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高层建筑结构分析范文1
关键词：高层建筑；结构体系；结构设计；整体参数设定
1 高层建筑结构体系分类及设计要点
1.1 框架结构体系
框架结构体系是通过采用梁、柱等来承受建筑竖向和水平荷载的，在多层或高度不大的高层建筑中应用较多。传统的结构布置采用主次梁的作法为主，后来逐渐发展为扁梁或无梁楼盖，布置框架结构时要注意对称均匀，并尽量直接传力。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，主要承受压应力，但其结构侧向刚度差，侧向位移大，当建筑层数较多时，不宜选用纯框架结构体系。
1.2 剪力墙结构体系
剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体进行竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距一般为3～8m，主要由楼板构件跨度决定。所以这种结构体系适用于房间较小的住宅、旅馆等建筑。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，不易在水平力作用下产生侧向变形，并且刚度大，墙体面积大，承载力要求容易满足，也具有较好的抗震性能，我国10～30层的高层公寓式住宅采用这种体系的比较多。但这种结构体系剪力墙间距太小，平面布置不灵活，结构自重较大，不适用于大空间的公共建筑。剪力墙结构的平面布置中，注意刚度均匀适中。
1.3 框架―剪力墙结构体系
将框架和剪力墙结合在一起即形成框架―剪力墙结构体系，它兼具二者的优点，不仅有较好的承受水平荷载的能力，又有平面布局灵活、适用性强的优点。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙很好地协同工作，共同发挥作用。设计时应注意以下几点：
(1)框架剪力墙结构中，楼屋盖受力较大，水平力将通过楼屋盖在框架和剪力墙之间相互转移，一旦剪力墙数量较少，便会出现应力集中。所以应在整体结构两个主轴方向都均匀设置剪力墙，合理控制剪力墙数量，使其呈框剪特性，以增大空间刚度，有利于抗震和抗风。
(2)框架剪力墙结构中剪力墙承受水平荷载作用下的大部分总倾覆弯矩和基底水平剪力，所以应注意剪力墙墙面完整并设翼缘或端柱，并以纵筋和约束箍筋来加强：每片剪力墙应尽量短一些，其高长比不宜超过1O，以减小剪力墙的剪切变形影响。通常垂直重力荷载下组合设计压力对剪力墙产生的轴压比宜控制在0.5左右，这样可接近框架柱的轴压比，降低垂直重力荷载作用下产生的二次应力的影响。
(3)为保证框架结构仍具有较好的抗侧能力和延性，应尽量按照框架结构的要求来控制框架剪力墙结构中框架梁柱的截面尺寸。
1.4 筒体结构体系
筒体体系刚度较好，并能形成较大的使用空间，所以在超高层建筑中应用较多。筒体是由若干片纵横交接的框架或剪力墙围成的封闭筒状骨架，并通过各层楼面加强了连接，使整个骨架具有比框架或剪力墙更好的空间刚度。它能承受较大的竖向荷载和水平荷载。
2 高层建筑结构体系设计的基本要求
2.1 结构体系应具有合理的地震作用传递途径
布置楼屋盖梁系和竖向结构时，应让垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向柱和墙上去，尽量避免竖向构件之间压应力的二次转移。转换结构的布置，注意应能使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载经一到两次转换传递到下部结构的竖向构件上去。由框架、剪力墙、筒体、支撑等组成的抗侧力结构必须体系明确，传力直接，尽量贯通连续，若它们沿竖向要有变化，就要缓慢均匀的变化。
2.2 结构体系应具备必要的承载能力和变形能力
钢筋混凝土结构的塑性内力重分布能力较好，能在一定程度上吸收和耗散地震能量。框架地震破坏机制，应该是节点基本不破坏，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，梁比柱的屈服可能早发生、多发生，底层柱底的塑性铰宜最晚形成。剪力墙结构中剪力墙的各墙段的塑性屈服宜产生在墙的底部，连梁宜在梁端塑性屈服，且变形能力应足够好，以保证在剪力墙发挥抗震作用前不失效。
2.3 结构体系应能使整体结构在部分结构或构件破坏的情况下仍有较好的抗震能力或承载能力
