摘要:本文通過分析高層建筑的現(xiàn)狀，總結(jié)了高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要論述了現(xiàn)有的各種結(jié)構(gòu)體系及其優(yōu)缺點(diǎn)，最后探討了高層建筑的分析方法，從而進(jìn)一步完善高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，促進(jìn)高層建筑的發(fā)展。
　　關(guān)鍵詞:高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)體系；分析方法；剪力墻結(jié)構(gòu)
　　0引言
　　現(xiàn)代高層建筑起源于美國(guó)，已有100多年的歷史，美國(guó)的高層建筑在質(zhì)量、層數(shù)及數(shù)量上一直居于世界領(lǐng)先地位，其中代表建筑是1931年建成的紐約帝國(guó)大廈(高381m，102層)、1972年建成的紐約世界貿(mào)易中心姊妹樓(417m和415m，110層)和1974年建成的芝加哥西爾斯大廈(412m,110層)。近幾年來，亞洲國(guó)家和地區(qū)的高層建筑發(fā)展非常迅速，而且廣泛采用新的結(jié)構(gòu)體系和建筑形式，逐步成為世界建造高層建筑的新重心。其中日本、中東、馬來西亞、新加坡、泰國(guó)是高層建筑發(fā)展迅速的國(guó)家。
　　我國(guó)高層建筑起源于20世紀(jì)初的上海，近年來國(guó)內(nèi)的高層建筑以極為迅速的態(tài)勢(shì)在各地鋪開，高度及層數(shù)不斷突破。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高層建筑在數(shù)量上已超過萬(wàn)棟，高層建筑的類型涉及住宅、旅館、辦公、金融、商業(yè)綜合樓等多種類型。到目前為止，層數(shù)達(dá)30層～60層，高度為120m～200m的高層建筑已經(jīng)聳立在全國(guó)各個(gè)大、中城市，我國(guó)最高的101層492m的上海環(huán)球金融中心已經(jīng)建成。
　　1高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
　　高層建筑與普通建筑或低層建筑相比有很大差別，不僅僅表現(xiàn)在體量上的差別，它們之間最主要的差別在于以下方面：對(duì)于低層建筑來說，它們所受的外部作用主要是以重力為代表的豎向荷載。因此，設(shè)計(jì)低層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，最主要的控制目標(biāo)是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。另外，由于低層建筑對(duì)其結(jié)構(gòu)體系的空間工作性能要求很低，所以低層建筑所采用的結(jié)構(gòu)體系主要是平面結(jié)構(gòu)。然而，在高層建筑中，結(jié)構(gòu)處于豎向荷載和水平荷載的共同作用下工作。隨著建筑物高度的增加，高寬比的加大，盡管豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍產(chǎn)生重要影響，但水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力愈來愈大，將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的主要控制因素，起著決定性的作用，成為確定結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵性因素。因此，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是由水平荷載控制的。在水平荷載中，地震作用是動(dòng)力作用，而風(fēng)力作用則包含靜力作用和動(dòng)力作用。高層建筑對(duì)風(fēng)的動(dòng)力作用比較敏感，風(fēng)振作用成為結(jié)構(gòu)分析中不容忽視的因素。在地震區(qū)，高層建筑往往受地震作用控制，所以計(jì)算地震對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)是高層建筑分析的重要內(nèi)容。
　　2高層建筑的結(jié)構(gòu)體系
　　1)框架結(jié)構(gòu)體系。從結(jié)構(gòu)體系上看，早期多采用框架結(jié)構(gòu)。由于它平面布置靈活，空間大，能適應(yīng)較多功能的需要，因此成為高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，在一般節(jié)點(diǎn)連接情況下，當(dāng)承受側(cè)向的風(fēng)力或地震作用時(shí)，將會(huì)有較大的變形。因此，限制了這種結(jié)構(gòu)形式的建造高度和層數(shù)。
　　2)剪力墻結(jié)構(gòu)體系。為了滿足更高層數(shù)的要求，結(jié)合住宅、公寓和賓館對(duì)單開間的需求，出現(xiàn)了較高層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的側(cè)向剛度和規(guī)整的平面布置，按照功能要求，設(shè)置自下而上的現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，對(duì)抵抗側(cè)向風(fēng)力和地震作用是十分有利的，因此，它允許建造的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于框架結(jié)構(gòu)。
　　剪力墻結(jié)構(gòu)的不足之處在于，平面布置的靈活性較差，使用上也受到一定限制。因此，它的適用范圍較小，僅適用于住宅、公寓和賓館等建筑。目前全國(guó)各地的大量高層住宅建筑，絕大多數(shù)均采用剪力墻結(jié)構(gòu)。
　　3)框架——剪力墻結(jié)構(gòu)體系。建筑功能要求有較大的靈活性，但同時(shí)又能滿足風(fēng)和地震作用的考驗(yàn)，取框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩者之長(zhǎng)，形成框架——剪力墻結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)具有布置靈活的優(yōu)點(diǎn)，而剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)力能力，結(jié)合后的結(jié)構(gòu)體系可滿足一般建筑功能要求，在適當(dāng)位置設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻，既是建筑布置需要，又是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力需要。因此，框架——剪力墻結(jié)構(gòu)體系的適用范圍和適應(yīng)的高度較寬，是一種較好的結(jié)構(gòu)體系，已廣泛應(yīng)用。
