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摘要：本文就高层建筑各主要结构体系要求、结构设计特点和结构设计分析进行分析。
关键词：高层建筑结构体系；结构设计；结构分析
Abstract: this paper the main structure of the high-rise building system requirements, the structural design features and structure design analysis for analysis.
Keywords: high building structure system; Structure design; Structure analysis
中图分类号： TU318 文献标识码：A 文章编号：
1 高层建筑结构体系要求
高层建筑结构体系选择是结构设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定的作用。因此，高层建筑结构体系应满足如下要求：结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；楼屋盖梁系的布置，应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去；竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。而垂直重力荷载下竖向构件压应力水平接近均匀是最合理优化的结构选择；转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次至多二次转换，即能传递到下部结构的竖向构件上去；整体抗侧力结构必须体系明确，传力直接。结构体系应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力：抗震设计的一个重要原则是结构应具有必要的赘余度和内力重分配的功能，当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用，当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。以达到这样的抗震设防目标。
结构体系宜有多道抗震防线：框架一剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件又是第一道抗震防线。因此，剪力墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50%。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的1.5 倍两者的较小值。
结构体系宜具有合理的刚度：主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑结构设计的重要指标之一。首先，主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体稳定、强度延性的要求，保证高层建筑结构能正常工作，这是高层建筑主体抗侧力结构刚度的下限值，必须满足。但是，总结工程设计经验，高层建筑主体抗侧力结构的刚度不宜过大，应该合理。
2 高层建筑结构设计
2.1 高层建筑结构设计要点
水平荷载在高层建筑结构设计中起控制作用：在多层建筑中控制结构设计的是以重力为代表的竖向荷载，而在高层建筑中，即使重力荷载仍然对结构设计具有重要的影响，但起控制作用的则是水平荷载（风荷载和地震作用）。通常，在竖向荷载作用下，竖向构件中的轴力N随结构高度H呈线性关系增长，而水平荷载作用下的结构底部弯矩M则是随结构高度H的二次方关系而急剧增长。
侧向位移在高层建筑结构设计计算中必须加以限制：随着建筑高度H的增大，水平荷载作用下结构的側向位移急剧增大。结构顶点侧移△与建筑高度H呈四次方的关系。轴向变形在高层建筑的侧移中占有重要的份额：在水平荷载作用下，高层框架的柱轴力较大，由柱子轴向变形产生的侧移也较大，它在高层框架的侧移中往往占有重要的份额，在设计计算中不容忽视，否则就会使侧移的计算结果产生很大的误差。
以一栋三跨12 层的框架结构为例，在水平荷载作用下，柱轴向变形所产生的侧移可以是梁、柱弯曲变形产生侧移的40%，故在顶层最大侧移中，柱轴向变形产生侧移所占的比例相当大。
2.2 结构分析中基本假定
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。下面是常见的一些基本假定：
2.2.1 弹性假定
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。但是在遭受罕遇害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，结构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的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。
2.2.2 小变形假定
小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少学者与研究人员对几何非线性问题（P-△效应） 进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值△/H> 1 /500 时，P- △效应的影响就不能忽视了。
2.2.3 计算图形的假定
高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：
1） 一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定，同一楼面标高处抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。
2） 二维协同分析。二维协同分析虽然仍将抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，同时计算；扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有三个自由度u， v，θ（当考虑楼板翘曲是有四个自由度），楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程，用矩阵位移法求解。二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程序所采用。
3） 三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6 个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，应当有7 个自由度。
3 结语
由于结构设计的过程是设计者的主观能动性发展的过程，同时也是知识和经验高度融合的过程，但是对于每一个设计工作者的知识结构和经验积累都是有差别的。正是由于这种差别的存在，导致了对于选用相同材料和结构体系的同一设计任务都会产生不同的设计方案，本文仅供建筑设计分析参考。
关键词：高层建筑结构体系；结构设计；结构分析
Abstract: this paper the main structure of the high-rise building system requirements, the structural design features and structure design analysis for analysis.
