试析高层建筑结构分析方法及特点
摘 要：随着社会经济的迅速发展和建筑功能的多样化，城市人口的不断增多及建设用地日趋紧张和城市规划的需要，促使高层建筑得以快速发展。因此，重视建筑结构的设计，及时发现问题并采取措施解决，在建筑活动中具有重要的作用。
关键词：高层建筑;结构设计;结构特点
一、高层建筑结构分析方法及常见问题
1.各类结构体系采用的分析方法
①框架一剪力墙体系
框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。框架一剪力墙的机算方法，通常是将结构转化为等效壁式框架，采用杆系结构矩阵位移法求解。
②剪力墙体系
剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，计算机资源耗费较大，目前一般只用于特殊开洞墙、框支剪力墙的转换层等应力分布复杂的情况。
③筒体结构
筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类:等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力;另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。具体应用有连续化微分方程解法、框筒近似解法、拟壳法、能量法、有限单元法、有限条法等。等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。具体应用包括等代角柱法、展开平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子结构法。
2.我国高层建筑抗震分析中常见问题
①材料的选用和结构体系问题
在高层建筑中，建议尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构或钢结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。在超过一定高度后，为减小风振，钢骨(钢管)混凝土通常作为首选。在钢骨混凝土构件中，日本阪神地震震害说明，采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的热轧型钢或焊接工字钢的，则震害要减小许多。
②在某些烈度区采用了较低的抗震措施与构造措施
对于“小震不坏，中震可修，大震不倒”这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上，与外国相比，也有异同，其中的8度区，我国就明显不如外国严格。随着社会财富的增长，结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而有人主张结构在设防烈度下应该采用弹性设计，特别是高烈度区要有严格的抗震措施与抗震构造措施来保证结构的安全。
二、高层建筑结构的特点
结构既要承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能力。随着高度的增加，位移增加很快。但是过大的侧移会使人感觉不舒服，从而影响使用，会造成非结构构件和结构构件的损坏。所以必须将结构的侧移控制在一定的范围之内。
1980年以前，高层建筑基本上是钢筋混凝土三大常规抗侧力体系:框架结构，剪力墙结构和框架剪力墙结构，它们的共同特点是以平面框架或平面剪力墙作为基本抗侧力结构单元，多方向(纵向、横向、斜向)组成空间受力结构。80年代后，随着人们对建筑功能要求的提高，平面布置和竖向体系日益复杂，而且层数增多，高度加大，以及设防烈度提高，常规的抗侧力体系往往难满足要求，于是以空间整体受力为特征的筒体结构便得到了广泛的采用，在建和已建的100米以上的高层建筑中，采用筒体结构的占80%。最近几年，一些更新颖的结构形式己经得到应用。这些结构体系都从整体受力为特点，而且能更好地满足动能要求。在高层建筑的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种材料。
1.水平荷载是决定因素
首先，对具有一定高度的高层建筑来说,虽然，竖向荷载大体上是定值,但是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发生较大幅度变化的。其次，水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖构件中引起的轴力,却与楼房高度的两次方成正比，但是，楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值,仅与楼房高度的一次方成正比。
2.不可忽视轴向变形
在竖向荷载作用下, 边、角柱压缩变形相对较小，而中柱承担的楼板面积大,轴向力大,压缩变形大。在高层建筑中, 柱中较大的轴向变形是由于竖向荷载数值大而引起的,并且还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,跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大。同时，由于这一作用还会对预制构件的下料长度产生影响,因此，在实际的操作中，要根据轴向变形计算值,对下料长度进行调整。
3.把侧移作为控制指标
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。因此，结构侧移已成为目前高层建筑结构设计中的关键因素。
4.结构抗震性与延性
“小震不坏、大震不倒”是高层建筑抗震设计所要遵循的基本原则。高层建筑结构的抗震设计,在考虑到常规设计中的竖向荷载、风荷载外,还必须考虑到地震载荷。为了使结构在地震中避免整体性倒塌,就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。
5.减轻高层建筑的自重
如果高层建筑重量大了,不仅会造成作用于结构上的地震剪力大了,而且还会由于重心高，地震作用倾覆力矩大的缘故从而对竖向构件产生很大的附加轴力,从而造成附加弯矩更大。由于地震效应与建筑的重量成正比,减轻房屋自重也是提高结构抗震能力的好办法。减轻房屋自重是能够在同样地基或桩基下能在不增加基础造价和处理措施的情况下,可以多建层数,这在软弱土层有突出的经济效益。
三、高层建筑结构设计应注意的问题
1.地基与基础设计
地基基础是整个工程造价的决定性因素，该阶段设计过程的好坏将会直接影响到后期设计工作的进行，而且出现在这一阶段的问题,有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。所以，结构工程师一直是比较重视地基与基础的设计。但是，由于我国占地面积较广,地质条件相当复杂,在地基基础设计中界定一定的标准，实施一定的规范也是有难度的。现行的《地基基础设计规范》无法对全国各地的地基基础做详细的描述和规定,因此,在国家标准之下还需建立能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确的地方标准，从而尽量避免因地基问题二造成的对整个结构设计或后期设计工作产生较大影响的问题出现。
2.高层建筑结构受力性能
建筑物底面对建筑物空间形式的竖向稳定和水平方向的稳定是非常重要的，在一个建筑物方案设计之初，建筑师着重考虑的是它的空间组成特点，而并非是其详细的结构。因为建筑物的结构必须能将它本身的重量传至地面，况且结构的荷载总是向下作用于地面的，所以建筑设计的一个基本要求就是要搞清楚所选择的体系中向下的作用力与地基土的承载力之间的关系。鉴于以上原因，建筑设计师在建筑设计方案的起始阶段，就必须对主要的承重柱和承重墙的数量和分布给出总体的规划和设想。
3.提倡节约
目前，国家提倡的是建立节约型的发展社会，实行可持续发展战略。同样，在建筑工程中，我们也要遵循这一原则。按照我国规范标准建设的大楼还是能进入国际市场的，外国大企业在北京买按我国规范设计的大楼就是很好的证明。但是，从实际状况来看，由于一些原材料和技术方面的原因，目前我国规范中的构造要求,并非都比外国低，有的已经超过。鉴于目前客观形势的,国家经济实力增强和住宅制度改革现状等诸多方面的因素,我们可以将现行设计可靠度水平适当提高一点,这样投入也不大,但对国家总体和长远利益有利。
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