第4章高层建筑结构的计算分析和设计要求4.1 高层建筑结构的计算分析（1）随着高层的快速发展，层数多，高度大，平面布置和立面体形复杂，结构计算分析越来越重要，采用计算机进行计算分析已成为不可或缺的手段。

（2）计算机技术和结构分析软件的普及，一方面使精度提高，另一方面为准确地了解结构的性能提供了技术手段。

因此，合理地选择计算分析方法，确定计算模型和相关参数，正确使用计算机分析软件，检验和判断计算结果的可靠性等对高层建筑结构至关重要。

4.1.1 结构计算分析方法高层建筑结构应根据不同材料的结构、不同的受力形式和受力阶段，采用相应的计算方法。

主要有（1）线弹性分析方法（2）考虑塑性内力重分布的分析方法（3）非线性分析方法（4）模型试验分析方法。

线弹性分析方法是最基本，也是最成熟的方法，目前大多采用该方法，实践证明，一般情况下该方法可以满足工程精度要求，对复杂的不规则结构或重要的结构，可考虑非线性分析方法和模型实验方法框架梁及连梁等构件可考虑局部塑性引起的内力重分布，如在竖向荷载作用下，对框架梁端负弯矩乘以调幅系数，装配整体式框架取0.7—0.8，现浇式框架取0.8—0.9；抗震设计的框架-剪力墙或剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，折减系数不宜小于0.5。

理论分析、试验研究和工程实践表明，对高层建筑结构的承载能力极限状态和正常使用极限状态，确保结构安全可靠。

4.1.2 结构计算模型（一）计算模型高层建筑结构是复杂的三维空间受力体系，应根据实际选取能较准确地反映结构中各构件的实际受力状况的力学模型。

可选择（1）平面协同工作模型：平面和立面布置简单规则的框架结构、框架-剪力墙结构；（2）空间协同工作模型：（3）空间杆系模型：剪力墙结构、筒体结构和复杂布置的框架结构、框架-剪力墙结构应采用空间分析模型（4）空间杆-薄壁杆系模型（5）空间杆-墙板元模型（6）有限元计算模型。

针对这些力学模型，目前我国均有相应的结构分析软件。

（二）计算假定：（1）楼盖（面）平面内刚度为无限大（2）考虑楼板平面内刚度为简化计算，可视楼（屋）面为水平放置的深梁，具有很大的平面内刚度，可近似认为其平面内为无限刚性。

可使自由度数减小，计算大为简化。

实践证明，对很多高层建筑结构可满足工程精度的要求。

若采用了刚性楼（屋）面板假定，设计上应采取措施保证楼（屋）面的整体刚度。

如结构平面宜简单、规则、对称，平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大；宜采用现浇钢筋混凝土楼板；对局部削弱的楼面，可采取楼板局部加厚、设置边梁、加大楼板配筋等措施。

对（1）楼板有效宽度较窄或有较大开洞搂面、（2）狭长外伸段楼面、（3）局部变窄产生薄弱连接的楼面、（4）连体结构的狭长连接体搂面等，楼板面内刚度有较大的削弱，楼板会产生明显的平面内变形，与刚性楼板假定相差较大，计算时应考虑楼板平面内变形的影响。

考虑楼板平面内的刚度可采用将楼板等效为剪弯水平深梁的简化方法，也可采用有限单元法进行计算。

当需要考虑楼板平面内变形而采用楼板平面内刚度无限刚性的假定时，应将计算结果进行适当调整，一般可对楼板削弱部位的结构构件适当增大内力，加强配筋和构造措施。

（三）构件刚度与变形结构计算时，应考虑下列变形：（1）梁的弯曲、剪切、扭转变形，当考虑楼板平面内变形时，还有轴向变形；（2）柱和墙的弯曲、剪切、轴向和扭转变形。

柱、墙的轴向变形影响显著，计算时应予以考虑。

（3）对层数多的高层建筑，柱、墙轴向变形宜考虑施工过程的影响。

施工过程的模拟可采用适当的方法，如结构刚度和竖向荷载逐层形成、逐层计算的方法，或结构竖向刚度一次形成、竖向荷载逐层施加的计算方法。

（四）计算要求（1）对体形复杂、结构布置复杂。

如结构平面不规则、竖向不规则等，应采用至少两个不同力学模型进行计算分析，相互比较和校核，确保可靠性。

（2）带加强层或转换层、错层结构、连体和立面开洞结构、多塔楼结构等均属复杂高层建筑结构，其竖向刚度变化大、受力复杂、易形成薄弱部位，计算分析应从严要求。

应符合下列要求：1）采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行计算；2）抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算扭转效应，振型数不应小于15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍；3）应采用弹性时程分析法进行补充计算；4）宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。

（3）对受力复杂的结构构件，如复杂的剪力墙、加强层构件、转换层构件、错层构件、连接体及其相关构件等，除整体分析外，尚应按有限元等方法进行局部应力分析，并据此进行截面配筋设计校核。

（4）除选用可靠的结构分析软件外，还应对软件的计算结果从力学概念和工程经验等方面加以分析判断，确认其合理、有效后方可采用。

如对结构整体位移、楼层剪力、振型和位移形态、自振周期、超筋情况等计算结果进行工程经验判断。

4.2 荷载效应和地震作用效应的组合高层建筑结构的荷载效应和地震作用效应的组合表达式如下：（1）无地震作用效应组合时wkwwQkQQGkGSSSSγψγψγ++=（4.2.1）式中S－荷载效应组合的设计值；Gγ、Qγ、wγ—永久荷载、楼面活荷载和风荷载的分项系数；GkS—永久荷载效应标准值；QkS－楼面活荷载效应标准值；Qψ、wψ－楼面活荷载组合值系数和风荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时分别取0.7和0.0；当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或0.7和1.0。

