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摘要：本人结合现代高层建筑的发展，探讨了随着社会进步不断出现的高层建筑的新型结构形式和应用，高层建筑的最新进展、抗震设计的新思想及方法，同时对当前常用的高层结构形式：框架－剪力墙结构进行了概念设计分析。
关键词：现代高层建筑；新形势；新进展；框－剪结构设计
Abstract: combined with the modern I of high-rise building development, discusses with the social progress appear constantly of high-rise buildings type of new structure form and application, the new progress of the high-rise building and seismic design of the new method and idea, at the same time for the high-level structure of the current form: frame-shear wall structure design concept analysis.
Keywords: modern high-rise building; The new situation; The new progress; Box-cut structure design
中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号：
1前言
现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，是商业化、工业化和城市化的结果。而科学技术的进步、轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的广泛应用等，又为高层建筑的发展提供了物质和技术条件。
2高层建筑的新型结构型式及应用
2．1筒体结构
层数增多，高度加大，设防烈度提高后，以平面结构的状态工作的框架，剪力墙所组成的三大常规体系往往难以满足要求了。有时，建筑功能上也要求体型更灵活多样，富于变化。于是平面剪力墙可以组成空间薄壁筒体，框架通过减小柱距，形成空间密柱框筒。这些以一个或多个筒体来抵抗水平力的结构便是筒体结构。
框筒结构由外框筒承受水平荷载，内柱主要承受楼面竖向力。框筒柱距一般在3m以内，框筒梁较高，开洞面积一般在60%以下。
筒体框架结构以内筒为主抵抗水平荷載，外框架柱距大，刚度小，主要承受楼面竖向荷载。
筒中筒结构由薄壁内筒和密柱外框筒组成，具有很好的抗风、抗震能力。目前国内层数最多的广州广东国际大厦（63层，200m），设防烈度为9度的中央彩电大楼（27层，135m）都采用了筒中筒结构。
多筒结构在平面内设置多个钢筋混凝土剪力墙筒体，它适应于复杂平面的布置要求。另一方面，设置角筒有利于加强结构的整体性。
成束筒结构用于高度很大的高层建筑，它是由若干个筒体并联而成，因而有很大的刚度和很高的强度。目前世界上最高的西尔斯大厦就采用这种结构。
2．2 巨型结构
巨型结构由大梁、井筒（钢筋混凝土结构）或带支撑水平、竖向桁架（钢结构）组成巨型框架的梁、柱，作为主要承受外荷载的结构。
2．3 蒙皮结构
蒙皮结构在纵、横向肋（梁、柱）上蒙上一层金属板，形成共同工作体系。蒙皮可承受面内拉压和剪应力，它相当于连续分布的支撑。
2．4 悬挑结构
悬挑楼层的结构主要承重构件是中央筒体，通过水平悬臂承托若干个楼层。
3高层建筑的新进展
目前已经建成的世界最高的建筑是马来西亚的石油大厦，是钢和钢筋混凝土结构。目前最高的钢筋混凝土结构是朝鲜平壤市的柳市饭店，芝加哥的水塔广场大厦居其次。中国目前最高大厦是上海金茂大厦，88层，高421m。
目前在建的高层建筑有：上海环球金融中心，高492m，101层。香港环球贸易广场，高490m，118层。阿拉伯酋长国的加盟国迪拜国正在建的迪拜塔据说超过800m。在美国纽约世界贸易中心旧址，计划建筑名为自由塔的建筑群，最高的高度为541米(根据美国独立宣言之年设计为1776英尺)，预计于2010年完成。
