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摘要：通过分析高层建筑的现状，总结了高层建筑结构的设计特点，并简要论述了现有的各种结构体系及其优缺点，最后探讨了高层建筑的分析方法，从而进一步完善高层建筑结构设计，促进高层建筑的发展。关键词：高层建筑；结构体系；分析方法
Abstract: The analysis of the high-rise buildings status, summarizes the design features of the high-rise building structure, and briefly discusses the existing structural system and its advantages and disadvantages, and finally discusses the analysis of high-rise buildings, so as to further improve the structural design of high-rise buildings, to promote the development of high-rise buildings.Key words: high-rise buildings; structural system; analysis methods
中图分类号：TU241文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
一、高层建筑的现状分析現代高层建筑起源于美国，已有100多年的历史，美国的高层建筑在质量、层数及数量上一直居于世界领先地位，其中代表建筑是1931年建成的纽约帝国大厦(高381m，102层)和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦(412m，110层)。近几年来，亚洲国家和地区的高层建筑发展非常迅速，而且广泛采用新的结构体系和建筑形式，逐步成为世界建造高层建筑的新重心。其中，日本、中东、马来西亚、新加坡、泰国是高层建筑发展迅速的国家。我国高层建筑起源于20世纪初的上海，近年来国内的高层建筑以极为迅速的态势在各地铺开，高度及层数不断突破。据统计，我国高层建筑在数量上已超过万栋，高层建筑的类型涉及住宅、旅馆、办公、金融、商业综合楼等多种类型。到目前为止，层数达30层-60层，高度为120m-200m的高层建筑已经耸立在全国各个大、中城市，我国最高的101层492m的上海环球金融中心已经建成。二、高层建筑结构的设计特点高层建筑与普通建筑或低层建筑相比有很大差别，不仅仅表现在体量上的差别，它们之问最主要的差别在于以下方面：对于低层建筑来说，它们所受的外部作用主要是以重力为代表的竖向荷载。因此，设计低层建筑结构时，最主要的控制目标是结构的强度。另外，由于低层建筑对其结构体系的空间工作性能要求很低，所以低层建筑所采用的结构体系主要是平面结构。然而，在高层建筑中，结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作。随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响，但水平荷载对结构产生的内力愈来愈大，将成为结构设计时的主要控制因素，起着决定性的作用，成为确定结构体系的关键性因素。因此，结构的设计是由水平荷载控制的。在水平荷载中，地震作用是动力作用，而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感，风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区，高层建筑往往受地震作用控制，所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。三、高层建筑的结构体系1)框架结构体系。从结构体系上看，早期多采用框架结构。由于它平面布置灵活，空间大，能适应较多功能的需要，因此成为高层建筑的主要结构形式。但是，框架结构的侧向刚度较小，在一般节点连接情况下，当承受侧向的风力或地震作用时，将会有较大的变形。因此，限制了这种结构形式的建造高度和层数。2)剪力墙结构体系。为了满足更高层数的要求，结合住宅、公寓和宾馆对单开间的需求，出现了较高层数的剪力墙结构。剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，按照功能要求，设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙，对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的，因此，它允许建造的高度远远高于框架结构。剪力墙结构的不足之处在于，平面布置的灵活性较差，使用上也受到一定限制。因此，它的适用范围较小，仅适用于住宅、公寓和宾馆等建筑。目前全国各地的大量高层住宅建筑，绝大多数均采用剪力墙结构。3)框架一剪力墙结构体系。建筑功能要求有较大的灵活性，但同时又能满足风和地震作用的考验，取框架和剪力墙结构两者之长，形成框架一剪力墙结构。框架结构具有布置灵活的优点，而剪力墙结构具有良好的抗侧力能力，结合后的结构体系可满足一般建筑功能要求，在适当位置设置一定数量的剪力墙，既是建筑布置需要，又是结构抗侧力需要。因此，框架一剪力墙结构体系的适用范
