摘要:本文通過分析高層建筑的現狀，總結了高層建筑結構的設計特點，并簡要論述了現有的各種結構體系及其優缺點，最后探討了高層建筑的分析方法，從而進一步完善高層建筑結構設計，促進高層建筑的發展。
　　關鍵詞:高層建筑；建筑結構體系；分析方法；剪力墻結構
　　0引言
　　現代高層建筑起源于美國，已有100多年的歷史，美國的高層建筑在質量、層數及數量上一直居于世界領先地位，其中代表建筑是1931年建成的紐約帝國大廈(高381m，102層)、1972年建成的紐約世界貿易中心姊妹樓(417m和415m，110層)和1974年建成的芝加哥西爾斯大廈(412m,110層)。近幾年來，亞洲國家和地區的高層建筑發展非常迅速，而且廣泛采用新的結構體系和建筑形式，逐步成為世界建造高層建筑的新重心。其中日本、中東、馬來西亞、新加坡、泰國是高層建筑發展迅速的國家。
　　我國高層建筑起源于20世紀初的上海，近年來國內的高層建筑以極為迅速的態勢在各地鋪開，高度及層數不斷突破。據統計，我國高層建筑在數量上已超過萬棟，高層建筑的類型涉及住宅、旅館、辦公、金融、商業綜合樓等多種類型。到目前為止，層數達30層～60層，高度為120m～200m的高層建筑已經聳立在全國各個大、中城市，我國最高的101層492m的上海環球金融中心已經建成。
　　1高層建筑結構的設計特點
　　高層建筑與普通建筑或低層建筑相比有很大差別，不僅僅表現在體量上的差別，它們之間最主要的差別在于以下方面：對于低層建筑來說，它們所受的外部作用主要是以重力為代表的豎向荷載。因此，設計低層建筑結構時，最主要的控制目標是結構的強度。另外，由于低層建筑對其結構體系的空間工作性能要求很低，所以低層建筑所采用的結構體系主要是平面結構。然而，在高層建筑中，結構處于豎向荷載和水平荷載的共同作用下工作。隨著建筑物高度的增加，高寬比的加大，盡管豎向荷載對結構設計仍產生重要影響，但水平荷載對結構產生的內力愈來愈大，將成為結構設計時的主要控制因素，起著決定性的作用，成為確定結構體系的關鍵性因素。因此，結構的設計是由水平荷載控制的。在水平荷載中，地震作用是動力作用，而風力作用則包含靜力作用和動力作用。高層建筑對風的動力作用比較敏感，風振作用成為結構分析中不容忽視的因素。在地震區，高層建筑往往受地震作用控制，所以計算地震對結構的動力反應是高層建筑分析的重要內容。
　　2高層建筑的結構體系
　　1)框架結構體系。從結構體系上看，早期多采用框架結構。由于它平面布置靈活，空間大，能適應較多功能的需要，因此成為高層建筑的主要結構形式。但是，框架結構的側向剛度較小，在一般節點連接情況下，當承受側向的風力或地震作用時，將會有較大的變形。因此，限制了這種結構形式的建造高度和層數。
　　2)剪力墻結構體系。為了滿足更高層數的要求，結合住宅、公寓和賓館對單開間的需求，出現了較高層數的剪力墻結構。剪力墻結構具有良好的側向剛度和規整的平面布置，按照功能要求，設置自下而上的現澆鋼筋混凝土剪力墻，對抵抗側向風力和地震作用是十分有利的，因此，它允許建造的高度遠遠高于框架結構。
　　剪力墻結構的不足之處在于，平面布置的靈活性較差，使用上也受到一定限制。因此，它的適用范圍較小，僅適用于住宅、公寓和賓館等建筑。目前全國各地的大量高層住宅建筑，絕大多數均采用剪力墻結構。
　　3)框架——剪力墻結構體系。建筑功能要求有較大的靈活性，但同時又能滿足風和地震作用的考驗，取框架和剪力墻結構兩者之長，形成框架——剪力墻結構。框架結構具有布置靈活的優點，而剪力墻結構具有良好的抗側力能力，結合后的結構體系可滿足一般建筑功能要求，在適當位置設置一定數量的剪力墻，既是建筑布置需要，又是結構抗側力需要。因此，框架——剪力墻結構體系的適用范圍和適應的高度較寬，是一種較好的結構體系，已廣泛應用。