4高层建筑抗震设计的新思想及方法
4．1 结构隔震体系
隔震体系是指在结构物底部与基础面之间设置某些隔震消能装置而构成的结构体系，该隔震消能装置必须具备下述三项特性：
(1)能使结构在基础上柔性滑动，以使结构体系的自振周期大大加长，远离场地卓越周期，从而能把地面震动隔开，有效地降低结构的加速度反应。
(2)有足够的初始刚度：在风荷载或轻微地震作用下（ ＜ ），体系具有足够的弹性刚度（ ），以满足正常使用要求，当强地震发生时（ ≥ ），装置柔性滑动，结构进入隔震消能状态。
(3)提供较大的阻尼，具有较大的消能能力：即其荷载——位移曲线的包络图面积较大，能降低结构的位移反应。
常用的隔震装置有积层橡胶隔震块和钢滚轴隔震装置。
4．2 被动控制和主动控制减震体系
结构被动TMD控制减震体系在建筑结构物某些部位（例如屋顶）设置一个附加子结构，它具有质量M，刚度K和阻尼C，使原结构体系的动力特性发生改变。当原结构承受地震冲击而剧烈振动时，由于子结构质量块的惯性而向原结构施加反向的作用力，其阻尼也发挥消能作用，使原结构的振动反应明显衰减，这个子结构称为“调频质量阻尼器TMD”（Tuned Mass Damper）。由于无外部能量输入，故称被动TMD控制体系。由于被动TMD能有效地衰减结构的动力反应，安全、经济，故已逐渐被用于高层建筑，高耸结构及大跨度桥梁等的抗震抗风装置。
主动控制体系是利用外部能源，在结构物振动过程中，瞬时改变结构的动力特性和施加控制力以衰减结构反应的自动控制体系。由于是利用外部能源的控制，故称主动控制，它是在结构物的振动控制部位安装传感器，把瞬时测得的地震反应传输至计算机系统，经过信息处理和计算后，计算机向驱动机构并向子结构施加控制力，改变了结构的动力特性，使结构的振动反应迅速衰减。按子结构的不同构成，目前开发用于结构减震的主动控制体系也分两种：当子结构是一个附加结构体系时（具有质量、刚度和阻尼），称为“主动调频质量阻尼器”，即“AMD”（Active Mass Damper）,当子结构不是一个结构系统，而仅是一根拉索时，则称“主动拉索控制”体系。主动控制在航空，航天等领域已经成功应用。但在土木工程上，仍处于开发阶段。目前已完成的试验得知，它能使结构的地震位移反应衰减至1/6。
5框架——剪力墙结构设计分析
5．1 剪力墙合理数量的确定
（1）参照目前国内实际工程中的剪力墙数量
这是方案阶段进行剪力墙布置的初估方法。国内已建大量框架剪力墙结构，这些工程一般都有足够的剪力墙，使得其刚度能满足要求，自振周期在合理范围，地震作用的大小也较合适，这些工程的设计经验，可以作为布置剪力墙的参考。
采用底层结构截面面积（即剪力墙截面面积 和柱截面面积 之和）与楼面面积 之比、剪力墙截面面积 与楼面面积 之比。从一些设计较合理的工程来看，（+ ）/ 值或 / 值大约在表1的范围内。
表1 底层结构截面积与楼面面积之比
当设防烈度、场地土情况不同时，可根据上述数值适当增减。层数多，高度大的框架—剪力墙结构，宜取表1中的上限值。剪力墙纵、横两个方向总量在上述范围内两个方向剪力墙数量宜相近。
（2）用结构自振周期和地震作用校核
综合反映结构刚度特征的参数是结构的自振周期。从国内已建成的框架—剪力墙结构的工程实例来看，截面尺寸、结构布置和剪力墙数量较为合理的工程，其基本自振周期大约在下式范围内：
=（0.09～0.12）n(计算周期， =1.0)
=（0.06～0.08）n(实际值，考虑 =0.7～0.8)
式中n为结构层数。
不过，新设计的项目，在决定方案时，还可以再适当放长一点基本周期以使经济技术指标更好一些，所以，在校核剪力墙数量时，计算基本周期 =（0.10～0.15）n也还是可以接受的。
在计算 时， 取为1.0。相应地，比较合理的框架—剪力墙结构，其底部总剪力 = 宜在表2的范围内。
当自振周期和底部剪力偏离上述范围太远时，应适当调整结构的截面尺寸。
表2比较适宜的地震影响系数 值
（3）由水平位移限值决定剪力墙合理数量
①计算刚度特征值
首先求出本层所有柱子D值之和，从而计算楼层剪切刚度：
=
式中 —楼层剪切刚度。
—层高
刚度特征按下式计算：
