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【摘 要】 高层建筑越来越多，建筑类型与功能越来越复杂，结构体系更加多样化，高层建筑的结构设计也成为结构工程师设计工作的主要重点和难点。根据以往的实践经验，为实际高层建筑结构分析与设计提供一定参考。
【关键词】 高层建筑；结构；设计要点
【中图分类号】 TU208.3 【文献标识码】 B 【文章编号】 1727-5123（2013）06-086-01
高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量口渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势，应该把高层建筑的结构设计放在首位加以探讨研究。
1 高层建筑结构设计特点
1.1 水平荷载成为结构设计的决定性因素。高层建筑自身重量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，与建筑物高度是成正比关系的；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引起的轴力，是与建筑物高度的二次方成正比；此外，对某一定高度建筑物而言，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，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
1.2 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，会得出偏于不安全的结果。
1.3 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。
1.4 结构延性是高层建筑的重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构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取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
2 高层结构的均匀对称布置
对于实际工程中理想的绝对均匀对称的高层建筑结构几乎是不存在的，但是结构的均匀对称有利于结构的抗震抗风，有利于结构在重力荷载下正常工作，它是一个好的高层建筑结构设计的重要标志。①结构的对称性。结构的对称性内含于建筑之中，它主要指的是高层建筑中抗侧力的上体结构的对称。对称的建筑如平向对称的筒体框架结构、筒中筒结构、筒体结构、框剪结构、剪力墙结构、框架结构等，一般比较容易实现结构的利称性。对于不对称的建筑如平面形状复杂的L型、T型等高层建筑，楼电梯间偏于平面一侧或一角的高层建筑等，内含结构的基本对称仍是有可能实现的，这主要取决于结构工程师结合建筑平面的功能和需要进行合理的结构布。如筒体、剪力墙的合理布置，可以设法调整结构的刚心与建筑物质心、平面的形心尽量接近，从而实现结构的基本对成。对于结构的较大不对称，将引起结构在水平侧力作用下产生较大的扭转变形，不利于结构抗侧力，不利于非结构构件如填充墙的正常工作，同时要招致结构耗材、成本的较大增加。所以高层建筑的主体结构对称性十分重要，要注意不可能条件下尽量予以满足，这点在建筑平而布置中尤需特别加以注意。 ②结构的均匀性。从工程实践表明，对于高层建筑结构的均匀性书要体现在以下四个方面：高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较接近、变形特性比较相近：这是因为实际的高层建筑结构都是三维空间的，实际的地震荷载、风荷载具有任意的方向性；高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，就能具有比较良好的抗震抗风性能。高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀、不要突变。这里主要是指主体结构的层剪切刚度不要突变。这种均匀的高层建筑结构可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏，尤以强震区的高层建筑结构需特别注意。③高层建筑主体抗侧力结构的平面布置还应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀，保证主体结构具有较好的抗扭刚度，以避免高层建筑物在地震或风的扭矩作用下产生过大的扭转变形而引起结构或非结构构件的破坏。这是因为实际的建筑平面变化无穷，特别是相邻未来建筑的影响，即使自身对称的建筑，风荷载仍会产生较大的扭矩，有时将超出设计控制的范围。④对于竖向构件的布置。应尽量使竖向构件在垂直荷载作用下的压应力水平接近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。这点同样可以应用于基础设汁，要注意使基础反力水平接近、刚度均匀。当然竖向构件在垂直荷载下压应力水平（即轴压比：竖向构件组合设计压应力与该构件截面混凝土设计强度之比）绝对的一致是不可能的，但是竖向构件在垂直荷载下压应力水平就已经有较大差异的高层结构显然是不合理的。因为压应力的二次转移是以楼屋盖梁板变形协调传递为代价的，势必要使楼屋盖梁板产生一定的附加二次内应力从而增加其用钢量和断面，造成材料的浪费和造价的增加。
3 高层建筑结构的抗震设计
3.1 要尽量减少地震能量输入。积极采用基于位移的结构抗震设计，要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。
3.2 应积极推广使用隔震和消能减震设计。目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”，即适当控制结构物的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施，改变结构的动力特性，减少地震能量输入，减轻结构地震反应，是一种很有前途的防震措施。提高结构阻尼，采用高延性构件，能够提高结构的耗能能力，减轻地震作用，减小楼层地震剪力。随着社会的不断发展，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高， 地震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来建筑结构中将得到越来越广泛应用。
3.3 应设置多道抗震防线。当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡后续地震的冲击，使建筑物免于倒塌。高层结构形式应采用具有联肢、多肢及壁式框架的框架剪力墙，剪力墙框架简体，筒中筒等多道抗震防线结构体系。需要强调的是设计不能陷入只凭计算的误区，若结构严重不规则，整体性差，仅按目前的结构设计计算水平，是难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。因此，要求建筑师与结构工程师共同把好初步设计这一环节。
总之，高层建筑是城市空间的元素，优秀的高层建筑并不是排斥城市空间的明星建筑而是能一个创造人性的场所，又融入文脉的关系，不去破坏城市空间的和谐。优秀的高层建筑要考虑使用者的需要，以城市的公众利益为追求的目标。我们必须在高层和城市的发展中取得平衡，才能创造出更好的城市景观和适合人们生活的环境，才能沿着可持续发展的道理健康地发展下去！