　　4)筒體結構。筒體結構是近年來發展起來的新體系，它的出現滿足了高層建筑更高層數的要求，包括單筒體、筒體——框架、筒中筒、多束筒等多種形式。筒體結構具有很好的整體性和抗側力性能，在平面布置和滿足功能要求方面也有明顯的優勢，為眾多高層和超高層建筑結構所采用。
　　3高層建筑結構的分析方法
　　1)基于常微分方程求解器的分析方法。
　　對高層建筑結構分析,現在國內外學者已經開發研制了相當有效的常微分方程求解器(ordinarydeferentialequationsolver)，功能很強，尤其自適應求解，可以滿足用戶預先對解答精度所指定的誤差限。我國清華大學包世華教授和袁駟教授在高層建筑結構分析中應用此方法，解決了高層建筑結構考慮樓板變形時靜力計算、動力計算和穩定計算。這些問題若完全用離散化方法求解，其計算量都極其巨大，用微分方程求解器法求解，因其方程組數目少，顯示出極大的優越性，在高層建筑結構分析中成功地運用此方法，具有獨到之處。
　　2)基于有限條法和樣條函數法的分析方法。
　　在高層建筑中，經常會遇到幾何形狀和物理特性沿高度方向比較規則的情況，這樣的結構體系采用有限條法很有效。有限條法只需沿著某些方向采用簡單多項式，其他方向則為連續、可微且事先滿足條端邊界條件的級數。在采用有限條法時，合理地選擇結構計算模型，等效連續體的物理常數和條元的位移函數是提高精度、簡化計算的三個關鍵。
　　樣條函數是分段多項式的一種，與一般有限單元法相比，它的位移模式曲線擬合度好、連續性及通用性強，系數矩陣稀疏、計算量小，且具有緊湊、收斂、完備和穩定等方面特征。因此，計算結果與試驗結果吻合良好，不失為一種較好的方法，在高層建筑中得到了應用。
　　3)基于分區廣義變分原理與分區混合有限元的分析方法。
　　有限元，特別是雜交元和非協調元的發展，促進了分區廣義變分原理的研究。清華大學龍馭球教授在分區混合廣義變分原理基礎上提出了分區混合有限元法。它將彈性體分成勢能區和余能區，勢能區采用位移單元，以節點位移為基本未知量；余能區采用應力單元，以應力函數作為基本未知量，而區交界面通過引入附加的能量項在積分意義下滿足位移和力的連續條件，從而保證了收斂性，最后通過取總能量泛函為駐值建立分區混合有限元法基本方程。
　　4)高層建筑結構彈塑性動力分析方法。
　　從1978年以來，高層建筑結構彈塑性動力分析(亦稱時程法)的研究和應用在我國迅速發展。這種方法是將地震波記錄直接輸入結構，考慮結構的彈塑性性能，依據結構彈塑性恢復特性建立動力方程，用逐步積分法直接求出地震過程中位移、速度和加速度的時程變化，從而能夠描述結構在強震作用下，在彈性和非彈性階段的內力變化，以及結構構件逐步開裂、屈服、損壞直至倒塌的全過程。
　　從理論上講，這種方法有不少優點，如能夠發現結構的薄弱環節，對結構的變形、延性的分析比較符合實際，預計的破壞形態與實際震害比較接近等。
　　5)基于最優化理論的結構分析方法。
　　結構最優化設計是把數學上最優化理論結合計算機技術應用于結構設計的一種新型設計方法。它的出現，使設計者能從被動的分析、檢驗而進入主動“設計”。因而對于一定的空間要求高層建筑結構的優化設計應以最小重量產生最大剛度，框架剪力墻結構中剪力墻的最優數量和最優布置是優化設計在高層建筑結構中應用的一個課題。
　　4結語
　　隨著高層建筑的進一步發展，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。