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摘要：随着人们生活水平的提高，对建筑功能要求也相应的提高。本文笔者根据工程实例，对建筑结构进行了设计与分析。
关键词：高层建筑；结构特点；工程实例；结构设计
一、引 言
两次世界大战后，人类文明遭到了惨重的破坏，大地震、强台风和洪水等自然灾害使人类财产遭受了巨大的损失，但是各国人民在重建家园和恢复生产的建设过程中取得了辉煌成就。各类高层建筑如雨后春笋般耸立于世界各地。到30年代美国的纽约曼哈顿区已高楼林立，其中高381米的帝国大厦更是那一时期的经典之作。与此同时，其余各国亦奋起直追。
二十世纪的最后20年，改革开放之后的中国随着综合国力的提高，新建了大批的高层建筑。虽然我国内地从50年代开始自行设计和建造高层建筑。但是直到1977年建成的112.5m高的广州白云饭店，第一次突破100m高度;北京饭店东楼(18层，87米)是8度抗震设防的最高建筑物;随着九五计划和2010年远景规划的制订，建筑业成为支柱产业，高层建筑兴建面积逐年增长，1984～1995年间，仅建设部系统每年建造10层以上的建筑由800万m2增至1800万m2，至19%年底，全国建成20层以上高层建筑8000多幢。1997年完工的上海金茂大厦结构高度395米，建筑高度421 m，而在建的上海环球金融中心高460米，建成后将居世界第一位。
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。目前在高层建筑的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种结构材料。
三、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復杂的情况。
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。
四、工程实例设计与分析
1、工程概况
工程名称:某大厦。某大厦位于某山区城市。该项目主要功能为办公写字楼，设计为高层建筑。根据业主的委托满足大空间、结构安全、经济合理要求，结合城市规划主管部门的条件，经反复推敲和业主协调，方案定为28层综合楼，总建筑面积约25000m2，利用当地的地形高差，以主干道作为主入口，下部吊2层，以上26层，未设地下室。层高3.3m，建筑高度93.8m，结构高度92.4m。建筑平面为规则对称的井字型平面。
2、计算参数及计算软件
（1）本工程设计主要依据的国家相关设计规程、规范有:
《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)2006版
《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)
设计基准期50年，使用年限50年，安全等级为一级，地基设计等级为甲级。本工程抗震设防烈度为6度，地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，建筑抗震设防类别为丙类。由于本工程建筑场地为I类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为A级高度建筑，分别采用框架-剪力墙结构体系和纯剪力墙结构体系计算，两个结构方案的抗震等级均为三级。场地的特征周期Tg=0.25s，水平地震影响系数最大值
αmax=0.04。 基本风压为0.40kN/㎡，地面粗糙为D类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。分别采用剪力墙结构体系和框架-核心筒结构体系建模计算比较。
（2）计算软件
计算软件采用SATWE，它是专门为多、高层结构分析与设计而研制的空间组合结构有限元分析软件。 SATWE可以精确的分析多、高层框架结构、剪力墙结构、筒体结构等多种结构形式。
3、计算结果
五、 结论及讨论
1、结论
(1)结构概念设计阶段对结构经济性起着至关重要的作用，该阶段应与建筑师、设备师很好协调，作好结构选型工作。
(2)高层建筑结构设计应选择合理的结构体系，在平面形状上力求规则、对称，竖向刚度尽量连续，才能保证良好的抗震性能。
(3)通过结构体系方案比较，该办公建筑采用框一筒结构体系比剪力墙结构体系更合理。
(4)通过对结构受力比较，只要进行了合理的设计，两种结构型式均可以具有很好的刚度，不至于在地震和风荷载下产生过大的位移。
2、今后的工作
尽管本文取得了一些有工程意义的结论，但是同时亦存在以下不足，也是笔者以后的改进设想。
(1)由于影响高层建筑结构选型因素的复杂性，如何理顺这些因素之间的关系，更好地考虑它们对整个结构选型的影响，成为下一步应该着重研究的目标。
(2)本文的结构设计只考虑了上部结构的内力、位移、经济性，而忽略了基础对上部结构的内力及结构整体(包括上部结构与基础)经济性能的影响，这也是笔者后期的研究工作之一。
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范(GBJ11-89)，北京:中国建筑工业出版社，1989
[2]赵西安:高层建筑结构选型、构造及简化计算，北京:中国建筑工业出版社，1989
[3]中国建筑科学研究院结构所主编:高层建筑结构设计，北京:科学出版社，1982
[4」张相庭，高层建筑抗风抗震设计计算，同济大学出版社1997
[5]第十五届全国高层建筑结构学术交流会论文集，武汉，1998
[6]刘大海，杨翠如:高层建筑结构方案优选，北京:中国建筑工业出版社，1998
[7]林同炎等，结构概念和体系，1999
[8]赵西安，高层建筑结构实用设计方法，同济大学出版社，1998
[9]王崇昌，马克俭等，高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构分析，贵州人民出版社，1989.4
[10 ]赵更新，杆系结构分析程序设计，电子科技大学出版社1998
[11]魏琏，地震作用下建筑结构变形计算方法，建筑结构学报，1994, 15(2)
[12]第十八届全国高层建筑结构学术交流会论文集(上、下册)，中国建筑科学研究院，2004年10月
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：高层建筑；结构特点；工程实例；结构设计