（2）有地震作用效应组合时wkwwEvkEvEhkEhGEGSSSSSγψγγγ+++=（4.2.2）式中S——荷载效应和地震作用效应组合的设计值；GES——重力荷载代表值的效应；EhkS——水平地震作用标准值的效应；Evk S ——竖向地震作用标准值的效应；G γ、w γ、Eh γ、Ev γ——重力荷载、风荷载、水平地震作用、竖向地震作用的分项系数，承载能力计算时按表4.2.2采用，当重力荷载效应对结构承载力有利时，表4.2.2中G γ不应大于1.0；位移计算时，各分项系数均取1.0。

w ψ——风荷载的组合系数，应取0.2。

表4.2.2 有地震作用效应组合时载荷和作用分项系数表4.3 高层建筑结构的设计要求4.3.1 承载力要求非抗震设计时，结构构件截面承载力设计表达式为：R S ≤0γ （4.3.1）式中，0γ——结构重要性系数，对安全等级为一级、二级和三级的结构构件，可分别取1.1，1.0和0.9。

抗震设计时，其设计表达式为/ R S ≤RE γ （4.3.2）式中，RE γ为承载力抗震调整系数，对钢筋混凝土构件，应按表4.3.1的规定采用，当仅考虑竖向地震作用组合时，承载力抗震调整系数均应取为1.0。

从理论上来讲，抗震设计中采用的材料强度设计值应高于非抗震设计时的材料强度设计值。

为了应用方便，在抗震设计中仍采用非抗震设计时的材料强度设计值，而是通过引入承载力抗震调整系数RE γ来提高其承载力。

另外，对轴压比小于0.15的偏心受压柱，因柱的变形能力与梁相近，故其承载力抗震调整系数与梁相同。

4.3.2 水平位移限制和舒适度要求1. 弹性位移验算高层建筑层数多、高度大，应对其层间位移加以控制。

这个控制实际上是对构件截面大小、刚度大小控制的一个相对指标。

为了保证高层结构在多遇地震作用下基本处于弹性受力状态，以及填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件基本完好，应限制结构的层间位移；考虑到层间位移控制是一个宏观的侧向刚度指标，为便于应用，可采用层间最大位移与层高之比△u/h ，即层间位移角θ作为控制指标。

在风荷载或多遇地震作用下，楼层层间最大位移应符合下式要求：h u ][≤e e θ∆ （4.3.3）式中Δu e ——风荷载或多遇地震作用标准值产生的楼层最大的层间弹性位移； h ——计算楼层层高；[θe ] ——弹性层间位移角限值，宜按表4.3.2采用。

表4.3.2 弹性层间位移角限值注意：（1）因变形计算属正常使用极限状态，故在计算弹性位移时，各分项系数均取1.0，钢筋混凝土构件的刚度可采用弹性刚度。

（2）楼层层间最大位移△u 以楼层最大的水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形。

（3）抗震设计时，楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。

（4）当高度> 150m 时，弯曲变形产生的侧移有较快增长，所以超过250m 高度时，层间位移角限值按1/500作为限值。

150~250m 之间的高层建筑按线性插入考虑。

2.弹塑性位移限值和验算震害表明，如果存在薄弱层，结构薄弱部位将产生较大的弹塑性变形，导致结构构件严重破坏甚至引起房屋倒塌。

结构薄弱层（部位）层间弹塑性位移应符合下式要求：h u p ][≤p θ∆ （4.3.4）式中p u ∆——层间弹塑性位移；][p θ——层间弹塑性位移角限值，可按表4.3.3采用；对框架结构，当轴压比小于0.40时，可提高10％；当柱全高的箍筋构造采用比规定的框架柱箍筋最小含箍特征值大30％时，可提高20％，但累计不超过25％。

表4.3.3 层间弹塑性位移角限值][θ（1）7～9度时，楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构；甲类9度抗震设防的乙类建筑结构；采用隔震和消能减震技术的建筑结构均应进行弹塑性变形验算。

（2）竖向不规则高层建筑结构；7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度抗震设防的乙类建筑结构；板柱-剪力墙结构等宜进行弹塑性变形验算：楼层屈服强度系数ξy 按下式计算：ξy =Ｖy /V e （4.3.5） 式中：V y 为按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力；V e 为按罕遇地震作用计算的楼层弹性地震剪力。

（1）弹塑性变形计算的简化方法适用于不超过12层且层侧向刚度无突变的框架结构。

结构的薄弱层或薄弱部位，对楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构，可取底层；对楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层（部位）和相对较小的楼层，一般不超过2~3处。

e p p u u ∆η∆= （4.3.6）y yp y p u u u ∆ξη∆μ∆== （4.3.6b ）式中，p u ∆为层间弹塑性位移；y u ∆为层间屈服位移；μ为楼层延性系数；e u ∆为罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移；p η为弹塑性位移增大系数。

表4.3.4 结构的弹塑性位移增大系数p η（2）弹塑性变形计算的弹塑性分析法当弹塑性变形计算的简化方法不适用时，可采用此方法。

一般可采用的方法有静力弹塑性分析方法（如Push-over 方法）和弹塑性动力时程分析方法。

但由于水平地震作用力模式和本构关系较为复杂，且现有的分析软件还不够完善，计算工作量大，计算结果的整理、分析、判断和使用也都比较复杂，因此，弹塑性分析方法的普遍应用还受到较大的限制。

采用弹塑性动力分析方法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组实际地震波和一组人工模拟的地震波的加速度时程曲线；且地震波持续时间不宜少于12s ，；输入地震波的最大加速度，可按表4.3.5采用。