②合理的刚度特征值 范围
为发挥框架抵抗水平力的作用，框架最好能承受总剪力的20%～40%，这样，比较合理的 值范围在1.1～2.2之间。
由此，可以反算每一方向上的剪力墙的刚度相应为：
～4.8）
③复核必要的剪力墙数量
由顶点位移限值的条件，必要的剪力墙刚度为： ≥
式中G—地面以上总重量（KN）；
H—地面以上总高度（m）；
—每一方向剪力墙的刚度（ ；
—系數，由表3查取。
表3 的数值
5．2 框架—剪力墙结构中剪力墙合理布置位置
一般情况下，剪力墙宜布置在平面的下列部位：
（1）竖向荷载较大处，增大竖向荷载可以避免墙肢出现偏心受拉的不利受力状况。
（2）平面变化较大处。在平面凸凹变化处用剪力墙加强可以减少角部应力集中的影响。
（3）楼电梯间。楼电梯间使楼面受大开洞的削弱，宜用钢筋混凝土剪力墙加强。
（4）端部附近。可减少楼面外伸段长度，而且有较大的抵抗扭转功能。
在防震缝、收缩缝两侧一般不同时布置剪力墙，以免施工时支模、拆模困难；山墙布置剪力墙时，要考虑施工是否方便、建筑功能与保温能否满足要求。
在平面的端部如果布置刚度很大的纵向剪力墙，会使纵向的温度、收缩变形受到约束，产生较大的温度收缩应力，对结构不利。因此，纵向剪力墙一般靠中部布置，尽量不放在端跨。
楼电梯间，竖井等使楼板开洞的竖向通道，不宜设在结构单元的端部角区，如必须设置时应设剪力墙予以加强。这种竖向通道也不应设在柱网行列的中间，必须使井筒至少有两侧与柱网重合，并布置剪力墙。
6小结
随着城市的发展，高层建筑结构形式运用范围越来越广泛，在众多的工程实践中，各类的概念设计也越趋完善，同时，新的结构形式也在蓬勃发展之中。
参考文献：
[1]《2003全国民用建筑工程设计技术措施_结构》.北京：中国计划出版社出版、发行，2003.
[2] 崔峰，蒋永生，刘文锋.对耗能减震结构强振型分解反应谱法的统计分析. 工程抗震，2002，9：16～20.
[3] 陈伯望，王海波.底部框架－抗震墙房屋抗震墙数量的简化确定方法. 工程抗震与加固改造，2005年第2期.
[4] JGJ3-2002，《高层建筑混凝土结构技术规程》.北京：中国建筑工业出版社，2002.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：现代高层建筑；新形势；新进展；框－剪结构设计
Abstract: combined with the modern I of high-rise building development, discusses with the social progress appear constantly of high-rise buildings type of new structure form and application, the new progress of the high-rise building and seismic design of the new method and idea, at the same time for the high-level structure of the current form: frame-shear wall structure design concept analysis.
Keywords: modern high-rise building; The new situation; The new progress; Box-cut structure design
中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号：
1前言
现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，是商业化、工业化和城市化的结果。而科学技术的进步、轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的广泛应用等，又为高层建筑的发展提供了物质和技术条件。
2高层建筑的新型结构型式及应用
2．1筒体结构
