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摘要:文中列出了高层建筑结构特点，分析了高层建筑结构的受力与变形，并对结构设计要点进行了浅要阐述，是对多年工作的理论和经验总结，仅供参考。
关键词:高层建筑；结构设计；受力与变形；结构经济性； P-Δ效应
1高层建筑结构分析
高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、 剪力墙、 筒体等)通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定。
小变形假定:小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性(P－Δ效应)进行了一些研究。一般认为,当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H>1/500时,P－Δ效应的影响就不能忽视。
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。 但当收到遭受地震或强台风作用时,高层建筑结构往往会产生较大的位移,出现裂缝。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。这一假定大大减少了结构位移的自由度,简化了计算方法。 并为采用空间薄壁杆件计算筒体结构提供了条件。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种:一维协同分析。 按一维协同分析时,只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。 在水平力作用下,将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。 根据刚性楼板假定,同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等,由此即可建立一维协同的基本方程。 在扭矩作用下,则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。二维协同分析。 二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构,但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。 纵横两方向的抗侧力构件共同工作,同时计算;扭矩与水平力同时计算。 在引入刚性楼板假定后,每层楼板有三个自由度u,v,θ(当考虑楼板翘曲是有四个自由度),楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。三维空间分析, 三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度, 按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲,有7个自由度。
2高层建筑结构的受力与变形
2.1在高层建筑中,首先,在竖向荷载作用下,各楼层竖向荷载所产生的框架柱轴力为:边柱N=wlH/2h,中柱N=wlH/h,即框架柱的軸力和建筑结构的层数成正比;边柱轴力比中柱小,基本上与其受荷面积成正比。 就是说,由各楼层竖向荷载所产生的累积效应很大,建筑物层数越多,底层柱轴力越大;顶、底层柱轴力差异越大;中柱、边柱轴力差异也越大。
其次,在水平荷载作用下,作为整体受力分析,如果将高层建筑结构简化为一根竖向悬臂梁,那么由其底部产生的倾复弯矩为:水平均布荷载Mmax=qH2/2,倒三角形水平荷载Mmax=Qh3/3,即结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比。 就是说,建筑结构的高度越大,由水平作用对结构产生的弯矩就越大,较竖向荷载对结构所产生的累积效应增加越快,其产生的结构内力占总结构内力的比重越大,从而成为高层结构强度设计的主要控制因素。
2.2在竖向荷载作用下,高层建筑结构的变形主要是竖向构件的压缩变形。由于各竖向构件的应力大小不同,因而其压缩变形大小也不同。 在钢筋混凝土结构中,由于在施工过程中的找平,同时由于各竖向构件的基底轴力大小不同,若不对基底应力进行调整,也可能导致基础产生不均匀沉降。在水平荷载作用下,高层建筑结构最大的顶点位移为:水平均布荷载△max=qH4/8EI,倒三角形水平荷载△max=11qH4/120EI,式中EI为结构,从以上可看出,结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。
3 高层建筑结构的设计要点
（一）轴向形变不容忽视
通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变轴向变形的影响在高层建筑结构分析中应当考虑，但是，结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的 特别是，占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，轴向压缩变形已在施工过程中分阶段完成，并在各楼层标高处找平，实际上并不完全类似于以上分析的情况所以，在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，不能简单的按一次加载考虑，否则会出现一些不合理的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力; 上层框架梁出现过大弯矩和剪力等 另外，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大
（二）侧移成为控制指称
与低层建筑不同，结构侧移己成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大，结构顶点侧移与建筑高度H的四次方成正比。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力; 还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件，这是因为高楼的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：
1 使用人员的正常工作与生活 当高楼在阵风作用下发生振动的频率f为一定值时，结构振动加速度a与结构侧移幅值 A成正比： a=A（2π f ） 因而控制侧移幅值的大小成为保证高楼良好的居住和工作条件的关键因素
2 过大的侧向变形会使隔墙 围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，此外，也会使电梯因轨道变形而不能正常运行
3 高楼的重心位置较高，过大的侧向变形将使结构因P-Δ效应而产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物倒塌
（三）结构延性是高层建筑设计重要性质
延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示 对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混
凝土出现裂缝，表现出非弹性变形 然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏 从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，是构件的破坏过程 在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质是钢筋砼受弯构件的M －Δ（Φ ）曲线，Δy是屈服变形，Δu是极限变形 提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力 高层建筑相对低层结构而言，结构设计更柔一些，如果遇到地震，震动作用下的建筑结构变形更大一些 为了做好防震设计，避免倒塌，建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，特别需要在构造上采以适当的设计，确保建筑设计具有很好的延性
4结语
我国的高层建筑在十余年里可谓突飞猛进，其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的。而目前的工程设计领域中，设计人员忙于应付大量的具体工作，往往不够重视结构经济性问题，造成不必要的浪费。高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析,多做方案比较，从当今经济现状和发展趋势出发，建立一个宏观的合理的结构设计理念。
参考文献：
[1]钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（JGJ3-91）[S].北京：中国建筑工业出版社，1991
[2]赵西安。现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社，2004.
[3]于险峰。高层建筑结构设计特点及其体系[J].建筑技术，2009（24）.