高层建筑结构须有必要的赘余度和内力重分配的功能，保证在地震中出现部分构件退出工作时，其余构件也能承担竖向荷载，防止整体结构失效或失稳。
2.4 结构体系宜有多道抗震防线
框架―剪力墙结构中，剪力墙是主要抗侧力构件，也是第一道抗震防线，所以必须具有一定数量的剪力墙，并且承受的结构底部地震倾覆力矩应至少达到底部总地震倾覆力矩的50％。各层中框架部分按框架和墙协同工作分配的地震剪力，应达到框架各层地震剪力最大值的1．5倍或结构底部总地震剪力的20％ 中的较小值。剪力墙结构中可通过合理设置连梁组成多肢联肢墙，连梁的承载力、刚度和变形能力应匹配墙肢，防止连梁过强而使墙肢产生较大拉力而失效。
2.5 结构体系宜具有合理的刚度
高层建筑主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的整体稳定、水平位移、强度延性等要求，但高层建筑主体抗侧力结构的刚度也不宜过大，以免结构所占面积、空间加大，影响建筑作用，增加地基基础负担，加大结构的截面和相应的构造配筋。所以高层建筑主体抗侧力结构刚度以符合或略大于规范限值即可。
3 高层建筑结构分析的基本原则
3.1 整体参数的设定
开始结构计算时，应根据规范和工程实际情况等来正确设置软件的初始参数，以确保后续计算结果的正确性。在进行抗震计算时需考虑振型的数量，数量多了会浪费时间，并可能使计算结果发生畸变，数量太少又会使计算结果失真，《高规》第5.1.13.2款规定抗震计算时振型数不应小于15。最大地震力作用方向可由设计软件自动计算，但若该角度绝对值超过1 5度，就应重新计算。结构的基本周期是计算风荷载的重要指标，设计初期可能不知道其准确值，可待计算之后从计算书中读取，并重新计算。
3.2 结构体系的合理性分析
为掌握结构在地震作用下动力特性、判断结构的变形能否满足抗震设防要求，应对结构进行整体分析，确保整体结构的科学性和合理性。周期比是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，它是控制结构扭转效应的重要指标，结构设计中应限定周期比，以便使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理。层间位移比和刚度比分别是控制结构平面不规则性及竖向不规则的重要指标，《建筑抗震设计规范》和《高规》中均对它们做出了明确的要求。此外，为了建筑结构的整体稳定性及安全性，还应控制好结构的刚重比和剪重比。
3.3 结构构件的优化设计
对结构整体合理性的计算和调整之后，还应计算结构单个构件内力和配筋，如计算梁、柱、剪力墙轴压比，优化构件截面设计等。采用软件对混凝土梁计算时，出现以下几种情况时，便会提示超筋：梁的弯矩设计值超过梁的极限承载弯矩；超过《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5％ ；混凝土梁斜截面计算结果不符最小截面的要求。当剪力墙连梁超筋时，表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够，应予以调整。规范中允许适当折减地震作用下剪力墙连梁的刚度，使其出现塑性变形，但还应保证其配筋满足弹性变形时承载力的要求。以上计算得出初始设置的构件截面和形状后，还应在考虑结构的周期、位移、地震力等的前提下，适当优化构件截面，使其在满足受力要求的前提节省材料。
高层建筑结构分析范文2
关键词：高层建筑；结构设计；结构特点
Abstract: With the rapid development of society and economy and the functional diversification of the buildings, the constant growth of urban population,increasingly tense of land for construction, and the demands of urban planning promote the rapid development of high-rise buildings. Therefore, it plays an important role to pay attention to the design of the building structure, discover problems timely and take measures to resolve in the construction activities.
