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摘要：高层建筑是反映城市经济繁荣和社会进步的重要标志。人们往往将摩天大楼和芝加哥、纽约这样的国际大都市联系在一起，这说明高层建筑对塑造城市社会形象作出了不可磨灭的贡献。从技术层面来看，高层建筑在现代的突飞猛进的建设，得益于力学分析方法和计算技术的发展、结构设计和施工技术的进步以及现代机械和电子技术的贡献。从结构受力特性来看，侧向荷载（风荷载和地震作用）在高层建筑分析和设计中起着重要的作用，特别是在超高层建筑中起到主要作用。因此超高层建筑的结构分析和设计要比一般的中低层建筑复杂得多。本文对高层建筑结构设计中关键问题进行了研究，首先介绍了工程风荷载的特点，之后论述了高层抗侧力体系和抗震理论的发展概况，为相关的工程设计研究工作提供了参考。
关键词：高层建筑；结构设计；关键问题
1风的特性和风洞工程
1.1风的特性
对风荷载的动力性质研究发现，一个高、细而柔的结构可因颤振面对风有很大的动力响应。此反应的动态放大取决于阵风频率与结构自振频率的相关程度，以及阵风大小和建筑物尺寸的相对比例。阵风成紊流的风载突然产生的效应比同样大小的荷载但渐渐作用的效应要大得多。因此风载的强度取决于它变化的快慢也取决于结构的响应。
作用在建筑物不同面积上的局部风载，是确定墙和屋盖单元的强度和刚度以及设计其连接件所必需的。建筑物的局部风载往往比总风载受建筑物表面形状的影响更大。现今幕墙已发展为装饰用部件并成为重要的建筑单元，窗区格的尺寸显著增大，要求玻璃设计为结构单元，承受风引起的力、遮荫和温度变形等各种综合作用。玻璃幕墙，特别是高层建筑的玻璃幕墙，不仅需要抵抗大的力还必需设计成能够适应整个建筑结构的各种变形。因此准确得出建筑物局部风载具有很重要的意义，一般只能通过风洞试验才能获得。
1.2风洞工程简介
风洞试验是一种有效的测量大气边界层范围内风对建筑物作用和获得风动力反应的手段。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称为《高规》）规定有下列情况之一的建筑物，宜进行风洞试验。
（1）高度大于200m；
（2）高度大于150m，且平面形状不规则、立面形状复杂，或立面开洞、连体建筑等；或规程中没有给出体型系数的建筑物。
（3）周围地形和环境复杂，邻近有高层建筑时，宜考虑互相干扰的群体效应，一般可将单个建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，缺乏该系数时宜通过风洞试验得出。
建筑物的风洞试验要求在风洞中能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化，大气紊流纵向分量与建筑物长度尺寸应具有相同的相似常数，一般说来，风洞尺寸达到宽为2-4m、高为2-3m、长为5-30m时可满足要求。风洞中要正确模拟风剖面，要使模型和原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似。风洞试验的模型一般采用刚性压力模型，主要是量测建筑物表面的风压力（吸力），以确定建筑物的风荷载，用于结构和维护构件的设计。建筑模型本身、周围结构模型、以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征如建筑外形、突出部分都应在模型中正确模拟。模型上布置大量测压孔，在孔内安装压力传感器，试验时可量测各部分表面上的局部压力或吸力，传感器输出电信号，通过数据采集仪器自动扫描记录并转换为数字信号，由计算机处理数据，从而得到结构的平均压力和波动压力的量测值，并可得到体型系数。
2抗侧力体系
2.1超静定结构和双重抗侧力体系的概念