Keywords: high building structure system; Structure design; Structure analysis
中图分类号： TU318 文献标识码：A 文章编号：
1 高层建筑结构体系要求
高层建筑结构体系选择是结构设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定的作用。因此，高层建筑结构体系应满足如下要求：结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；楼屋盖梁系的布置，应尽量使垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去；竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平按近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。而垂直重力荷载下竖向构件压应力水平接近均匀是最合理优化的结构选择；转换结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次至多二次转换，即能传递到下部结构的竖向构件上去；整体抗侧力结构必须体系明确，传力直接。结构体系应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力：抗震设计的一个重要原则是结构应具有必要的赘余度和内力重分配的功能，当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用，当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。以达到这样的抗震设防目标。
结构体系宜有多道抗震防线：框架一剪力墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中剪力墙既是主要抗侧力构件又是第一道抗震防线。因此，剪力墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50%。同时，为承受剪力墙开裂后重分配的地震作用，任一层框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和框架各层地震剪力最大值的1.5 倍两者的较小值。
结构体系宜具有合理的刚度：主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑结构设计的重要指标之一。首先，主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体稳定、强度延性的要求，保证高层建筑结构能正常工作，这是高层建筑主体抗侧力结构刚度的下限值，必须满足。但是，总结工程设计经验，高层建筑主体抗侧力结构的刚度不宜过大，应该合理。
2 高层建筑结构设计
2.1 高层建筑结构设计要点
水平荷载在高层建筑结构设计中起控制作用：在多层建筑中控制结构设计的是以重力为代表的竖向荷载，而在高层建筑中，即使重力荷载仍然对结构设计具有重要的影响，但起控制作用的则是水平荷载（风荷载和地震作用）。通常，在竖向荷载作用下，竖向构件中的轴力N随结构高度H呈线性关系增长，而水平荷载作用下的结构底部弯矩M则是随结构高度H的二次方关系而急剧增长。
侧向位移在高层建筑结构设计计算中必须加以限制：随着建筑高度H的增大，水平荷载作用下结构的側向位移急剧增大。结构顶点侧移△与建筑高度H呈四次方的关系。轴向变形在高层建筑的侧移中占有重要的份额：在水平荷载作用下，高层框架的柱轴力较大，由柱子轴向变形产生的侧移也较大，它在高层框架的侧移中往往占有重要的份额，在设计计算中不容忽视，否则就会使侧移的计算结果产生很大的误差。
以一栋三跨12 层的框架结构为例，在水平荷载作用下，柱轴向变形所产生的侧移可以是梁、柱弯曲变形产生侧移的40%，故在顶层最大侧移中，柱轴向变形产生侧移所占的比例相当大。
2.2 结构分析中基本假定
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。下面是常见的一些基本假定：
2.2.1 弹性假定
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。但是在遭受罕遇害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，结构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的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。
2.2.2 小变形假定
小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少学者与研究人员对几何非线性问题（P-△效应） 进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值△/H> 1 /500 时，P- △效应的影响就不能忽视了。
2.2.3 计算图形的假定
高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：
1） 一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定，同一楼面标高处抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。
2） 二维协同分析。二维协同分析虽然仍将抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，同时计算；扭矩与水平力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有三个自由度u， v，θ（当考虑楼板翘曲是有四个自由度），楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。剪力楼板位移与其对应外力作用的平衡方程，用矩阵位移法求解。二维协同分析主要为中小微型计算机上的杆系结构分析程序所采用。
3） 三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6 个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，应当有7 个自由度。
3 结语
由于结构设计的过程是设计者的主观能动性发展的过程，同时也是知识和经验高度融合的过程，但是对于每一个设计工作者的知识结构和经验积累都是有差别的。正是由于这种差别的存在，导致了对于选用相同材料和结构体系的同一设计任务都会产生不同的设计方案，本文仅供建筑设计分析参考。