四、总体指标控制1、计算判断结构抗震是否可行的主要依据是在风荷载和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，结构的振型曲线，自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围中，总体指标对建筑物的总体判别十分有用。若刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，造成不必要的材料浪费；但刚度太小，结构变形太大，影响建筑物的使用。合理的刚度是多少，建议对于小高层住宅取μ/H=1/2500～1/3500，刚重比在10～15之间是比较合理的。周期约为层数的0.06倍～0.08倍之间。而对结构布置扭转的控制：在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。建议对于顶层构件可不考虑在内，否则很难满足上述指标。2、另外，地震效应是与建筑物质量成正比，减轻房屋自重是高结构抗震能力的有效措施。高层建筑中质量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，P-△效应造成附加弯矩更大。3、因此，在小高层建筑房屋中，结构构件宜采用高强度材料，非结构构件和围护墙体应用轻质材料。减轻房屋自重，既减小了竖向荷载作用下构件的内力，使构件截面变小，又可减小结构刚度与地震效应，不但能节省材料，降低造价，还能增加使用空间。4、基础设计研究地基基础对建筑抗震能力的影响，作出恰当的选择，已成为高层建筑结构设计的重要部分，基础是房屋的根基，是房屋中极为重要的组成部分，一幢房屋如果没有一个坚实可靠的基础，再好的上部结构也不可能正常发挥其作用，甚至可能导致上部结构的破坏与倾斜。5、基础类型的选择往往比上部结构选型更困难。影响因素更多，因此也更要谨慎。高层建筑的基础类型，应根据地基的性质，结构类型，荷载特点，施工条件等因素综合考虑。6、周期折减系数，在高层结构中设置了非结构的砌体填充墙,在结构计算时应考虑其对主体结构的影响。周期的折减应考虑到门窗洞口的设置对周期的影响,不同的结构类型和填充墙的多少也决定了周期折减系数的取值,而不能一概而论。7、振型数目是否足够。阵型数的多少与结构的层数有关,对振型的取值都有较为明确的规定。在新规范中增加一个振型参与系数的概念，并明确提出了该参数的限值。因此,在计算分析阶段,根据规范要求对计算结果进行判断,并决定是否要调整振型数目的取值。
五、结语
总之，高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析，多做方案比较。否者任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。
Abstract: The analysis of the high-rise buildings status, summarizes the design features of the high-rise building structure, and briefly discusses the existing structural system and its advantages and disadvantages, and finally discusses the analysis of high-rise buildings, so as to further improve the structural design of high-rise buildings, to promote the development of high-rise buildings.Key words: high-rise buildings; structural system; analysis methods
中图分类号：TU241文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
一、高层建筑的现状分析現代高层建筑起源于美国，已有100多年的历史，美国的高层建筑在质量、层数及数量上一直居于世界领先地位，其中代表建筑是1931年建成的纽约帝国大厦(高381m，102层)和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦(412m，110层)。近几年来，亚洲国家和地区的高层建筑发展非常迅速，而且广泛采用新的结构体系和建筑形式，逐步成为世界建造高层建筑的新重心。其中，日本、中东、马来西亚、新加坡、泰国是高层建筑发展迅速的国家。我国高层建筑起源于20世纪初的上海，近年来国内的高层建筑以极为迅速的态势在各地铺开，高度及层数不断突破。据统计，我国高层建筑在数量上已超过万栋，高层建筑的类型涉及住宅、旅馆、办公、金融、商业综合楼等多种类型。到目前为止，层数达30层-60层，高度为120m-200m的高层建筑已经耸立在全国各个大、中城市，我国最高的101层492m的上海环球金融中心已经建成。二、高层建筑结构的设计特点高层建筑与普通建筑或低层建筑相比有很大差别，不仅仅表现在体量上的差别，它们之问最主要的差别在于以下方面：对于低层建筑来说，它们所受的外部作用主要是以重力为代表的竖向荷载。