浅谈高层结构设计与抗震
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摘 要：随着现代城市化进程的不断加快，高层建筑群已成为城市空间中的一道亮丽风景线。确保高层建筑的安全与质量已是结构设计中的首要任务，本文从高层建筑结构设计理论、类型、体系等，进行初步的分析并探讨高层建筑的抗震设计。
关键词：分析；类型；假定；防震设计
改革开放以来，中国城市经济快速增长，高层建筑如雨后春笋般拔地而起，散发着独特的魅力。随着科技的进步和技术的提高，新型材料的相继出现，为高层建筑创造了丰富的前提条件。本文就高层建筑的结构设计进行分析，总结了高层建筑的结构类型，最后并分析高层建筑中抗震设计的应用。
一、结构分析
1、轴向变形
在一般的低层建筑结构设计中，设计者只考虑弯矩项，因为轴力项影响范围很小，而剪切项一般可不考虑。但相对于高层建筑结构来说，情况就不同了。由于高层建筑层数多，跨高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变。对连续梁弯矩的影响：采用框架体系和框 － 墙体系的高楼中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩增大。对构件剪力和侧移的影响，与考虑竖向杆件轴向变形的剪力相比较，不考虑竖杆件轴向变形时，各构件水平剪力的平均误差达30% 以上，结构顶点侧移减小一半以上。
2、侧移
高层建筑又与低矮层建筑不同，高层建筑结构设计中结构侧移已成为未来设计中的的关键因素，随着楼层的不断增加，在水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件。
3、结构延性
高层建筑结构在相对与低矮层建筑结构更柔一些，在承受地震作用下的变形更大一些。为了使建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采以恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
4、结构类型
在高层住宅建筑框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架―剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平荷载。框架―剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架―剪力墙体系。
二、结构设计的假定
建筑结构的定义是指各种房屋及其附属的构建筑以前的建筑结构是有若干个构件即组成结构的单元如梁，板，柱等。而现代高层建筑结构是由竖向抗侧力构件，通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系，现代建筑结构设计越来越复杂了，要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。所以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）弹性假定是目前工程实用的高层建筑结构分析方法，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态。但是在遭受地震或台风作用下，高层建筑结构往往产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹性工作阶段，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）小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定，但是不少人对几何非线性问题进行一些研究。一般认为,当顶点水平位移△与建筑物高度 H 的比值△/H>1/1500 时,P- △效应的影响就不能忽视了。
（3）刚性楼板假定，在许多高层建筑结构分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，平面外的刚度侧忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论尖酸简体结构提供了条件。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。对于竖向刚度有突变的架构。楼板刚度比较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少的情况，楼板变形的影响较大，是对结构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的调整来考虑这种影响。
（4）计算图形的假定：高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有 3 种：
①一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。
②二维协同分析。二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，同时计算；扭矩与水平面力同时计算。在引入刚性楼板假定后，每层楼板有3个自由度u，v，θ（当考虑楼板翘曲是有4个自由度），楼面内各抗侧力构件的位移均由这3个自由度确定。建立楼板位移与其对应外力作用的平衡方程，用矩阵位移法求解。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的共用节点在楼面外的位移协调（竖向位移和转角的协调），而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥当的。
③三维协同分析。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。主要在中小微型计算机上计算分析。
三、高层建筑防震设计
在罕遇地震作用下，抗震结构都会部分进入塑性状态。为了满足大震作用下结构的功能要求，有必要研究和计算结构的弹塑性变形能力。当前国内外抗震设计的发展趋势，是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计，结构弹塑性分析成为抗震设计的必要的组成部分。我国现行抗震规范( GB50011－2001) 要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下（小震），按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力及位移。对于重要建筑或有特殊要求时，要用时程分析法补充计算，并进行罕遇地震作用下( 大震) 的变形验算。在我国高层建筑的抗震分析与设计中常见的问题有以下几种：首先是高度问题，对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化，随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。其次是材料选用和结构体系的问题，在高层建筑中，我国150m 以上的建筑，采用的三种主要结构体系( 框 － 筒、筒中筒和框架 － 支撑) ，这些也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外特别在地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90% 。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。根据现在我国建筑钢材的类型、品种和钢结构的加工制造能力，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土（柱）结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。第三是轴压比与短柱问题，在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。柱的塑性变形能力小，则结构的延性就差，当遭遇地震时，耗散和吸收地震能量少，结构容易被破坏。
结语：
随着我国经济高速发展，高层建筑必将出现在越来越多的区域城市，必将是未来住宅与办公的主体。近及年满足高层建筑的形式、材料、力学分析模型都将日趋复杂多元化。而结构设计是一项集结构分析，数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，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。本文就高层建筑结构设计的各个方面进行一些简单的分析，一起有助于提高结构工程师在建筑空间中的设计能力，特别是在处理高层建筑方面的问题上。
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