摘要：本文圍繞高層建筑結構，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分析方法。為實際高層建筑結構分析與設計提供一定的參考。
　　關鍵詞：高層建筑，結構，設計，協同工作
　　1．協同工作與結構體系
　　協同工作的概念廣泛存在于設計中，我們均不希望建筑在未達設計壽命時，由于某些構件出現破壞而導致整個建筑功能受到影響甚至破壞。協同工作的概念是要求結構內部各構件相互配合，共同工作。這不僅要求結構構件能共同受力，還要求能相互配合共同達到最大承載能力，并且都有良好的耐久性。
　　協同工作體現在基礎與上部結構的關系上，必須視基礎與上部結構為一個有機整體，不能把兩者分開處理。如磚混結構，必須依靠圈梁和構造柱將上部結構與基礎連成整體，而不能單純依靠基礎剛度來抵御不均勻沉降，所有圈梁和構造柱的設置，必須圍繞這個中心。
　　協同工作還在于當結構受力時，結構中各構件能同時達到較高的應力水平。在多高層結構設計時，應盡量避免短柱。其目的是使同層各柱在相同水平位移時，能同時達到最大承載能力。但隨著建筑物高度不斷增大，巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來越大，從而造成高層建筑底部數層出現大量短柱。為了避免這種現象，對大截面柱，可以通過提高混凝土標號、采用HRB400縱筋、增加芯柱等來控制軸壓比，以減小柱截面避免短柱的出現。這樣就使同層抗側力結構在相近的水平位移下，達到最大水平承載力。
　　對于梁的跨高比，長、短梁在同一榀框架中并存，也是不利的。短跨梁在水平力作用下，剪力很大，梁端正、負彎矩也很大，其配筋由水平力決定，豎向荷載基本不起作用，甚至梁端正彎矩鋼筋會出現超筋現象。同時梁剪力增大，使柱的軸力增大，這是不符合協同工作原理的。
　　多高層結構設計目的還要能抵抗水平力作用，防止扭轉。為有效的抵抗水平力作用，平面上兩個正交方向的尺寸宜盡量接近，保證這兩個方向上慣性矩相等，防止一個方向剛度過大，另一方向較弱，因此，抗側力構件（柱、剪力墻）宜設置在四周，以增大整體抗側剛度及抗扭慣性矩，并加大梁或樓層的剛度，使柱或剪力墻能承擔較大的整體彎矩。在扭轉發生時，各柱節點水平位移不等，距扭轉中心較遠的角柱剪力很大，中柱剪力較小，破壞由外向里。為防止結構扭轉，抗側力構件應對稱布置，宜設在結構兩端，緊靠四周設置，以增大抗扭慣性矩。
　　因此，高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過程中作用很大；在水平力作用下，角柱軸力變化幅度很大，這樣就勢必要求角柱有較大的變形能力。由于角柱上述作用，角柱設計時在承載力和變形能力上都應有較多考慮，如加大配箍，采用密排箍筋柱等。
　　在高層建筑結構設計中，柱軸壓比的限值是結構師經常面臨的實際問題，隨著建筑高度增加，結構下部柱截面增大，而柱縱向鋼筋卻為構造配筋，即使用高強混凝土柱截面也不會明顯降低。實際上，柱的軸壓比大小，反映柱的塑性變形能力，而柱變形能力影響結構的延性�；炷�土基本理論指出：混凝土構件的彎曲變形能力主要取決于截面相對受壓區高度和受壓區邊緣混凝土的極限變形能力。相對受壓區高度取決于軸壓比、配筋等，混凝土極限變形能力取決于箍筋的約束程度。為了增大柱在地震作用下的變形能力，控制柱的軸壓比和改善配箍有同樣的意義。
　　2、高層建筑結構設計特點
　�。�1）水平荷載成為決定因素。一方面，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，僅與樓房高度的一次方成正比；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，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，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。
　�。�2）軸向變形不容忽視。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；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。
　�。�3）側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，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。
　　（4）結構延性是重要設計指標。高層結構在水平力作用下的變形大，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。
　　3、高層建筑的結構體系
　�。�1）框架－剪力墻體系。當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置剪力墻來代替部分框架，便形成了框架－剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。在體系中框架體系主要承受豎向荷載，剪力墻主要承受水平剪力�？蚣埽�剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置，增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架－剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。
　　（2）剪力墻體系。當受力主體結構全部由剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的豎向荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系，能建高度大于框架或框架－剪力墻體系。
　　（3）筒體體系。凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，包括單筒體、筒體－框架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。筒體體系具有較大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。
　　4．高層建筑結構靜力分析方法
　�。�1）框架－剪力墻結構
　　框架－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。
　　框架－剪力墻的機算方法，通常是將結構轉化為等效壁式框架，采用桿系結構矩陣位移法求解。
　�。�2）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。但因其自由度較多，機時耗費較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應力分布復雜的情況。
　�。�3）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。
　　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。具體應用有連續化微分方程解法、框筒近似解法、擬殼法、能量法、有限單元法、有限條法等。
　　等效離散化方法是將連續的墻體離散為等效的桿件，以便應用適合桿系結構的方法來分析。這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子結構法等。具體應用包括等代角柱法、展開平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子結構法。
　　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筒體結構體系，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�？臻g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，這是目前工程上采用最多的計算模型。
　　5、結論
　　隨著高層建筑進一步的發展，滿足高層建筑的形式，材料，力學分析模型都將日趨復雜多元，為了革新高層建筑，體現其魅力，追求新的結構形式和更加合理的力學模型將是土木工程師們的目標和方向。
　　參考文獻
　　[1]梅洪元,付本臣.中國高層建筑創作理論發展研究,高層建筑與智能建筑國際學術研討會,2002.
　　[2]覃力,高層建筑設計的一種傾向--大規模高層建筑的集群化和城市化,高層建筑與智能建筑國際學術研討會,2002