静定结构，也就是自由度刚好为零的结构，在地震中只要有一个节点破坏或一个塑性铰出现，结构就会倒塌。抗震结构必须做成超静定结构，因为超静定结构允许有多个屈服点或破坏点。将这个概念引伸，不仅是要设计超静定结构，抗震结构还应该做成具有多道设防的结构，第一道设防结构中的某一部分屈服或破坏只会使结构减少一些超静定次数。例如带有连梁的剪力墙或实腹筒（联肢剪力墙），在第一道设防结构一连梁破坏以后，还会存在一个能够独立抵抗地震作用的结构；又如框架一剪力墙（筒体）、框架一核心筒、筒中筒结构，无论在剪力墙屈服以后（剪力墙刚度退化），或者在框架部分构件屈服以后（框架刚度退化），另一部分抗侧力结构仍然能够发挥较大作用，虽然会发生内力重分布，它们仍然能够共同抵抗地震，多道设防的结构不容易倒塌。
2.2框架一剪力墙和框架一筒体结构设计概念
框架结构体系具有空间大、平面布置灵活、立面处理丰富等优点，但侧向刚度差，抵抗水平荷载能力低，底部层间位移大容易引起非结构性破坏和次生灾害，对抗震不利。剪力墙结构体系则相反，抗侧承载力和刚度均很大，但平面布置欠灵活，不适应大空间的要求。因此，把两种结构体系结合起来，在同一结构单元中同时采用框架和剪力墙结构，共同承受竖向和水平荷载，可以起到取长补短的作用。这种结构体系称为框架一剪力墙结构体系。
3基于性能的抗震设计
3.1基于性能抗震设计的抗震性能目标
抗震性能目标是指在设定的地震地面运动水准下建筑的预期性能水准。地震地面运动一般设定3个水准，如我国抗震规范设定设计基准期50年内超越概率为63%，10%和2%-3%的小震、中震和大震。建筑物的性能水准包括结构性能水准和非结构性能水准的若干种组合。
3.2复杂和超限高层建筑结构的抗震性能目标
建筑物抗震设计的性能目标指某一设定地震地面运动（如在给定年限内超越概率63%、10%和2-3%的小震、中震和大震）下建筑的预期性能水准。建筑物的性能水准包括结构、非结构和建筑附属设施的性能水準的各种组合。
3.3性能水准的判别准则
对各项性能水准，结构的楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，一般应使楼板在地震中基本上处于弹性反应状态，否则，应有合理可靠的结构计算模型并加以论证（包括试验）；为避免混凝土结构构件发生脆性剪切破坏，设计中应控制受剪截面尺寸，满足现行标准对剪压比的限制要求；性能水准中的抗震构造，“基本要求”相当于混凝土结构中的四级抗震等级的构造要求，低、中、高和特种延性要求，可参照混凝土结构中抗震等级的三、二、一和特一级的构造要求。
参考文献：
[1]徐培福.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].土木工程学报，2015，38（1）：11-13.
[2]吕西林.复杂高层建筑结构抗震理论与应用[M].北京：科学出版社，2007.
关键词：高层建筑；结构设计；关键问题
1风的特性和风洞工程
1.1风的特性
对风荷载的动力性质研究发现，一个高、细而柔的结构可因颤振面对风有很大的动力响应。此反应的动态放大取决于阵风频率与结构自振频率的相关程度，以及阵风大小和建筑物尺寸的相对比例。阵风成紊流的风载突然产生的效应比同样大小的荷载但渐渐作用的效应要大得多。因此风载的强度取决于它变化的快慢也取决于结构的响应。
作用在建筑物不同面积上的局部风载，是确定墙和屋盖单元的强度和刚度以及设计其连接件所必需的。建筑物的局部风载往往比总风载受建筑物表面形状的影响更大。现今幕墙已发展为装饰用部件并成为重要的建筑单元，窗区格的尺寸显著增大，要求玻璃设计为结构单元，承受风引起的力、遮荫和温度变形等各种综合作用。玻璃幕墙，特别是高层建筑的玻璃幕墙，不仅需要抵抗大的力还必需设计成能够适应整个建筑结构的各种变形。因此准确得出建筑物局部风载具有很重要的意义，一般只能通过风洞试验才能获得。
1.2风洞工程简介
风洞试验是一种有效的测量大气边界层范围内风对建筑物作用和获得风动力反应的手段。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称为《高规》）规定有下列情况之一的建筑物，宜进行风洞试验。
（1）高度大于200m；
（2）高度大于150m，且平面形状不规则、立面形状复杂，或立面开洞、连体建筑等；或规程中没有给出体型系数的建筑物。