关键词:高层建筑；结构设计；受力与变形；结构经济性； P-Δ效应
1高层建筑结构分析
高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、 剪力墙、 筒体等)通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定。
小变形假定:小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性(P－Δ效应)进行了一些研究。一般认为,当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H>1/500时,P－Δ效应的影响就不能忽视。
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。 但当收到遭受地震或强台风作用时,高层建筑结构往往会产生较大的位移,出现裂缝。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。这一假定大大减少了结构位移的自由度,简化了计算方法。 并为采用空间薄壁杆件计算筒体结构提供了条件。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种:一维协同分析。 按一维协同分析时,只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。 在水平力作用下,将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。 根据刚性楼板假定,同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等,由此即可建立一维协同的基本方程。 在扭矩作用下,则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。二维协同分析。 二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构,但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。 纵横两方向的抗侧力构件共同工作,同时计算;扭矩与水平力同时计算。 在引入刚性楼板假定后,每层楼板有三个自由度u,v,θ(当考虑楼板翘曲是有四个自由度),楼面内各抗侧力构件的位移均由这三个自由度确定。三维空间分析, 三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度, 按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲,有7个自由度。
2高层建筑结构的受力与变形
2.1在高层建筑中,首先,在竖向荷载作用下,各楼层竖向荷载所产生的框架柱轴力为:边柱N=wlH/2h,中柱N=wlH/h,即框架柱的軸力和建筑结构的层数成正比;边柱轴力比中柱小,基本上与其受荷面积成正比。 就是说,由各楼层竖向荷载所产生的累积效应很大,建筑物层数越多,底层柱轴力越大;顶、底层柱轴力差异越大;中柱、边柱轴力差异也越大。
其次,在水平荷载作用下,作为整体受力分析,如果将高层建筑结构简化为一根竖向悬臂梁,那么由其底部产生的倾复弯矩为:水平均布荷载Mmax=qH2/2,倒三角形水平荷载Mmax=Qh3/3,即结构底部产生的倾复弯矩与楼层总高度的平方成正比。 就是说,建筑结构的高度越大,由水平作用对结构产生的弯矩就越大,较竖向荷载对结构所产生的累积效应增加越快,其产生的结构内力占总结构内力的比重越大,从而成为高层结构强度设计的主要控制因素。
2.2在竖向荷载作用下,高层建筑结构的变形主要是竖向构件的压缩变形。由于各竖向构件的应力大小不同,因而其压缩变形大小也不同。 在钢筋混凝土结构中,由于在施工过程中的找平,同时由于各竖向构件的基底轴力大小不同,若不对基底应力进行调整,也可能导致基础产生不均匀沉降。在水平荷载作用下,高层建筑结构最大的顶点位移为:水平均布荷载△max=qH4/8EI,倒三角形水平荷载△max=11qH4/120EI,式中EI为结构,从以上可看出,结构顶点位移与其总高度的四次方成正比。水平荷载作用下所引起的结构内力及侧移是高层建筑结构设计的主要控制因素。
3 高层建筑结构的设计要点
（一）轴向形变不容忽视
通常在低层建筑结构分析中，只考虑弯矩项，因为轴力项影响很小，而剪切项一般可不考虑。但对于高层建筑结构，情况就不同了由于层数多，高度大，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使高层建筑结构的内力数值与分布产生显著的改变轴向变形的影响在高层建筑结构分析中应当考虑，但是，结构所受的竖向荷载并不是在结构完成之后一次施加的 特别是，占竖向荷载绝大部分的结构自重是在施工过程中逐层施加的，轴向压缩变形已在施工过程中分阶段完成，并在各楼层标高处找平，实际上并不完全类似于以上分析的情况所以，在考虑轴向变形时，要考虑施工过程中分层施加竖向荷载这一因素，不能简单的按一次加载考虑，否则会出现一些不合理的计算结果，如邻近剪力墙和筒体的上层框架柱，在竖向荷载作用下出现拉力; 上层框架梁出现过大弯矩和剪力等 另外，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大
（二）侧移成为控制指称
与低层建筑不同，结构侧移己成为高层建筑结构设计中的关键因素，随着楼层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大，结构顶点侧移与建筑高度H的四次方成正比。设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的内力; 还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保证良好的居住和工作条件，这是因为高楼的使用功能和安全，与结构侧移的大小密切相关：
1 使用人员的正常工作与生活 当高楼在阵风作用下发生振动的频率f为一定值时，结构振动加速度a与结构侧移幅值 A成正比： a=A（2π f ） 因而控制侧移幅值的大小成为保证高楼良好的居住和工作条件的关键因素
2 过大的侧向变形会使隔墙 围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，此外，也会使电梯因轨道变形而不能正常运行
3 高楼的重心位置较高，过大的侧向变形将使结构因P-Δ效应而产生较大的附加应力，甚至因侧移与应力的恶性循环导致建筑物倒塌
（三）结构延性是高层建筑设计重要性质
延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示 对于受弯构件来说，随着荷载增加，首先受拉区混
凝土出现裂缝，表现出非弹性变形 然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏 从受拉钢筋屈服到压区混凝土压碎，是构件的破坏过程 在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质是钢筋砼受弯构件的M －Δ（Φ ）曲线，Δy是屈服变形，Δu是极限变形 提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗倒塌能力 高层建筑相对低层结构而言，结构设计更柔一些，如果遇到地震，震动作用下的建筑结构变形更大一些 为了做好防震设计，避免倒塌，建筑在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，特别需要在构造上采以适当的设计，确保建筑设计具有很好的延性
4结语
我国的高层建筑在十余年里可谓突飞猛进，其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的。而目前的工程设计领域中，设计人员忙于应付大量的具体工作，往往不够重视结构经济性问题，造成不必要的浪费。高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析,多做方案比较，从当今经济现状和发展趋势出发，建立一个宏观的合理的结构设计理念。
参考文献：
[1]钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（JGJ3-91）[S].北京：中国建筑工业出版社，1991
[2]赵西安。现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社，2004.
[3]于险峰。高层建筑结构设计特点及其体系[J].建筑技术，2009（24）.