Key words: high-rise buildings; structural design; structural features
中图分类号： TU973 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
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
高层建筑结构分析范文3
［关键词］高层建筑结构设计 水平载荷变形侧移
中图分类号：TU208文献标识码： A
引言
高层建筑结构设计是针对高层建筑特性的建筑结构设计在满足安全、适用、耐久、经济和施工可行的要求下，按有关设计标准的规定，对建筑结构进行总体布置、技术经济分析、计算、构造和制图工作，并寻求优化的过程。随着我国经济与科技的飞速提高，涌现出越来越多的高层建筑。由于我国钢产量居世界前列，混凝土使用量亦居世界第一，这就为高层建筑的发展创造了良好的物质条件，所以钢筋混凝土高层建筑仍是具有很强的优势。
一、结构分析与设计特点
1.水平载荷产生的内力及侧移的影响
任何一个建筑结构都要同时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。在较低楼房中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的内力和位移很小，对结构的影响也就较小；但在较高楼房中尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响，水平荷载却起着决定性的作用。随着楼房层数的增多，水平荷载作用下结构产生的内力及侧向位移迅速增大，这同样也要求结构具有足够的抗侧刚度，使之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。总之水平荷载愈益成为结构设计中不可小视的控制因素。在6度抗震设防设计中，很多情况是风作用为控制性工况；在7度以上抗震设防设计中地震作用是控制性作用，地震作用对高层建筑危害的可能性也比较大，高层建筑结构设计中的抗震设计是重点。
2.竖向变形的影响
通常在多层建筑结构分析中，由于轴力项影响很小，多以考虑弯矩项为主。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。对连续梁弯矩的影响：采用框架体系和框－墙体系的高楼中，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到较大的数值，其后果相当于连续梁的中间支座产生沉陷，从而使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩增大。
3.结构整体刚度的影响
高层建筑的刚度决定其在地震中吸收与释放能量的大小，刚度大的建筑在地震中吸收的能量多，释放的较少；较柔的结构在地震中吸收的能力少，释放的多。故此结构在地震中的整体刚度表现一定要适中，特别需要在构造上采以恰当的措施，来保证结构的刚度要求。
二、高层结构体系
通过受力因素分析，下一步就考虑采用什么结构体系，有下面几种高层建筑结构体系可供选择：框架结构、剪力墙结构、框架—剪力墙结构、筒中筒结构等。根据其受力特点，选取合适的结构体系或其组合体系。
1.框架体系
框架结构的主要受力构件由框架梁、框架柱、基础组成，从而形成空间整体受力体系。其体形布置较为自由，空间可以灵活分割。但高层框架体系抗侧刚度较差，水平位移较大，为了满足侧向刚度及使用要求底层的框架柱往往需要较大的截面，对使用功能及经济效益都有一定影响。
2.剪力墙体系
剪力墙结构体系是利用钢筋混凝土墙体作为承受竖向荷载、抵抗水平荷载的结构体系。钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求容易满足，其抗震性能良好，适于建造较高的高层建筑。但鉴于其受制于受力与传力的要求，其空间布置较不灵活，也不宜开设较大洞口，对于一些对空间分割有要求的公共高层建筑较难满足。
3.框架—剪力墙体系
在框架体系中适当布置能抵抗水平推力的墙体，并使框架柱、楼板有可靠连接而形成的结构体系。房屋的竖向荷载由框架柱和剪力墙共同承担，而水平荷载则主要由刚度较大的剪力墙来承受。由于有了剪力墙，其体系比框架结构体系的刚度和承载力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙和外墙）的损坏。这样无论在非地震区还是地震区，都可以用来建造较高的高层建筑。还可以把中间部分的剪力墙形成简体结构，布置在内部，外部柱子的布置就可以十分灵活。
4.筒中简体系
筒体结构由框架或剪力墙围合成竖向井筒，并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来，形成一个空间构架。通常简体结构基本形式有三种：实腹筒、框筒及桁架筒。筒体结构最主要的特点就是它的空间受力性能良好。不论哪一种简体，在水平力作用下都可看成固定于基础上的箱形悬壁构件，它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具有良好的抗扭刚度。简中筒结构是一种抵抗较大水平力的有效结构体系，但其抗侧刚度较大，吸收地震能量大，延性不好，这就造成造价比较高，从经济效益角度考虑还需慎重。
三、高层建筑结构实例分析
某项目建筑高度120米，结构十七层，结构体系为框架－剪力墙体系。结构技术含量较高,计算繁琐,但图上作业量相对不大,结构布置较规则。除有牢固的支撑体系,包括泥浆护壁钻孔灌注桩、梁、柱及剪力墙外,还引入了混凝土斜柱和钢结构塔尖,属相对较为复杂的受力部分,其中本工程的亮点是位于结构第八与十二层引入了斜柱支撑体系，层高为5.1米，其竖向力可分解为沿柱的轴力与垂直于柱的剪力，故柱底弯矩要比竖向布置的框架柱大很多，斜柱箍筋全长加密。但施工时在柱底节点区域遇到较大困难，由于箍筋排布较密，成品双肢箍很难套进内部，而在结构计算时此节点也需要密布此种箍筋，故现场采用两根单肢箍在节点区域直接焊接成双肢箍，成功的解决了箍筋排布困难的问题。
鉴于高层建筑在我国越来越广泛的应用，其建筑立面效果的要求相对过去也有了很大的提高，结构封顶后的设备安装也成为一大难点，这不但需要施工单位有完善合理的施工进度计划和流水作业安排，也同样要求我们设计人员有良好的施工意识，密切结合实际操作步骤进行图纸作业。
四、结语
总之，结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。设计人员要从一个个基本的构件算起，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应认真思考，善于总结工作中的经验和教训。
参考文献
［1］方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计［M］.机械工业出版社，2004.
