基于高层建筑结构的设计分析
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摘要：随着城市化发展以及建筑用地的逐渐减少，高层建筑将日益增多。高层建筑的结构设计不仅应保障高层建筑具有足够的安全性，而且还应保障结构的经济性与合理性。该文围绕高层建筑结构，阐述了高层建筑结构设计特点及对结构体系和结构进行了分析，最后指出高层结构建筑的发展方向。
关键词：高层建筑 结构特点 结构体系
1.高层建筑结构设计的意义及特点
高层建筑结构设计的意义在于高层建筑能做到结构功能与外部条件相一致，充分展现先进的设计，发挥结构的功能并取得与经济性的协调，更好地解决构造处理，用概念设计来判断计算设计的合理性。
高层建筑结构设计的特点，就是将高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点有：
水平力是设计主要因素。在低层和多层房屋结构中，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。
侧移成为控制指标。与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
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。
轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安垒的结果。
2.高层建筑结构体系
高层建筑结构体系最重要有两大体系。一是筒体体系，凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。筒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。二是剪力墙体系，当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剪力。框架剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。 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。
3.高层建筑结构分析
高层建筑结构分析的基本假定。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的计算方法。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。但是在遭受地震或强台风作用时，往往会产生较大的位移，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的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。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。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是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。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。
高层建筑结构静力分析方法。框架剪力墙结构。框架剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，由于采用的未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。框架剪力墙的机算方法，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。
剪力墙结构。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。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。剪力墙结构的机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，机时耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。
筒体结构。筒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三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。
4.高层结构建筑的发展方向
当代钢结构为发展高档住宅的主要技术。而作为产钢大国的中国，尽管在北京、上海、天津、湖南、安徽等地建成了一批钢结构的住宅示范试点工程，但较之外国钢结构在建筑领域的普遍推广仍然有着明显的差距。专家认为，这主要是受到我国原料成本与市场需求的制约。根据我国现有的钢结构发展水平，钢结构的建筑每平方米建筑成本在2000元以上，其建筑原料造价要比钢筋混凝土建筑高10%～20%左右。所以对于低层住宅而言，采用传统的钢筋混凝土技术就足以实现标准住宅的要求，良好的性价比也更适宜居民的消费观念和市场的运营模式。但对一些大跨度的高层建筑，如美国的世贸中心、上海的金茂大厦、深圳的地王大厦以及北京的京广中心等，就应该借助钢结构的优越性来摆脱成本造价的桎梏。
钢结构建筑较钢筋混凝土结构在基础造价上可节约30%，房屋面积利用率较混凝土高7%～10%，而且施工工期也可缩短约30%，真正实现了在“金土地”上的价值再创造，此外在一定程度上也使整个建筑产业由劳动粗放型向技术密集型转化，因此钢结构逐渐成为现代高层建筑的新宠儿。
目前很多钢材生产商和房产开发商已经利用钢结构的巨大市场潜力来优化产业结构，树立企业品牌。而国家各项政策的引导和市场的规范化管理更成为了钢结构建筑发展的强心剂。京、浙、沪、鲁等城市对钢结构住宅示范工程的大力推广，标志着我国创新型的绿色建筑已步入了一个新的发展阶段。同时，建筑产业的飞速发展也对我们的钢结构技术提出了更高的要求。因此，打破传统建筑观念，解决钢结构现存的各种问题，扬长避短，更好地发挥其优势，相信，在不远的将来钢结的绿色建筑会成为中国高层建筑的主要潮流。
参考文献：
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