高层建筑结构设计分析
摘要：本文结合工作实践，对高层建筑结构设计的特点、类型、分析方法等问题进行了分析探讨，具有较强的实用性和价值性，供同行借鉴参考。

关键词：高层建筑；结构设计；特点；结构分析；结构体系；分析方法
中图分类号：[tu208.3] 文献标识码：a 文章编号：
我国的高层建筑在十余年里可谓突飞猛进，其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的。

但是高层建筑结构设计是一门实用性很强的工作，由于设计人员素质及对结构设计的认识等因素，很容易造成大量浪费，推行能实现资源合理分配、利用，节约建筑造价的结构优化设计方法势在必行，也是刻不容缓的。

一、高层建筑结构的特点
结构要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。

一般低层结构的水平荷载对结构影响较小，但在高层建筑中，水平荷载和地震作用是重要因素。

随着高度的增加，位移增加很快，过大的侧移会影响建筑使用，会造成非结构构件和结构构件的损坏。

所以必须将结构的侧移控制在一定的范围之内。

1、水平力是设计主要因素
在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。

而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。

因为建筑自重和楼面使
用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。

另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。

2、抗震设计要求更高
有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。

二、高层建筑结构的分析
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：
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，但是在遭受罕见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，应按弹塑性动力分析方法进行设计。

2、小变形假定
小变形假定也是普遍采用的基本假定。

但有人对几何非线性问题(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。

3、刚性楼板假定
许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。

这一假定大大减少了结构的自由度，简化了计算方法。

并为采用空间薄壁杆件理论提供了便利。

一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。

但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或层数较少等情况，会使楼板变形较大。

特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。

可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

三、高层建筑结构类型
1、框架结构体系
整个结构的纵向和横向全部由框架构件组成的结构成为框架结构。

框架既负担重力荷载又负担水平荷载。

框架结构的优点是建筑平面布置灵活，可提供较大的内部空间。

但由于结构属于柔性结构体系，在水平荷载作用下，强度低，刚度小，水平位移大，在高烈度地震区不宜采用。

目前，主要适用于10~12层左右的商场，办公建筑。

如果过高，就要靠加大梁，柱截面来抵抗水平荷载，从而导致结构的不经济，因此在高层建筑的使用时应该重点考虑。

采用框架结构的高层建筑，框架底层往往出现塑性变形集中现象。

这是因为建筑地面以下基础部分的抗推刚度很大，相对而言，建筑底层的抗推刚度就很小，形成刚度突变。

在遭遇地震时，建筑容易因框架底层的塑性变形集中而导致破坏。

如果在框架的地上一二层采用型钢混凝土，可以减小该处的刚度突变。

2、剪力墙结构体系
剪力墙结构中竖向承重结构全部由一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙组成，剪力墙不仅承受重力荷载作用，而且还要承受风，地震等水平荷载的作用。

同框架结构相比，该结构测向刚度大，侧移小，属于刚性结构体系。

从理论上讲，它可建造上百层的民用建筑（如朝鲜平壤的柳京大厦）；但从技术经济的角度来讲，地震区的剪力墙一般控制在35层，总高110米为宜。

由于剪力墙的间距比较小，一般为3~6米，所以建筑平面布置不够灵活，使用受限制。

3、筒体结构体系
凡采用简体为抗侧力构件的结构体系统称为简体体系，包括单简体、简体一框架、简中简、多束简等多种型式。

简体是一种空间受力构件，分实腹简和空腹简两种类型。

实腹简是由平面或曲面墙围成的二维竖向结构单体，空腹简是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。

简体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

四、结构体系采用的分析方法
1、框架体系
框架结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。

由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。

由于采用的米知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。

框架的计算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。

2.剪力墙体系
剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。

单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。

不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。

剪力墙结构的计算方法是平面有限单元法。

此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用，但因其自由度较多，计算机资源耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支剪力墙的转换层等应力分布复杂的情况。

3、筒体结构
简体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为二类:等效连续化方法、等效离散化方法和二维空间分析。

等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。

一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力;另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的止交异性弹性薄板，
以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。

具体应用有连续化微分方程解法、框简近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。

等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。

这一类方法包括核心简的框架分析法和平面框架结构法等。

具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心简的框架分析法、平面框架结构法。

比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按二维空间结构来分析简体结构体系，其中应用最广的是空间杆一薄壁杆系矩阵位移法。

这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。

空间梁柱每端节点有6个自由度。

核心简或剪力墙的墙肢则采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度，比空间杆增加一个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。

二维空间分析精度较高，但它的未知量较多，计算量较大，在不引人其它假定时，每一楼层的总自由度数为6nc+7nw( nc, nw为柱及墙肢数目)。

通常均引人刚性楼板假定，井假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层总自闻x数降为3(nc+nw)+4，这是目前工程上采用最多的计算模型。

结束语
结构设计是一项对国家建设有重大意义的工作，同时，亦是一门实用性很强的工作。

针对目前按传统设计法造成的大量浪费，推行能实现资源合理分配、利用，节约建筑造价的结构优化设计方法
势在必行，也是刻不容缓的。

于是，概念设计和结构选型就被放在了一个极其重要的地位。

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