摘要：本文圍繞著高層建筑結構，總結了高層建筑結構設計的特點以及提出了高層建筑結構分析和各種體系相對應的方法，為實際高層建筑結構分析與設計提供一定參考。
關鍵詞：高層建筑結構,結構體系,結構分析
近年來，高層建筑越來越多，越來越多的人在設計中遇到高層建筑。掌握高層設計的要點是我們每個結構設計人員所必須的。
經過筆者這些多年來的設計實踐，發現在高層建筑結構設計過程中經常出現一些遺漏或錯誤。為了避免在鋼筋混凝土高層結構設計過程中少犯或不犯這些錯誤，現將這些常常出現的問題總結如下:
1 高層建筑結構設計特點
1.1 水平荷載成為決定因素
因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的1次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的2次方成正比;所以對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。
1.2 軸向變形不容忽視
在高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大;還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整。
1.3 側移成為控制指標
它與較低樓房不同的是，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。
1.4 結構延性是重要設計指標
相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。
2 根據不同類型高層建筑，選擇合理的結構體系
2.1 結構的規則性問題
新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動，新規范在這方面增添了相當多的限制條件，例如:平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規范采用強制性條文明確規定建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。因此，結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。
2.2 結構的超高問題
在抗震規范與高規中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中，出現過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規劃的影響相當巨大。
2.3 嵌固端的設置問題
由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如:嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。
2.4 短肢剪力墻的設置問題
在新規范中，對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據實驗數據和實際經驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。
3 高層建筑結構分析
3.1 高層建筑結構分析的基本假定
高層建筑結構是由豎向抗側力構件(框架、剪力墻、筒體等)通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。要完全精確地按照三維空間結構進行分析是十分困難的。各種實用的分析方法都需要對計算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定。
3.11 彈性假定
目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時，高層建筑結構往往會產生較大的位移，出現裂縫，進入到彈塑性工作階段。
3.12 小變形假定
小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題(PΔ效應)進行了一些研究。一般認為，當頂點水平位移△與建筑物高度H的比值△/H>1/500時，PΔ效應的影響就不能忽視了。
3.13 剛性樓板假定
許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度，簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對于豎向剛度有突變的結構，樓板剛度較小，主要抗側力構件間距過大或是層數較少等情況，樓板變形的影響較大。特別是對結構底部和頂部各層內力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當調整來考慮這種影響。
3.14 計算圖形的假定
高層建筑結構體系整體分析采用的計算圖形主要是三維空間分析。二維協同分析并沒有考慮抗側力構件的公共節點在樓面外的位移協調(豎向位移和轉角的協調)，而且，忽略抗側力構件平面外的剛度和扭轉剛度對具有明顯空間工作性能的簡體結構也是不妥當的。三維空間分析的普通桿單元每一節點有6個自由度，按符拉素夫薄壁桿理論分析的桿端節點還應考慮截面翹曲，有7個自由度。
3.2 高層建筑結構靜力分析方法
3.21 框架一剪力墻結構
框架一剪力墻結構內力與位移計算的方法很多，大都采用連梁連續化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉角相等的位移協調條件，可以建立位移與外荷載之間關系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同。
3.22 剪力墻結構
剪力墻的受力特性與變形狀態主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應力分布也不同，計算內力與位移時需采用相應的計算方法。剪力墻結構的機算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用。
3.23 筒體結構
筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類:等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析，這里主要討論三維空間分析。
等效連續化方法是將結構中的離散桿件作等效連續化處理。一種是只作幾何分布上的連續化，以便用連續函數描述其內力;另一種是作幾何和物理上的連續處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應用分析彈性薄板的各種有效方法。類:等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析，這里主要討論三維空間分析。
比等效連續化和等效離散化更為精確的計算模型是完全按三維空間結構來分析簡體結構體系，其中應用最廣的是空間桿薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結構體系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結構。空間梁柱每端節點有6個自由度。核心筒或剪力墻的墻肢采用符拉索夫薄壁桿件理論分析，每端節點有7個自由度，比空間桿增加一個翹曲自由度，對應的內力是雙彎矩。三維空間分析精度較高，但它的未知量較多，計算量較大，在不引入其它假定時，每一樓層的總自由度數為6NC+7NW(NC、NW為柱及墻肢數目)。通常均引入剛性樓板假定，并假定同一樓面上各薄壁柱的翹曲角相等，這樣每一樓層總自由度數降為3(NC+NW)+4，目前這是工程上采用最多的計算模型。
4 結語
總之，隨著高層建筑規模和型式的不斷發展，追求結構形式新穎、受力合理的目標將是結構設計工作者的目標和方向。作為結構工程師，高層建筑結構設計中應根據實際情況做好結構分析，多做方案比較，加強優化設計的實施，高層建筑的結構設計不僅應保證高層建筑具有足夠的安全性，還應保證結構的經濟性、合理性。
