高层建筑结构设计与分析

　　摘要:本文通过分析高层建筑的现状，总结了高层建筑结构的设计特点，并简要论述了现有的各种结构体系及其优缺点，最后探讨了高层建筑的分析方法，从而进一步完善高层建筑结构设计，促进高层建筑的发展。
　　关键词:高层建筑；建筑结构体系；分析方法；剪力墙结构
　　0引言
　　现代高层建筑起源于美国，已有100多年的历史，美国的高层建筑在质量、层数及数量上一直居于世界领先地位，其中代表建筑是1931年建成的纽约帝国大厦(高381m，102层)、1972年建成的纽约世界贸易中心姊妹楼(417m和415m，110层)和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦(412m,110层)。近几年来，亚洲国家和地区的高层建筑发展非常迅速，而且广泛采用新的结构体系和建筑形式，逐步成为世界建造高层建筑的新重心。其中日本、中东、马来西亚、新加坡、泰国是高层建筑发展迅速的国家。
　　我国高层建筑起源于20世纪初的上海，近年来国内的高层建筑以极为迅速的态势在各地铺开，高度及层数不断突破。据统计，我国高层建筑在数量上已超过万栋，高层建筑的类型涉及住宅、旅馆、办公、金融、商业综合楼等多种类型。到目前为止，层数达30层～60层，高度为120m～200m的高层建筑已经耸立在全国各个大、中城市，我国最高的101层492m的上海环球金融中心已经建成。
　　1高层建筑结构的设计特点
　　高层建筑与普通建筑或低层建筑相比有很大差别，不仅仅表现在体量上的差别，它们之间最主要的差别在于以下方面：对于低层建筑来说，它们所受的外部作用主要是以重力为代表的竖向荷载。因此，设计低层建筑结构时，最主要的控制目标是结构的强度。另外，由于低层建筑对其结构体系的空间工作性能要求很低，所以低层建筑所采用的结构体系主要是平面结构。然而，在高层建筑中，结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作。随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响，但水平荷载对结构产生的内力愈来愈大，将成为结构设计时的主要控制因素，起着决定性的作用，成为确定结构体系的关键性因素。因此，结构的设计是由水平荷载控制的。在水平荷载中，地震作用是动力作用，而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感，风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区，高层建筑往往受地震作用控制，所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。
　　2高层建筑的结构体系
　　1)框架结构体系。从结构体系上看，早期多采用框架结构。由于它平面布置灵活，空间大，能适应较多功能的需要，因此成为高层建筑的主要结构形式。但是，框架结构的侧向刚度较小，在一般节点连接情况下，当承受侧向的风力或地震作用时，将会有较大的变形。因此，限制了这种结构形式的建造高度和层数。
　　2)剪力墙结构体系。为了满足更高层数的要求，结合住宅、公寓和宾馆对单开间的需求，出现了较高层数的剪力墙结构。剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，按照功能要求，设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙，对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的，因此，它允许建造的高度远远高于框架结构。
　　剪力墙结构的不足之处在于，平面布置的灵活性较差，使用上也受到一定限制。因此，它的适用范围较小，仅适用于住宅、公寓和宾馆等建筑。目前全国各地的大量高层住宅建筑，绝大多数均采用剪力墙结构。
　　3)框架——剪力墙结构体系。建筑功能要求有较大的灵活性，但同时又能满足风和地震作用的考验，取框架和剪力墙结构两者之长，形成框架——剪力墙结构。框架结构具有布置灵活的优点，而剪力墙结构具有良好的抗侧力能力，结合后的结构体系可满足一般建筑功能要求，在适当位置设置一定数量的剪力墙，既是建筑布置需要，又是结构抗侧力需要。因此，框架——剪力墙结构体系的适用范围和适应的高度较宽，是一种较好的结构体系，已广泛应用。
　　4)筒体结构。筒体结构是近年来发展起来的新体系，它的出现满足了高层建筑更高层数的要求，包括单筒体、筒体——框架、筒中筒、多束筒等多种形式。筒体结构具有很好的整体性和抗侧力性能，在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势，为众多高层和超高层建筑结构所采用。
　　3高层建筑结构的分析方法
　　1)基于常微分方程求解器的分析方法。
　　对高层建筑结构分析,现在国内外学者已经开发研制了相当有效的常微分方程求解器(ordinarydeferentialequationsolver)，功能很强，尤其自适应求解，可以满足用户预先对解答精度所指定的误差限。我国清华大学包世华教授和袁驷教授在高层建筑结构分析中应用此方法，解决了高层建筑结构考虑楼板变形时静力计算、动力计算和稳定计算。这些问题若完全用离散化方法求解，其计算量都极其巨大，用微分方程求解器法求解，因其方程组数目少，显示出极大的优越性，在高层建筑结构分析中成功地运用此方法，具有独到之处。
　　2)基于有限条法和样条函数法的分析方法。
　　在高层建筑中，经常会遇到几何形状和物理特性沿高度方向比较规则的情况，这样的结构体系采用有限条法很有效。有限条法只需沿着某些方向采用简单多项式，其他方向则为连续、可微且事先满足条端边界条件的级数。在采用有限条法时，合理地选择结构计算模型，等效连续体的物理常数和条元的位移函数是提高精度、简化计算的三个关键。
　　样条函数是分段多项式的一种，与一般有限单元法相比，它的位移模式曲线拟合度好、连续性及通用性强，系数矩阵稀疏、计算量小，且具有紧凑、收敛、完备和稳定等方面特征。因此，计算结果与试验结果吻合良好，不失为一种较好的方法，在高层建筑中得到了应用。
　　3)基于分区广义变分原理与分区混合有限元的分析方法。
　　有限元，特别是杂交元和非协调元的发展，促进了分区广义变分原理的研究。清华大学龙驭球教授在分区混合广义变分原理基础上提出了分区混合有限元法。它将弹性体分成势能区和余能区，势能区采用位移单元，以节点位移为基本未知量；余能区采用应力单元，以应力函数作为基本未知量，而区交界面通过引入附加的能量项在积分意义下满足位移和力的连续条件，从而保证了收敛性，最后通过取总能量泛函为驻值建立分区混合有限元法基本方程。
　　4)高层建筑结构弹塑性动力分析方法。
　　从1978年以来，高层建筑结构弹塑性动力分析(亦称时程法)的研究和应用在我国迅速发展。这种方法是将地震波记录直接输入结构，考虑结构的弹塑性性能，依据结构弹塑性恢复特性建立动力方程，用逐步积分法直接求出地震过程中位移、速度和加速度的时程变化，从而能够描述结构在强震作用下，在弹性和非弹性阶段的内力变化，以及结构构件逐步开裂、屈服、损坏直至倒塌的全过程。
　　从理论上讲，这种方法有不少优点，如能够发现结构的薄弱环节，对结构的变形、延性的分析比较符合实际，预计的破坏形态与实际震害比较接近等。
　　5)基于最优化理论的结构分析方法。
　　结构最优化设计是把数学上最优化理论结合计算机技术应用于结构设计的一种新型设计方法。它的出现，使设计者能从被动的分析、检验而进入主动“设计”。因而对于一定的空间要求高层建筑结构的优化设计应以最小重量产生最大刚度，框架剪力墙结构中剪力墙的最优数量和最优布置是优化设计在高层建筑结构中应用的一个课题。
　　4结语
　　随着高层建筑的进一步发展，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，为了革新高层建筑，体现其魅力追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向。