高层建筑结构分析范文4
【关键词】高层建筑；建筑结构体系；分析方法；剪力墙结构
引言
现代高层建筑起源于美国，已有100多年的历史，美国的高层建筑在质量、层数及数量上一直居于世界领先地位，其中代表建筑是1931年建成的纽约帝国大厦(高381m，102层)、1972年建成的纽约世界贸易中心姊妹楼(417m和415m，110层)和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦(412m,110层)。近几年来，亚洲国家和地区的高层建筑发展非常迅速，而且广泛采用新的结构体系和建筑形式，逐步成为世界建造高层建筑的新重心。其中日本、中东、马来西亚、新加坡、泰国是高层建筑发展迅速的国家。
我国高层建筑起源于20世纪初的上海，近年来国内的高层建筑以极为迅速的态势在各地铺开，高度及层数不断突破。据统计，我国高层建筑在数量上已超过万栋，高层建筑的类型涉及住宅、旅馆、办公、金融、商业综合楼等多种类型。到目前为止，层数达30层～60层，高度为120m～200m的高层建筑已经耸立在全国各个大、中城市，我国最高的101层492m的上海环球金融中心已经建成。
1 高层建筑结构的设计特点
高层建筑与普通建筑或低层建筑相比有很大差别，不仅仅表现在体量上的差别，它们之间最主要的差别在于以下方面：对于低层建筑来说，它们所受的外部作用主要是以重力为代表的竖向荷载。所以，设计低层建筑结构时，最主要的控制目标是结构的强度。另外，由于低层建筑对其结构体系的空间工作性能要求很低，所以低层建筑所采用的结构体系主要是平面结构。然而，在高层建筑中，结构处于竖向荷载和水平荷载的共同作用下工作。随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，尽管竖向荷载对结构设计仍产生重要影响，但水平荷载对结构产生的内力愈来愈大，将成为结构设计时的主要控制因素，起着决定性的作用，成为确定结构体系的关键性因素。因此，结构的设计是由水平荷载控制的。在水平荷载中，地震作用是动力作用，而风力作用则包含静力作用和动力作用。高层建筑对风的动力作用比较敏感，风振作用成为结构分析中不容忽视的因素。在地震区，高层建筑往往受地震作用控制，所以计算地震对结构的动力反应是高层建筑分析的重要内容。
2 高层建筑的结构体系
2.1 框架结构体系。从结构体系上看，早期多采用框架结构。由于它平面布置灵活，空间大，能适应较多功能的需要，因此成为高层建筑的主要结构形式。但是，框架结构的侧向刚度较小，在一般节点连接情况下，当承受侧向的风力或地震作用时，将会有较大的变形。因此，限制了这种结构形式的建造高度和层数。
2.2 剪力墙结构体系。为了满足更高层数的要求，结合住宅、公寓和宾馆对单开间的需求，出现了较高层数的剪力墙结构。剪力墙结构具有良好的侧向刚度和规整的平面布置，按照功能要求，设置自下而上的现浇钢筋混凝土剪力墙，对抵抗侧向风力和地震作用是十分有利的，因此，它允许建造的高度远远高于框架结构。
剪力墙结构的不足之处在于，平面布置的灵活性较差，使用上也受到一定限制。因此，它的适用范围较小，仅适用于住宅、公寓和宾馆等建筑。目前全国各地的大量高层住宅建筑，绝大多数均采用剪力墙结构。
2.3 框架――剪力墙结构体系。建筑功能要求有较大的灵活性，但同时又能满足风和地震作用的考验，取框架和剪力墙结构两者之长，形成框架――剪力墙结构。框架结构具有布置灵活的优点，而剪力墙结构具有良好的抗侧力能力，结合后的结构体系可满足一般建筑功能要求，在适当位置设置一定数量的剪力墙，既是建筑布置需要，又是结构抗侧力需要。因此，框架――剪力墙结构体系的适用范围和适应的高度较宽，是一种较好的结构体系，已广泛应用。
2.4 筒体结构。筒体结构是近年来发展起来的新体系，它的出现满足了高层建筑更高层数的要求，包括单筒体、筒体――框架、筒中筒、多束筒等多种形式。筒体结构具有很好的整体性和抗侧力性能，在平面布置和满足功能要求方面也有明显的优势，为众多高层和超高层建筑结构所采用。