【关键词】 高层建筑；结构；设计要点
【中图分类号】 TU208.3 【文献标识码】 B 【文章编号】 1727-5123（2013）06-086-01
高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量口渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。面对如此形势，应该把高层建筑的结构设计放在首位加以探讨研究。
1 高层建筑结构设计特点
1.1 水平荷载成为结构设计的决定性因素。高层建筑自身重量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，与建筑物高度是成正比关系的；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引起的轴力，是与建筑物高度的二次方成正比；此外，对某一定高度建筑物而言，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，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
1.2 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，会得出偏于不安全的结果。
1.3 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。
1.4 结构延性是高层建筑的重要设计指标。相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构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取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
2 高层结构的均匀对称布置
对于实际工程中理想的绝对均匀对称的高层建筑结构几乎是不存在的，但是结构的均匀对称有利于结构的抗震抗风，有利于结构在重力荷载下正常工作，它是一个好的高层建筑结构设计的重要标志。①结构的对称性。结构的对称性内含于建筑之中，它主要指的是高层建筑中抗侧力的上体结构的对称。对称的建筑如平向对称的筒体框架结构、筒中筒结构、筒体结构、框剪结构、剪力墙结构、框架结构等，一般比较容易实现结构的利称性。对于不对称的建筑如平面形状复杂的L型、T型等高层建筑，楼电梯间偏于平面一侧或一角的高层建筑等，内含结构的基本对称仍是有可能实现的，这主要取决于结构工程师结合建筑平面的功能和需要进行合理的结构布。如筒体、剪力墙的合理布置，可以设法调整结构的刚心与建筑物质心、平面的形心尽量接近，从而实现结构的基本对成。对于结构的较大不对称，将引起结构在水平侧力作用下产生较大的扭转变形，不利于结构抗侧力，不利于非结构构件如填充墙的正常工作，同时要招致结构耗材、成本的较大增加。所以高层建筑的主体结构对称性十分重要，要注意不可能条件下尽量予以满足，这点在建筑平而布置中尤需特别加以注意。 ②结构的均匀性。从工程实践表明，对于高层建筑结构的均匀性书要体现在以下四个方面：高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较接近、变形特性比较相近：这是因为实际的高层建筑结构都是三维空间的，实际的地震荷载、风荷载具有任意的方向性；高层建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，就能具有比较良好的抗震抗风性能。高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀、不要突变。这里主要是指主体结构的层剪切刚度不要突变。这种均匀的高层建筑结构可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏，尤以强震区的高层建筑结构需特别注意。③高层建筑主体抗侧力结构的平面布置还应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀，保证主体结构具有较好的抗扭刚度，以避免高层建筑物在地震或风的扭矩作用下产生过大的扭转变形而引起结构或非结构构件的破坏。这是因为实际的建筑平面变化无穷，特别是相邻未来建筑的影响，即使自身对称的建筑，风荷载仍会产生较大的扭矩，有时将超出设计控制的范围。④对于竖向构件的布置。应尽量使竖向构件在垂直荷载作用下的压应力水平接近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。这点同样可以应用于基础设汁，要注意使基础反力水平接近、刚度均匀。当然竖向构件在垂直荷载下压应力水平（即轴压比：竖向构件组合设计压应力与该构件截面混凝土设计强度之比）绝对的一致是不可能的，但是竖向构件在垂直荷载下压应力水平就已经有较大差异的高层结构显然是不合理的。因为压应力的二次转移是以楼屋盖梁板变形协调传递为代价的，势必要使楼屋盖梁板产生一定的附加二次内应力从而增加其用钢量和断面，造成材料的浪费和造价的增加。
3 高层建筑结构的抗震设计
3.1 要尽量减少地震能量输入。积极采用基于位移的结构抗震设计，要求进行定量分析，使结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求。除了验算构件的承载力外，要控制结构在大震作用下的层间位移角限值或位移延性比；根据构件变形与结构位移关系，确定构件的变形值；并根据截面达到的应变大小及应变分布，确定构件的构造要求。选择坚硬的场地土建造高层建筑，可以明显减少地震能量输入减轻破坏程度。
3.2 应积极推广使用隔震和消能减震设计。目前我国和世界各国普遍采用的传统抗震结构体系是“延性结构体系”，即适当控制结构物的刚度，但容许结构构件在地震时进入非弹性状态，并具有较大的延性，以消耗地震能量，减轻地震反应，使结构物“裂而不倒”。采取软垫隔震、滑移隔震、摆动隔震、悬吊隔震等措施，改变结构的动力特性，减少地震能量输入，减轻结构地震反应，是一种很有前途的防震措施。提高结构阻尼，采用高延性构件，能够提高结构的耗能能力，减轻地震作用，减小楼层地震剪力。随着社会的不断发展，对各种建筑物和构筑物的抗震减震要求越来越高， 地震控制体系具有传统抗震体系所难以比拟的优越性，在未来建筑结构中将得到越来越广泛应用。
3.3 应设置多道抗震防线。当第一道防线的构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线能抵挡后续地震的冲击，使建筑物免于倒塌。高层结构形式应采用具有联肢、多肢及壁式框架的框架剪力墙，剪力墙框架简体，筒中筒等多道抗震防线结构体系。需要强调的是设计不能陷入只凭计算的误区，若结构严重不规则，整体性差，仅按目前的结构设计计算水平，是难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。因此，要求建筑师与结构工程师共同把好初步设计这一环节。
总之，高层建筑是城市空间的元素，优秀的高层建筑并不是排斥城市空间的明星建筑而是能一个创造人性的场所，又融入文脉的关系，不去破坏城市空间的和谐。优秀的高层建筑要考虑使用者的需要，以城市的公众利益为追求的目标。我们必须在高层和城市的发展中取得平衡，才能创造出更好的城市景观和适合人们生活的环境，才能沿着可持续发展的道理健康地发展下去！