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摘要：本文结合高层建筑结构的特点，就高层建筑结构设计中剪力墙、减震结构、结构扭转的限值三个方面所出现的问题进行了分析，并提出了相应的解决对策。
关键词：高层建筑；结构设计；短肢剪力墙；对策
1、前言
作为城市的地标，高层建筑不仅可以为城市创造出美丽的天际线，而且可以带来城市商业交流、经济发展的价值。目前，高层建筑已成为衡量一个国家建筑科学技术水平的重要标志，更是检验一个国家建筑结构技术成熟程度的标尺。但随着高度的增加，高层建筑的技术问题、建筑艺术问题、投资经济问题以及社会效益问题、环境问题等日益变得复杂、严峻，因此需要深入的研究结构设计问题，增强对实践的导向作用。
2、高层建筑结构的特点
高层建筑结构可以设想成为支承在地面上的竖向悬臂构件，承受着竖向荷载和水平荷载的作用。与多层建筑结构相比，高层建筑结构具有其独特的方面。
2.1高层建筑受力和位移特点
（1）高层建筑中水平荷载产生的影响远大于垂直荷载产生的影响，因此，高层建筑结构必须是一个既能抗弯曲又能抗剪切，还能使其地基和基础承受上部传来各种作用力的结构系统。
建筑物抗弯曲要求必须达到三个条件：不会使建筑物发生倾斜；支承体系（柱或墙）的某些部位不致被压碎、压屈或拉断；其弯曲侧移（和剪切侧移的总和）不应超过弹性可恢复极限。
建筑物抗剪切要求必须达到两个条件：不会使建筑物被剪断；其剪切侧移（和弯曲侧移的总和）不应超过弹性可恢复极限。
对地基和基础来说，该建筑结构系统的各支承点之间不应发生过大的不均匀变形，而且其地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力，并不致引起水平滑移。
（2）高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用。竖向荷载在结构的竖向构件中主要产生轴向压力，其数值仅与结构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位移，其数值与结构高度的二次方和四次方成正比。因此，设计高层建筑时，不仅要求结构具有足够的强度，还应具备足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在规定的范围内。
2.2建筑高度与材料用量、工程造价的关系
随着建筑高度的增加，材料用量、工程造价将呈抛物线关系增长，见图1。
图1 荷载、材料与建筑高度的关系
3、高层建筑结构设计问题分析及对策
3.1剪力墙设计存在的问题及对策
复杂截面剪力墙配筋设计一直是结构设计中的一个难题。其原因：（1）混凝土本构关系。各国规范一般采用等效矩形方法计算截面承载力，等效矩形方法根据矩形截面制定的相关规定，不便于直接应用于复杂截面剪力墙正截面承载力计算。（2）截面內力。现行软件一般不支持复杂截面剪力墙整截面内力求取。基于上述两个原因，复杂截面剪力墙配筋设计一直未能得到很好的解决。实际工程中，常采用分段设计方法，将整截面的剪力墙分成几个矩形截面来设计，其安全性、合理性有待研究。
针对上述两个问题，解决方案可以从以下几个方面入手：（1）从混凝土单轴受压本构关系出发，采用一个便于计算承载力的简化单轴受压应力一应变曲线方程。（2）从截面所受到的弹性应力分布出发，直接积分求出复杂截面剪力墙整截面内力，或从复杂截面剪力墙各矩形截面内力出发，叠加求解整截面内力。（3）采用截面应变平截面假定给出对应配筋的设计承载力骨架曲线，求出整截面承载力所需的配筋[2]。
基本思路为：从有限元线弹性模型计算结果的截面应力分布出发，积分求解整截面内力，或直接从复杂截面剪力墙各矩形截面内力出发，叠加求出整截面内力；采用截面应变线性分布的平截面假定，采用简化混凝土和钢筋的本构关系，反求此时的受压区混凝土的应力分布和截面中钢筋的应力。钢筋对截面承载力的贡献可直接求得，混凝土对截面承载力的贡献可采用积分方法求出，求解截面内混凝土和钢筋承载力，即可得到截面承载力。通过截面设计承载力对截面设计内力的包络，得到所需纵筋面积。
3.2耗能减震结构设计
耗能部件应满足下列要求：
（1）耗能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和适当的阻尼；耗能部件附加给结构的有效阻尼比宜大于15%，超过25%时宜按25%计算。
（2）耗能部件应具有足够的初始刚度，并满足下列要求：
速度线性相关型耗能器与斜撑、填充墙或梁组成耗能部件时，该部件在耗能器耗能方向的刚度应符合下式要求：