3 高层建筑结构的分析方法
3.1 基于常微分方程求解器的分析方法。
对高层建筑结构分析,现在国内外学者已经开发研制了相当有效的常微分方程求解器(ordinary deferential equation solver)，功能很强，尤其自适应求解，可以满足用户预先对解答精度所指定的误差限。我国清华大学包世华教授和袁驷教授在高层建筑结构分析中应用此方法，解决了高层建筑结构考虑楼板变形时静力计算、动力计算和稳定计算。这些问题若完全用离散化方法求解，其计算量都极其巨大，用微分方程求解器法求解，因其方程组数目少，显示出极大的优越性，在高层建筑结构分析中成功地运用此方法，具有独到之处。
3.2 基于有限条法和样条函数法的分析方法。
在高层建筑中，经常会遇到几何形状和物理特性沿高度方向比较规则的情况，这样的结构体系采用有限条法很有效。有限条法只需沿着某些方向采用简单多项式，其他方向则为连续、可微且事先满足条端边界条件的级数。在采用有限条法时，合理地选择结构计算模型，等效连续体的物理常数和条元的位移函数是提高精度、简化计算的三个关键。
样条函数是分段多项式的一种，与一般有限单元法相比，它的位移模式曲线拟合度好、连续性及通用性强，系数矩阵稀疏、计算量小，且具有紧凑、收敛、完备和稳定等方面特征。因此，计算结果与试验结果吻合良好，不失为一种较好的方法，在高层建筑中得到了应用。
3.3 基于分区广义变分原理与分区混合有限元的分析方法。
有限元，特别是杂交元和非协调元的发展，促进了分区广义变分原理的研究。清华大学龙驭球教授在分区混合广义变分原理基础上提出了分区混合有限元法。它将弹性体分成势能区和余能区，势能区采用位移单元，以节点位移为基本未知量；余能区采用应力单元，以应力函数作为基本未知量，而区交界面通过引入附加的能量项在积分意义下满足位移和力的连续条件，从而保证了收敛性，最后通过取总能量泛函为驻值建立分区混合有限元法基本方程。
3.4 高层建筑结构弹塑性动力分析方法。
从1978年以来，高层建筑结构弹塑性动力分析(亦称时程法)的研究和应用在我国迅速发展。这种方法是将地震波记录直接输入结构，考虑结构的弹塑性性能，依据结构弹塑性恢复特性建立动力方程，用逐步积分法直接求出地震过程中位移、速度和加速度的时程变化，从而能够描述结构在强震作用下，在弹性和非弹性阶段的内力变化，以及结构构件逐步开裂、屈服、损坏直至倒塌的全过程。
从理论上讲，这种方法有不少优点，如能够发现结构的薄弱环节，对结构的变形、延性的分析比较符合实际，预计的破坏形态与实际震害比较接近等。
3.5 基于最优化理论的结构分析方法。
结构最优化设计是把数学上最优化理论结合计算机技术应用于结构设计的一种新型设计方法。它的出现，使设计者能从被动的分析、检验而进入主动“设计”。因而对于一定的空间要求高层建筑结构的优化设计应以最小重量产生最大刚度，框架剪力墙结构中剪力墙的最优数量和最优布置是优化设计在高层建筑结构中应用的一个课题。
高层建筑结构分析范文5
关键词：高层建筑；结构设计；特点；注意问题Abstract:In this paper, from the analysis of the design features of the high-rise buildings, high-rise building structure design theory, analysis should pay attention to the structural design of tall buildings, and expounds the application of seismic analysis and design of high-rise building.