层数增多，高度加大，设防烈度提高后，以平面结构的状态工作的框架，剪力墙所组成的三大常规体系往往难以满足要求了。有时，建筑功能上也要求体型更灵活多样，富于变化。于是平面剪力墙可以组成空间薄壁筒体，框架通过减小柱距，形成空间密柱框筒。这些以一个或多个筒体来抵抗水平力的结构便是筒体结构。
框筒结构由外框筒承受水平荷载，内柱主要承受楼面竖向力。框筒柱距一般在3m以内，框筒梁较高，开洞面积一般在60%以下。
筒体框架结构以内筒为主抵抗水平荷載，外框架柱距大，刚度小，主要承受楼面竖向荷载。
筒中筒结构由薄壁内筒和密柱外框筒组成，具有很好的抗风、抗震能力。目前国内层数最多的广州广东国际大厦（63层，200m），设防烈度为9度的中央彩电大楼（27层，135m）都采用了筒中筒结构。
多筒结构在平面内设置多个钢筋混凝土剪力墙筒体，它适应于复杂平面的布置要求。另一方面，设置角筒有利于加强结构的整体性。
成束筒结构用于高度很大的高层建筑，它是由若干个筒体并联而成，因而有很大的刚度和很高的强度。目前世界上最高的西尔斯大厦就采用这种结构。
2．2 巨型结构
巨型结构由大梁、井筒（钢筋混凝土结构）或带支撑水平、竖向桁架（钢结构）组成巨型框架的梁、柱，作为主要承受外荷载的结构。
2．3 蒙皮结构
蒙皮结构在纵、横向肋（梁、柱）上蒙上一层金属板，形成共同工作体系。蒙皮可承受面内拉压和剪应力，它相当于连续分布的支撑。
2．4 悬挑结构
悬挑楼层的结构主要承重构件是中央筒体，通过水平悬臂承托若干个楼层。
3高层建筑的新进展
目前已经建成的世界最高的建筑是马来西亚的石油大厦，是钢和钢筋混凝土结构。目前最高的钢筋混凝土结构是朝鲜平壤市的柳市饭店，芝加哥的水塔广场大厦居其次。中国目前最高大厦是上海金茂大厦，88层，高421m。
目前在建的高层建筑有：上海环球金融中心，高492m，101层。香港环球贸易广场，高490m，118层。阿拉伯酋长国的加盟国迪拜国正在建的迪拜塔据说超过800m。在美国纽约世界贸易中心旧址，计划建筑名为自由塔的建筑群，最高的高度为541米(根据美国独立宣言之年设计为1776英尺)，预计于2010年完成。
4高层建筑抗震设计的新思想及方法
4．1 结构隔震体系
隔震体系是指在结构物底部与基础面之间设置某些隔震消能装置而构成的结构体系，该隔震消能装置必须具备下述三项特性：
(1)能使结构在基础上柔性滑动，以使结构体系的自振周期大大加长，远离场地卓越周期，从而能把地面震动隔开，有效地降低结构的加速度反应。
(2)有足够的初始刚度：在风荷载或轻微地震作用下（ ＜ ），体系具有足够的弹性刚度（ ），以满足正常使用要求，当强地震发生时（ ≥ ），装置柔性滑动，结构进入隔震消能状态。
(3)提供较大的阻尼，具有较大的消能能力：即其荷载——位移曲线的包络图面积较大，能降低结构的位移反应。
常用的隔震装置有积层橡胶隔震块和钢滚轴隔震装置。
4．2 被动控制和主动控制减震体系
结构被动TMD控制减震体系在建筑结构物某些部位（例如屋顶）设置一个附加子结构，它具有质量M，刚度K和阻尼C，使原结构体系的动力特性发生改变。当原结构承受地震冲击而剧烈振动时，由于子结构质量块的惯性而向原结构施加反向的作用力，其阻尼也发挥消能作用，使原结构的振动反应明显衰减，这个子结构称为“调频质量阻尼器TMD”（Tuned Mass Damper）。由于无外部能量输入，故称被动TMD控制体系。由于被动TMD能有效地衰减结构的动力反应，安全、经济，故已逐渐被用于高层建筑，高耸结构及大跨度桥梁等的抗震抗风装置。
主动控制体系是利用外部能源，在结构物振动过程中，瞬时改变结构的动力特性和施加控制力以衰减结构反应的自动控制体系。由于是利用外部能源的控制，故称主动控制，它是在结构物的振动控制部位安装传感器，把瞬时测得的地震反应传输至计算机系统，经过信息处理和计算后，计算机向驱动机构并向子结构施加控制力，改变了结构的动力特性，使结构的振动反应迅速衰减。按子结构的不同构成，目前开发用于结构减震的主动控制体系也分两种：当子结构是一个附加结构体系时（具有质量、刚度和阻尼），称为“主动调频质量阻尼器”，即“AMD”（Active Mass Damper）,当子结构不是一个结构系统，而仅是一根拉索时，则称“主动拉索控制”体系。主动控制在航空，航天等领域已经成功应用。但在土木工程上，仍处于开发阶段。目前已完成的试验得知，它能使结构的地震位移反应衰减至1/6。