因此，设计低层建筑结构时，最主要的控制目标是结构的强度。另外，由于低层建筑对其结构体系的空间工作性能要求很低，所以低层建筑所采用的结构体系主要是平面结构。然而，在高层建筑中，结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作。随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响，但水平荷载对结构产生的内力愈来愈大，将成为结构设计时的主要控制因素，起着决定性的作用，成为确定结构体系的关键性因素。因此，结构的设计是由水平荷载控制的。在水平荷载中，地震作用是动力作用，而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感，风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区，高层建筑往往受地震作用控制，所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。三、高层建筑的结构体系1)框架结构体系。从结构体系上看，早期多采用框架结构。由于它平面布置灵活，空间大，能适应较多功能的需要，因此成为高层建筑的主要结构形式。但是，框架结构的侧向刚度较小，在一般节点连接情况下，当承受侧向的风力或地震作用时，将会有较大的变形。因此，限制了这种结构形式的建造高度和层数。2)剪力墙结构体系。为了满足更高层数的要求，结合住宅、公寓和宾馆对单开间的需求，出现了较高层数的剪力墙结构。剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，按照功能要求，设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙，对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的，因此，它允许建造的高度远远高于框架结构。剪力墙结构的不足之处在于，平面布置的灵活性较差，使用上也受到一定限制。因此，它的适用范围较小，仅适用于住宅、公寓和宾馆等建筑。目前全国各地的大量高层住宅建筑，绝大多数均采用剪力墙结构。3)框架一剪力墙结构体系。建筑功能要求有较大的灵活性，但同时又能满足风和地震作用的考验，取框架和剪力墙结构两者之长，形成框架一剪力墙结构。框架结构具有布置灵活的优点，而剪力墙结构具有良好的抗侧力能力，结合后的结构体系可满足一般建筑功能要求，在适当位置设置一定数量的剪力墙，既是建筑布置需要，又是结构抗侧力需要。因此，框架一剪力墙结构体系的适用范
四、总体指标控制1、计算判断结构抗震是否可行的主要依据是在风荷载和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，结构的振型曲线，自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围中，总体指标对建筑物的总体判别十分有用。若刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，造成不必要的材料浪费；但刚度太小，结构变形太大，影响建筑物的使用。合理的刚度是多少，建议对于小高层住宅取μ/H=1/2500～1/3500，刚重比在10～15之间是比较合理的。周期约为层数的0.06倍～0.08倍之间。而对结构布置扭转的控制：在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。建议对于顶层构件可不考虑在内，否则很难满足上述指标。2、另外，地震效应是与建筑物质量成正比，减轻房屋自重是高结构抗震能力的有效措施。高层建筑中质量大了，不仅作用于结构上的地震剪力大，还由于地震作用倾覆力矩大，对竖向构件产生很大的附加轴力，P-△效应造成附加弯矩更大。3、因此，在小高层建筑房屋中，结构构件宜采用高强度材料，非结构构件和围护墙体应用轻质材料。减轻房屋自重，既减小了竖向荷载作用下构件的内力，使构件截面变小，又可减小结构刚度与地震效应，不但能节省材料，降低造价，还能增加使用空间。4、基础设计研究地基基础对建筑抗震能力的影响，作出恰当的选择，已成为高层建筑结构设计的重要部分，基础是房屋的根基，是房屋中极为重要的组成部分，一幢房屋如果没有一个坚实可靠的基础，再好的上部结构也不可能正常发挥其作用，甚至可能导致上部结构的破坏与倾斜。5、基础类型的选择往往比上部结构选型更困难。影响因素更多，因此也更要谨慎。高层建筑的基础类型，应根据地基的性质，结构类型，荷载特点，施工条件等因素综合考虑。6、周期折减系数，在高层结构中设置了非结构的砌体填充墙,在结构计算时应考虑其对主体结构的影响。周期的折减应考虑到门窗洞口的设置对周期的影响,不同的结构类型和填充墙的多少也决定了周期折减系数的取值,而不能一概而论。7、振型数目是否足够。阵型数的多少与结构的层数有关,对振型的取值都有较为明确的规定。在新规范中增加一个振型参与系数的概念，并明确提出了该参数的限值。因此,在计算分析阶段,根据规范要求对计算结果进行判断,并决定是否要调整振型数目的取值。
五、结语
总之，高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析，多做方案比较。否者任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。