分析方法有不少优点，如能够发现结构的薄弱环节，对结构的变形、延性的分析比较符合实际，预计的破坏形态与实际震害比较接近等。但这种方法的前提条件与实际较难符合，如需要拟建场地实际强震记录，实际上很难收集到。目前对采用时程法仍有不同看法，要采用大型高速计算机，典型地震波本身不一定代表要发生的真正地震，因此在研究时程法的同时，一些简化的近似方法也应加以进一步研究。

4 高层建筑的发展趋势

高层建筑可以更好地缓解大城市人口不断增长的压力，也是国家经济发展的重要指标，它的高速发展是必然的。随着环保和低碳节能意识的不断加强，人们对于自然力有了更深刻的认识，新型材料、新型结构体系和设计理念的高层建筑正展现出自己强大的生命力。由于高度不断增高，原有的框架，剪力墙，框架剪力墙体系已经不能满足超高层建筑结构的需要，筒体结构，巨型结构及混合结构体系等越来越多的应用到工程中，并表现出各自独特的优势。建筑结构必然向着更高、更合理有效的受力体系和更经济的满足使用功能需要等方向发展。未来的高层、超高层建筑可能并不是越来越复杂的结构形式，反而可能是结构工程师们尽量用最简单的方法来实现复杂和具体的使用目标。追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是结构工程师们的目标和方向。

[1] JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] 郑延银.高层建筑钢结构[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[3] 贾红艳.高层建筑为生活带来的巨大改变[J].山西建筑，2008，34(22):64-65.