5框架——剪力墙结构设计分析
5．1 剪力墙合理数量的确定
（1）参照目前国内实际工程中的剪力墙数量
这是方案阶段进行剪力墙布置的初估方法。国内已建大量框架剪力墙结构，这些工程一般都有足够的剪力墙，使得其刚度能满足要求，自振周期在合理范围，地震作用的大小也较合适，这些工程的设计经验，可以作为布置剪力墙的参考。
采用底层结构截面面积（即剪力墙截面面积 和柱截面面积 之和）与楼面面积 之比、剪力墙截面面积 与楼面面积 之比。从一些设计较合理的工程来看，（+ ）/ 值或 / 值大约在表1的范围内。
表1 底层结构截面积与楼面面积之比
当设防烈度、场地土情况不同时，可根据上述数值适当增减。层数多，高度大的框架—剪力墙结构，宜取表1中的上限值。剪力墙纵、横两个方向总量在上述范围内两个方向剪力墙数量宜相近。
（2）用结构自振周期和地震作用校核
综合反映结构刚度特征的参数是结构的自振周期。从国内已建成的框架—剪力墙结构的工程实例来看，截面尺寸、结构布置和剪力墙数量较为合理的工程，其基本自振周期大约在下式范围内：
=（0.09～0.12）n(计算周期， =1.0)
=（0.06～0.08）n(实际值，考虑 =0.7～0.8)
式中n为结构层数。
不过，新设计的项目，在决定方案时，还可以再适当放长一点基本周期以使经济技术指标更好一些，所以，在校核剪力墙数量时，计算基本周期 =（0.10～0.15）n也还是可以接受的。
在计算 时， 取为1.0。相应地，比较合理的框架—剪力墙结构，其底部总剪力 = 宜在表2的范围内。
当自振周期和底部剪力偏离上述范围太远时，应适当调整结构的截面尺寸。
表2比较适宜的地震影响系数 值
（3）由水平位移限值决定剪力墙合理数量
①计算刚度特征值
首先求出本层所有柱子D值之和，从而计算楼层剪切刚度：
=
式中 —楼层剪切刚度。
—层高
刚度特征按下式计算：
②合理的刚度特征值 范围
为发挥框架抵抗水平力的作用，框架最好能承受总剪力的20%～40%，这样，比较合理的 值范围在1.1～2.2之间。
由此，可以反算每一方向上的剪力墙的刚度相应为：
～4.8）
③复核必要的剪力墙数量
由顶点位移限值的条件，必要的剪力墙刚度为： ≥
式中G—地面以上总重量（KN）；
H—地面以上总高度（m）；
—每一方向剪力墙的刚度（ ；
—系數，由表3查取。
表3 的数值
5．2 框架—剪力墙结构中剪力墙合理布置位置
一般情况下，剪力墙宜布置在平面的下列部位：
（1）竖向荷载较大处，增大竖向荷载可以避免墙肢出现偏心受拉的不利受力状况。
（2）平面变化较大处。在平面凸凹变化处用剪力墙加强可以减少角部应力集中的影响。
（3）楼电梯间。楼电梯间使楼面受大开洞的削弱，宜用钢筋混凝土剪力墙加强。
（4）端部附近。可减少楼面外伸段长度，而且有较大的抵抗扭转功能。
在防震缝、收缩缝两侧一般不同时布置剪力墙，以免施工时支模、拆模困难；山墙布置剪力墙时，要考虑施工是否方便、建筑功能与保温能否满足要求。
在平面的端部如果布置刚度很大的纵向剪力墙，会使纵向的温度、收缩变形受到约束，产生较大的温度收缩应力，对结构不利。因此，纵向剪力墙一般靠中部布置，尽量不放在端跨。
楼电梯间，竖井等使楼板开洞的竖向通道，不宜设在结构单元的端部角区，如必须设置时应设剪力墙予以加强。这种竖向通道也不应设在柱网行列的中间，必须使井筒至少有两侧与柱网重合，并布置剪力墙。
6小结
随着城市的发展，高层建筑结构形式运用范围越来越广泛，在众多的工程实践中，各类的概念设计也越趋完善，同时，新的结构形式也在蓬勃发展之中。
参考文献：
[1]《2003全国民用建筑工程设计技术措施_结构》.北京：中国计划出版社出版、发行，2003.
[2] 崔峰，蒋永生，刘文锋.对耗能减震结构强振型分解反应谱法的统计分析. 工程抗震，2002，9：16～20.
[3] 陈伯望，王海波.底部框架－抗震墙房屋抗震墙数量的简化确定方法. 工程抗震与加固改造，2005年第2期.
[4] JGJ3-2002，《高层建筑混凝土结构技术规程》.北京：中国建筑工业出版社，2002.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。