一、引 言
两次世界大战后，人类文明遭到了惨重的破坏，大地震、强台风和洪水等自然灾害使人类财产遭受了巨大的损失，但是各国人民在重建家园和恢复生产的建设过程中取得了辉煌成就。各类高层建筑如雨后春笋般耸立于世界各地。到30年代美国的纽约曼哈顿区已高楼林立，其中高381米的帝国大厦更是那一时期的经典之作。与此同时，其余各国亦奋起直追。
二十世纪的最后20年，改革开放之后的中国随着综合国力的提高，新建了大批的高层建筑。虽然我国内地从50年代开始自行设计和建造高层建筑。但是直到1977年建成的112.5m高的广州白云饭店，第一次突破100m高度;北京饭店东楼(18层，87米)是8度抗震设防的最高建筑物;随着九五计划和2010年远景规划的制订，建筑业成为支柱产业，高层建筑兴建面积逐年增长，1984～1995年间，仅建设部系统每年建造10层以上的建筑由800万m2增至1800万m2，至19%年底，全国建成20层以上高层建筑8000多幢。1997年完工的上海金茂大厦结构高度395米，建筑高度421 m，而在建的上海环球金融中心高460米，建成后将居世界第一位。
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。目前在高层建筑的设计中，通常采用钢和钢筋混凝土两种结构材料。
三、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復杂的情况。
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。
四、工程实例设计与分析
1、工程概况
工程名称:某大厦。某大厦位于某山区城市。该项目主要功能为办公写字楼，设计为高层建筑。根据业主的委托满足大空间、结构安全、经济合理要求，结合城市规划主管部门的条件，经反复推敲和业主协调，方案定为28层综合楼，总建筑面积约25000m2，利用当地的地形高差，以主干道作为主入口，下部吊2层，以上26层，未设地下室。层高3.3m，建筑高度93.8m，结构高度92.4m。建筑平面为规则对称的井字型平面。
2、计算参数及计算软件
（1）本工程设计主要依据的国家相关设计规程、规范有:
《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)2006版
《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)
《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)
《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)
设计基准期50年，使用年限50年，安全等级为一级，地基设计等级为甲级。本工程抗震设防烈度为6度，地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，建筑抗震设防类别为丙类。由于本工程建筑场地为I类场地，按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。该工程为A级高度建筑，分别采用框架-剪力墙结构体系和纯剪力墙结构体系计算，两个结构方案的抗震等级均为三级。场地的特征周期Tg=0.25s，水平地震影响系数最大值
αmax=0.04。 基本风压为0.40kN/㎡，地面粗糙为D类，风压体形系数、风压高度变化系数及风振系数均按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001的规定采用，楼面活荷载标准值按荷载规范取值。分别采用剪力墙结构体系和框架-核心筒结构体系建模计算比较。
（2）计算软件
计算软件采用SATWE，它是专门为多、高层结构分析与设计而研制的空间组合结构有限元分析软件。 SATWE可以精确的分析多、高层框架结构、剪力墙结构、筒体结构等多种结构形式。
3、计算结果
五、 结论及讨论
1、结论
(1)结构概念设计阶段对结构经济性起着至关重要的作用，该阶段应与建筑师、设备师很好协调，作好结构选型工作。
(2)高层建筑结构设计应选择合理的结构体系，在平面形状上力求规则、对称，竖向刚度尽量连续，才能保证良好的抗震性能。
(3)通过结构体系方案比较，该办公建筑采用框一筒结构体系比剪力墙结构体系更合理。
(4)通过对结构受力比较，只要进行了合理的设计，两种结构型式均可以具有很好的刚度，不至于在地震和风荷载下产生过大的位移。
2、今后的工作
尽管本文取得了一些有工程意义的结论，但是同时亦存在以下不足，也是笔者以后的改进设想。
(1)由于影响高层建筑结构选型因素的复杂性，如何理顺这些因素之间的关系，更好地考虑它们对整个结构选型的影响，成为下一步应该着重研究的目标。
(2)本文的结构设计只考虑了上部结构的内力、位移、经济性，而忽略了基础对上部结构的内力及结构整体(包括上部结构与基础)经济性能的影响，这也是笔者后期的研究工作之一。
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范(GBJ11-89)，北京:中国建筑工业出版社，1989
[2]赵西安:高层建筑结构选型、构造及简化计算，北京:中国建筑工业出版社，1989
[3]中国建筑科学研究院结构所主编:高层建筑结构设计，北京:科学出版社，1982
[4」张相庭，高层建筑抗风抗震设计计算，同济大学出版社1997
[5]第十五届全国高层建筑结构学术交流会论文集，武汉，1998
[6]刘大海，杨翠如:高层建筑结构方案优选，北京:中国建筑工业出版社，1998
[7]林同炎等，结构概念和体系，1999
[8]赵西安，高层建筑结构实用设计方法，同济大学出版社，1998
[9]王崇昌，马克俭等，高层建筑钢筋混凝土剪力墙结构分析，贵州人民出版社，1989.4
[10 ]赵更新，杆系结构分析程序设计，电子科技大学出版社1998
[11]魏琏，地震作用下建筑结构变形计算方法，建筑结构学报，1994, 15(2)
[12]第十八届全国高层建筑结构学术交流会论文集(上、下册)，中国建筑科学研究院，2004年10月
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。