式中： 为：支承构件在耗能器耗能方向的刚度； 为：耗能器的线性阻尼系数； 为：耗能减震结构的基本自振周期。
耗能器的极限位移应不小于罕遇地震下耗能器最大位移的1.2倍；对于速度相关型耗能器，耗能器的极限速度应不小于地震作用下耗能器最大速度的1.2倍，且应满足当时的承载力要求。
（3）耗能器应具有优良的耐久性能，能长期保持其初始性能；
（4）耗能器构造应简单，施工方便，易维护性好；
（5）耗能器与斜支撑、填充墙、梁或节点的连接，应符合钢构件连接或钢与钢筋混凝土构件连接的构造要求，并能承担耗能器施加给连接节点的最大作用力。
3.3结构扭转的限值
在SATWE计算结果输出中，结构位移输出文件中：Ratio-（X），Ratio-（Y）项为最大位移与层平均位移的比值。周期、地震力与振型输出文件中，扭转系数最大的为 ，扭转系数最小的为 。限制 ，是为了使结构有必要的抗扭刚度，防止由于振动耦联的影响增大结构的扭转效应。
如果不满足规定的第一个比值要求，说明结构平面不规则，调整时应观察SATWE图形文件输出中的结构整体空间振动简图，其中以平动（ ）为主的震动简图中，会发现结构在乎动同时围绕着某个圆心在旋转，靠近圆心处结构刚度较大，远离圆心处（圆周处）结构刚度较小，通过减小圆心处刚度或增大圆周处刚度的办法调整结构平面刚度不均匀。一般情况下调整剪力墙效果最好，比如减小或增大开洞、移动洞13位置以增大墙肢高度，增加或减小墙厚等。同时应有意识的加强刚度变化处结构的连接。最终目的是让结构两个方向的平动振动尽量有较少的扭转成分；如果不满足规定的第二个比值要求，说明结构抗扭刚度较弱，应均匀增加结构的整体刚度，尤其是外围结构的刚度（力臂比较长）[3]。
4、结语
总的来说，高层建筑是科学发展和经济发展的必然产物和重要标志。高层建筑越多，高度越高，所需要解决的城市规划、建筑结构设计、基础工程、建筑材料、运输、消防、空调、电气、施工技术及城市公用设施所需及与之相配合的问题就愈加复杂，没有轻质高强的材料、没有强大可靠的设计分析理论是不可能建起高层建筑的。只有加强结构设计问题的研究，并不断利用新技术解决实践中出现的问题，才能确保高层建筑的社会和投资收益。
参考文献
[1]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2010
[2]孙凯.高层建筑结构设计的问题及对策探讨[J].价值工程，2010（6）
[3]黄琛雄.高层建筑结构设计中常见的几个问题及对策[J].中华建设，2011（9）：12
关键词：高层建筑；结构设计；短肢剪力墙；对策
1、前言
作为城市的地标，高层建筑不仅可以为城市创造出美丽的天际线，而且可以带来城市商业交流、经济发展的价值。目前，高层建筑已成为衡量一个国家建筑科学技术水平的重要标志，更是检验一个国家建筑结构技术成熟程度的标尺。但随着高度的增加，高层建筑的技术问题、建筑艺术问题、投资经济问题以及社会效益问题、环境问题等日益变得复杂、严峻，因此需要深入的研究结构设计问题，增强对实践的导向作用。
2、高层建筑结构的特点
高层建筑结构可以设想成为支承在地面上的竖向悬臂构件，承受着竖向荷载和水平荷载的作用。与多层建筑结构相比，高层建筑结构具有其独特的方面。
2.1高层建筑受力和位移特点
（1）高层建筑中水平荷载产生的影响远大于垂直荷载产生的影响，因此，高层建筑结构必须是一个既能抗弯曲又能抗剪切，还能使其地基和基础承受上部传来各种作用力的结构系统。
建筑物抗弯曲要求必须达到三个条件：不会使建筑物发生倾斜；支承体系（柱或墙）的某些部位不致被压碎、压屈或拉断；其弯曲侧移（和剪切侧移的总和）不应超过弹性可恢复极限。
建筑物抗剪切要求必须达到两个条件：不会使建筑物被剪断；其剪切侧移（和弯曲侧移的总和）不应超过弹性可恢复极限。
对地基和基础来说，该建筑结构系统的各支承点之间不应发生过大的不均匀变形，而且其地基和地下结构应能承受侧向荷载引起的水平剪力，并不致引起水平滑移。
（2）高层建筑中，水平荷载和地震作用对结构设计起着决定性的作用。竖向荷载在结构的竖向构件中主要产生轴向压力，其数值仅与结构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位移，其数值与结构高度的二次方和四次方成正比。因此，设计高层建筑时，不仅要求结构具有足够的强度，还应具备足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在规定的范围内。
2.2建筑高度与材料用量、工程造价的关系
