淺談高層建筑結構

楊 利

隨著經濟和城市建設的高速發展以及人們對高層建筑結構體系的研究日趨完善、施工技術水平的不斷提高，我國高層建筑發展迅速。現在高層、超高層建筑往往被看作一個城市的標志性建筑、國家的經濟實力和科技水平的反映。比如中央電視臺新址，上海金茂大廈等在國內外均產生了一定的影響。因此，設計思想也在不斷更新，結構體系日趨多樣化，建筑平面布置與豎向體型也越來越復雜，這就給高層結構設計和分析提出了更高的要求，目前，高層建筑結構按建筑材料分類主要有三大類:混凝土結構，鋼結構和混合結構。高效、準確的對這些復雜的高層結構體系進行分析、設計與比較，選擇既經濟合理又安全適用的結構體系，已成為我國高層建筑研究領域的重要課題之一。本文介紹了三大結構體系，闡述了高層結構的分析，指出了一些現狀中的問題，并展望了未來高層建筑結構的發展。

1 結構體系概述

目前用于高層建筑結構的主要結構體系有:1)混凝土結構。結構的主要承重受力材料為鋼筋混凝土。它的主要優點是:就地取材，耐久性、耐火性好，整體性好，節約鋼材。常用的結構形式有:框架結構，剪力墻結構，框架剪力墻結構，筒體結構，框筒結構等。但混凝土材料抗拉強度差，自重大，且施工受季節影響大，工程修補困難。2)鋼結構。結構的梁柱及支撐等主要構件均采用鋼材。它的主要優點是:材料強度高，自重輕，有良好的延性。結構構件所占面積少，建設工期短，構件可以循環利用，環境污染少，并且能滿足建筑上大跨度、大空間的要求。常用的高層建筑鋼結構形式有:框架結構，鋼框架—支撐結構，筒體結構及巨型結構等。但鋼結構施工要求嚴格，工程造價高，防腐蝕性、防火性差，并且維護費用也相當高。3)混合結構。指由鋼框架或型鋼混凝土框架與鋼筋混凝土筒體所組成的共同承受水平和豎向作用的高層建筑結構。它充分發揮鋼材和混凝土兩種材料各自優點的合理組合，能大量節約鋼材，降低工程造價，加快施工進度，并減少對環境的污染。常用的高層建筑混合結構形式有:鋼框架—剪力墻結構，鋼框架—核心筒結構等。相當長的時期以來，型鋼混凝土結構只是作為局部采用，如在大跨度梁或框支柱中使用，隨著鋼產量的迅速增加，高層建筑的飛快發展，混合結構已從局部應用發展到主要結構均采用型鋼混凝土。混合結構的綜合經濟指標優于全鋼結構和混凝土結構的綜合經濟指標。

2 高層建筑結構的分析

高層建筑的側移和內力隨著結構高度增加而急劇增加，當高層建筑達到一定高度時，側向位移很大，所以水平荷載產生的側移和內力是確定結構體系、材料用量和造價的決定因素。高層建筑結構的設計是靠剛度支配而不是結構材料的強度，而剛度的大小取決于結構體系。以下就現代高層建筑的結構力學的一些分析方法進行了論述。

高層建筑結構是由豎向抗側力構件(框架、剪力墻、筒體等)通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。要完全精確地按照三維空間結構進行分析是十分困難的。各種實用的分析方法都需要對計算模型引入不同程度的簡化。常見的一些基本假定有:彈性假定、小變形假定、剛性樓板假定、計算圖形的假定等。

高層建筑結構的靜力分析方法主要有:連梁連續化假定、桿系結構矩陣位移法、平面有限單元法、等效連續化方法、等效離散化方法和三維空間分析等。針對不同的結構體系，選擇相應的計算方法。比如剪力墻結構選擇平面有限元法。另外，高層建筑結構彈塑性動力分析方法(亦稱時程法)的研究和應用在我國迅速發展。這種方法是將地震波記錄直接輸入結構，考慮結構的彈塑性性能，依據結構彈塑性恢復特性建立動力方程，用逐步積分法直接求出地震過程中位移、速度和加速度的時程變化，從而能夠描述結構在強震作用下，在彈性和非彈性階段的內力變化，以及結構構件逐步開裂、屈服、損壞直至倒塌的全過程。

3 發展現狀及存在的問題

1)在實際工程中出現了很多規則性很差，體型復雜不利于抗震的高層建筑。例如:首先，結構平面不規則，為了滿足建筑效果，平面存在大的凹入口，樓板平面過于狹長及樓板開洞面積超過樓面面積的30%，造成樓板有較大的削弱，樓板水平地震力的傳遞不連續等不利影響。其次，結構豎向不規則，帶有較大范圍的錯層，錯層剪力墻結構使剪力墻形成錯層洞，導致結構剛度不規則，對結構抗震都有不利影響。尤其對平面不規則和扭轉效應顯著的錯層結構破壞特別嚴重。另外由于樓板錯層，使得錯層交接處形成豎向短墻肢，可能在同向受力中因錯層構件剛度大而產生內力集中，不利于抗震。因此，應盡量避免采用不規則的結構，并采取有效可靠的抗震加強措施。2)軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大;還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整;另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。3)目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時，高層建筑結構往往會產生較大的位移，出現裂縫，進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內力和位移時不能反映結構的真實工作狀態，應按彈塑性動力分析方法進行設計。4)從理論上講，高層建筑結構彈塑性動力分析方法有不少優點，如能夠發現結構的薄弱環節，對結構的變形、延性的分析比較符合實際，預計的破壞形態與實際震害比較接近等。但這種方法的前提條件與實際較難符合，如需要擬建場地實際強震記錄，實際上很難收集到。目前對采用時程法仍有不同看法，要采用大型高速計算機，典型地震波本身不一定代表要發生的真正地震，因此在研究時程法的同時，一些簡化的近似方法也應加以進一步研究。

4 高層建筑的發展趨勢

高層建筑可以更好地緩解大城市人口不斷增長的壓力，也是國家經濟發展的重要指標，它的高速發展是必然的。隨著環保和低碳節能意識的不斷加強，人們對于自然力有了更深刻的認識，新型材料、新型結構體系和設計理念的高層建筑正展現出自己強大的生命力。由于高度不斷增高，原有的框架，剪力墻，框架剪力墻體系已經不能滿足超高層建筑結構的需要，筒體結構，巨型結構及混合結構體系等越來越多的應用到工程中，并表現出各自獨特的優勢。建筑結構必然向著更高、更合理有效的受力體系和更經濟的滿足使用功能需要等方向發展。未來的高層、超高層建筑可能并不是越來越復雜的結構形式，反而可能是結構工程師們盡量用最簡單的方法來實現復雜和具體的使用目標。追求新的結構形式和更加合理的力學模型將是結構工程師們的目標和方向。

[1] JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] 鄭延銀.高層建筑鋼結構[M].北京:中國建筑工業出版社，2000.

[3] 賈紅艷.高層建筑為生活帶來的巨大改變[J].山西建筑，2008，34(22):64-65.