　　4)筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的新體系，它的出現(xiàn)滿足了高層建筑更高層數(shù)的要求，包括單筒體、筒體——框架、筒中筒、多束筒等多種形式。筒體結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和抗側(cè)力性能，在平面布置和滿足功能要求方面也有明顯的優(yōu)勢(shì)，為眾多高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)所采用。
　　3高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法
　　1)基于常微分方程求解器的分析方法。
　　對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)分析,現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開發(fā)研制了相當(dāng)有效的常微分方程求解器(ordinarydeferentialequationsolver)，功能很強(qiáng)，尤其自適應(yīng)求解，可以滿足用戶預(yù)先對(duì)解答精度所指定的誤差限。我國(guó)清華大學(xué)包世華教授和袁駟教授在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用此方法，解決了高層建筑結(jié)構(gòu)考慮樓板變形時(shí)靜力計(jì)算、動(dòng)力計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算。這些問題若完全用離散化方法求解，其計(jì)算量都極其巨大，用微分方程求解器法求解，因其方程組數(shù)目少，顯示出極大的優(yōu)越性，在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中成功地運(yùn)用此方法，具有獨(dú)到之處。
　　2)基于有限條法和樣條函數(shù)法的分析方法。
　　在高層建筑中，經(jīng)常會(huì)遇到幾何形狀和物理特性沿高度方向比較規(guī)則的情況，這樣的結(jié)構(gòu)體系采用有限條法很有效。有限條法只需沿著某些方向采用簡(jiǎn)單多項(xiàng)式，其他方向則為連續(xù)、可微且事先滿足條端邊界條件的級(jí)數(shù)。在采用有限條法時(shí)，合理地選擇結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，等效連續(xù)體的物理常數(shù)和條元的位移函數(shù)是提高精度、簡(jiǎn)化計(jì)算的三個(gè)關(guān)鍵。
　　樣條函數(shù)是分段多項(xiàng)式的一種，與一般有限單元法相比，它的位移模式曲線擬合度好、連續(xù)性及通用性強(qiáng)，系數(shù)矩陣稀疏、計(jì)算量小，且具有緊湊、收斂、完備和穩(wěn)定等方面特征。因此，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，不失為一種較好的方法，在高層建筑中得到了應(yīng)用。
　　3)基于分區(qū)廣義變分原理與分區(qū)混合有限元的分析方法。
　　有限元，特別是雜交元和非協(xié)調(diào)元的發(fā)展，促進(jìn)了分區(qū)廣義變分原理的研究。清華大學(xué)龍馭球教授在分區(qū)混合廣義變分原理基礎(chǔ)上提出了分區(qū)混合有限元法。它將彈性體分成勢(shì)能區(qū)和余能區(qū)，勢(shì)能區(qū)采用位移單元，以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量；余能區(qū)采用應(yīng)力單元，以應(yīng)力函數(shù)作為基本未知量，而區(qū)交界面通過引入附加的能量項(xiàng)在積分意義下滿足位移和力的連續(xù)條件，從而保證了收斂性，最后通過取總能量泛函為駐值建立分區(qū)混合有限元法基本方程。
　　4)高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力分析方法。
　　從1978年以來，高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力分析(亦稱時(shí)程法)的研究和應(yīng)用在我國(guó)迅速發(fā)展。這種方法是將地震波記錄直接輸入結(jié)構(gòu)，考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，依據(jù)結(jié)構(gòu)彈塑性恢復(fù)特性建立動(dòng)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(shí)程變化，從而能夠描述結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下，在彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐步開裂、屈服、損壞直至倒塌的全過程。
　　從理論上講，這種方法有不少優(yōu)點(diǎn)，如能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形、延性的分析比較符合實(shí)際，預(yù)計(jì)的破壞形態(tài)與實(shí)際震害比較接近等。
　　5)基于最優(yōu)化理論的結(jié)構(gòu)分析方法。
　　結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)是把數(shù)學(xué)上最優(yōu)化理論結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種新型設(shè)計(jì)方法。它的出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)者能從被動(dòng)的分析、檢驗(yàn)而進(jìn)入主動(dòng)“設(shè)計(jì)”。因而對(duì)于一定的空間要求高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)以最小重量產(chǎn)生最大剛度，框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的最優(yōu)數(shù)量和最優(yōu)布置是優(yōu)化設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的一個(gè)課題。
　　4結(jié)語(yǔ)
　　隨著高層建筑的進(jìn)一步發(fā)展，滿足高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元，為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是土木工程師們的目標(biāo)和方向。