（3）周围地形和环境复杂，邻近有高层建筑时，宜考虑互相干扰的群体效应，一般可将单个建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，缺乏该系数时宜通过风洞试验得出。
建筑物的风洞试验要求在风洞中能实现大气边界层范围内风的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求能模拟风速随高度的变化，大气紊流纵向分量与建筑物长度尺寸应具有相同的相似常数，一般说来，风洞尺寸达到宽为2-4m、高为2-3m、长为5-30m时可满足要求。风洞中要正确模拟风剖面，要使模型和原形的环境风速梯度、紊流强度和紊流频谱在几何上和运动上都相似。风洞试验的模型一般采用刚性压力模型，主要是量测建筑物表面的风压力（吸力），以确定建筑物的风荷载，用于结构和维护构件的设计。建筑模型本身、周围结构模型、以及地形都应与实物几何相似，与风流动有明显关系的特征如建筑外形、突出部分都应在模型中正确模拟。模型上布置大量测压孔，在孔内安装压力传感器，试验时可量测各部分表面上的局部压力或吸力，传感器输出电信号，通过数据采集仪器自动扫描记录并转换为数字信号，由计算机处理数据，从而得到结构的平均压力和波动压力的量测值，并可得到体型系数。
2抗侧力体系
2.1超静定结构和双重抗侧力体系的概念
静定结构，也就是自由度刚好为零的结构，在地震中只要有一个节点破坏或一个塑性铰出现，结构就会倒塌。抗震结构必须做成超静定结构，因为超静定结构允许有多个屈服点或破坏点。将这个概念引伸，不仅是要设计超静定结构，抗震结构还应该做成具有多道设防的结构，第一道设防结构中的某一部分屈服或破坏只会使结构减少一些超静定次数。例如带有连梁的剪力墙或实腹筒（联肢剪力墙），在第一道设防结构一连梁破坏以后，还会存在一个能够独立抵抗地震作用的结构；又如框架一剪力墙（筒体）、框架一核心筒、筒中筒结构，无论在剪力墙屈服以后（剪力墙刚度退化），或者在框架部分构件屈服以后（框架刚度退化），另一部分抗侧力结构仍然能够发挥较大作用，虽然会发生内力重分布，它们仍然能够共同抵抗地震，多道设防的结构不容易倒塌。
2.2框架一剪力墙和框架一筒体结构设计概念
框架结构体系具有空间大、平面布置灵活、立面处理丰富等优点，但侧向刚度差，抵抗水平荷载能力低，底部层间位移大容易引起非结构性破坏和次生灾害，对抗震不利。剪力墙结构体系则相反，抗侧承载力和刚度均很大，但平面布置欠灵活，不适应大空间的要求。因此，把两种结构体系结合起来，在同一结构单元中同时采用框架和剪力墙结构，共同承受竖向和水平荷载，可以起到取长补短的作用。这种结构体系称为框架一剪力墙结构体系。
3基于性能的抗震设计
3.1基于性能抗震设计的抗震性能目标
抗震性能目标是指在设定的地震地面运动水准下建筑的预期性能水准。地震地面运动一般设定3个水准，如我国抗震规范设定设计基准期50年内超越概率为63%，10%和2%-3%的小震、中震和大震。建筑物的性能水准包括结构性能水准和非结构性能水准的若干种组合。
3.2复杂和超限高层建筑结构的抗震性能目标
建筑物抗震设计的性能目标指某一设定地震地面运动（如在给定年限内超越概率63%、10%和2-3%的小震、中震和大震）下建筑的预期性能水准。建筑物的性能水准包括结构、非结构和建筑附属设施的性能水準的各种组合。
3.3性能水准的判别准则
对各项性能水准，结构的楼盖体系必须有足够安全的承载力，以保证结构的整体性，一般应使楼板在地震中基本上处于弹性反应状态，否则，应有合理可靠的结构计算模型并加以论证（包括试验）；为避免混凝土结构构件发生脆性剪切破坏，设计中应控制受剪截面尺寸，满足现行标准对剪压比的限制要求；性能水准中的抗震构造，“基本要求”相当于混凝土结构中的四级抗震等级的构造要求，低、中、高和特种延性要求，可参照混凝土结构中抗震等级的三、二、一和特一级的构造要求。
参考文献：
[1]徐培福.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].土木工程学报，2015，38（1）：11-13.
[2]吕西林.复杂高层建筑结构抗震理论与应用[M].北京：科学出版社，2007.