随着建筑高度的增加，材料用量、工程造价将呈抛物线关系增长，见图1。
图1 荷载、材料与建筑高度的关系
3、高层建筑结构设计问题分析及对策
3.1剪力墙设计存在的问题及对策
复杂截面剪力墙配筋设计一直是结构设计中的一个难题。其原因：（1）混凝土本构关系。各国规范一般采用等效矩形方法计算截面承载力，等效矩形方法根据矩形截面制定的相关规定，不便于直接应用于复杂截面剪力墙正截面承载力计算。（2）截面內力。现行软件一般不支持复杂截面剪力墙整截面内力求取。基于上述两个原因，复杂截面剪力墙配筋设计一直未能得到很好的解决。实际工程中，常采用分段设计方法，将整截面的剪力墙分成几个矩形截面来设计，其安全性、合理性有待研究。
针对上述两个问题，解决方案可以从以下几个方面入手：（1）从混凝土单轴受压本构关系出发，采用一个便于计算承载力的简化单轴受压应力一应变曲线方程。（2）从截面所受到的弹性应力分布出发，直接积分求出复杂截面剪力墙整截面内力，或从复杂截面剪力墙各矩形截面内力出发，叠加求解整截面内力。（3）采用截面应变平截面假定给出对应配筋的设计承载力骨架曲线，求出整截面承载力所需的配筋[2]。
基本思路为：从有限元线弹性模型计算结果的截面应力分布出发，积分求解整截面内力，或直接从复杂截面剪力墙各矩形截面内力出发，叠加求出整截面内力；采用截面应变线性分布的平截面假定，采用简化混凝土和钢筋的本构关系，反求此时的受压区混凝土的应力分布和截面中钢筋的应力。钢筋对截面承载力的贡献可直接求得，混凝土对截面承载力的贡献可采用积分方法求出，求解截面内混凝土和钢筋承载力，即可得到截面承载力。通过截面设计承载力对截面设计内力的包络，得到所需纵筋面积。
3.2耗能减震结构设计
耗能部件应满足下列要求：
（1）耗能器应具有足够的吸收和耗散地震能量的能力和适当的阻尼；耗能部件附加给结构的有效阻尼比宜大于15%，超过25%时宜按25%计算。
（2）耗能部件应具有足够的初始刚度，并满足下列要求：
速度线性相关型耗能器与斜撑、填充墙或梁组成耗能部件时，该部件在耗能器耗能方向的刚度应符合下式要求：
式中： 为：支承构件在耗能器耗能方向的刚度； 为：耗能器的线性阻尼系数； 为：耗能减震结构的基本自振周期。
耗能器的极限位移应不小于罕遇地震下耗能器最大位移的1.2倍；对于速度相关型耗能器，耗能器的极限速度应不小于地震作用下耗能器最大速度的1.2倍，且应满足当时的承载力要求。
（3）耗能器应具有优良的耐久性能，能长期保持其初始性能；
（4）耗能器构造应简单，施工方便，易维护性好；
（5）耗能器与斜支撑、填充墙、梁或节点的连接，应符合钢构件连接或钢与钢筋混凝土构件连接的构造要求，并能承担耗能器施加给连接节点的最大作用力。
3.3结构扭转的限值
在SATWE计算结果输出中，结构位移输出文件中：Ratio-（X），Ratio-（Y）项为最大位移与层平均位移的比值。周期、地震力与振型输出文件中，扭转系数最大的为 ，扭转系数最小的为 。限制 ，是为了使结构有必要的抗扭刚度，防止由于振动耦联的影响增大结构的扭转效应。
如果不满足规定的第一个比值要求，说明结构平面不规则，调整时应观察SATWE图形文件输出中的结构整体空间振动简图，其中以平动（ ）为主的震动简图中，会发现结构在乎动同时围绕着某个圆心在旋转，靠近圆心处结构刚度较大，远离圆心处（圆周处）结构刚度较小，通过减小圆心处刚度或增大圆周处刚度的办法调整结构平面刚度不均匀。一般情况下调整剪力墙效果最好，比如减小或增大开洞、移动洞13位置以增大墙肢高度，增加或减小墙厚等。同时应有意识的加强刚度变化处结构的连接。最终目的是让结构两个方向的平动振动尽量有较少的扭转成分；如果不满足规定的第二个比值要求，说明结构抗扭刚度较弱，应均匀增加结构的整体刚度，尤其是外围结构的刚度（力臂比较长）[3]。
4、结语
总的来说，高层建筑是科学发展和经济发展的必然产物和重要标志。高层建筑越多，高度越高，所需要解决的城市规划、建筑结构设计、基础工程、建筑材料、运输、消防、空调、电气、施工技术及城市公用设施所需及与之相配合的问题就愈加复杂，没有轻质高强的材料、没有强大可靠的设计分析理论是不可能建起高层建筑的。只有加强结构设计问题的研究，并不断利用新技术解决实践中出现的问题，才能确保高层建筑的社会和投资收益。
参考文献
[1]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2010
[2]孙凯.高层建筑结构设计的问题及对策探讨[J].价值工程，2010（6）
[3]黄琛雄.高层建筑结构设计中常见的几个问题及对策[J].中华建设，2011（9）：12