Key words: High-rise building; structure design; characteristics; problems
中图分类号：TU2 文献标识码：A文章编号:
引言：建筑工程质量直接关系到人民生命和财产的安全，建筑质量主要由设计质量和施工质量两个方面来衡量。建筑类型与功能越来越复杂，高层建筑的数量口渐增多，高层建筑的结构体系也是越来越多样化，高层建筑结构设计也越来越成为高层建筑结构工程设计工作的难点与重点。
1. 高层建筑结构设计的特点
高层建筑结构设计与低层、多层建筑结构相比较，结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。其主要特点：
1.1 水平力是设计主要因素
任何一个建筑结构都要同时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。在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。另一方面，对一定高度建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随着结构动力性的不同而有较大的变化。
1.2 侧移成为控制指标
与低层建筑不同，结构侧移已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。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
1.3 抗震设计要求更高
有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。
1.4 轴向变形不容忽视
高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而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；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安垒的结果。
1.5 结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，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。
2. 高层建筑结构设计中应注意的问题
2.1 高层建筑结构的基础设计
在对高层建筑结构进行设计的过程中，首先应研究建筑所处的地基基础对建筑抗震能力的应力影响，再做出适当的选择，这也是高层建筑结构设计的重要内容。基础作为高层建筑的根基，也是建筑中最重要的组成部分，若一座建筑没有坚实的地基为保障，那么再好的上
部结构也仅能是一个空架子，甚至会造成上部结构的倾斜或破坏，影响建筑安全度。一般高层建筑基础类型的选择较复杂，甚至比上部结构的选型更难，由于高层建筑地基的影响因素诸多，因此要慎重选择。
2.2 剪力墙的数量及位置
在高层建筑结构中，除了在两端布置剪力墙筒外，在结构纵向中沿轴线还应再设计两片剪力墙结构，以提高纵向的刚度、并调整刚度中心位置，尽量使其与质量中心重合，并根据底层结构的截面面积及楼面面积比为5% 的比例决定剪力墙的界面厚度及柱截面，通过进一步设计对截面进行调整，以保证其结构分析的结果位移与周期均保持在合理范围之内。
2.3 高层建筑结构设计的计算软件选择
目前应用于高层建筑结构设计的软件诸多，但是每一款软件在实际计算模型过程中存在一定差异，就会造成最终计算结果略有不同，因此在对工程的整体结构进行计算及分析时，应根据不同高层建筑的结构类型及各种计算机软件模型的特点来合理选择，并对于不同软件
对同一建筑计算结构差异较大的数据中，科学判断其合理性，最终选定一个数据作为参考，这也是结构设计工程师的必备本领。否则，若选择了不合适的软件进行计算，不仅浪费了时间与精力，还会给高层建筑的结构带来不安全隐患。
3. 抗震分析与设计在高层建筑的应用
在罕遇地震作用下，抗震结构都会部分进入塑性状态。为了满足大震作用下结构的功能要求，有必要研究和计算结构的弹塑性变形能力。当前国内外抗震设计的发展趋势，是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计，结构弹塑性分析成为
抗震设计的必要的组成部分。我国现行抗震规范（GB50011-2001）要求高层建筑的抗震计算主要是在多遇地震作用下（小震），按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力及位移。对于重要建筑或有特殊要求时，要用时程分析法补充计算，并进行罕遇地震作用下（大震）的变形验算。
在我国高层建筑的抗震分析与设计中常见的问题有以下几种：首先是高度问题，对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化，随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身
超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。其次是材料选用和结构体系的问题，在高层建筑中，我国150m 以上的建筑，采用的三种主要结构体系（框－筒、筒中筒和框架－支撑），这些也是其他国家高层建筑采用的主要
体系。但国外特别在地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了90%。如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。根据现在我国建筑钢材的类__型、品种和钢结构的加工制造能力，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。第三是轴压比与短柱问题，在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比而使柱的截面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。
4. 高层建筑结构设计的发展展望
4.1概念设计将发挥越来越大的作用。概念设计是指正确地解决总体方案、材料使用和细部构造的问题，以达到合理抗震设计的目的。概念设计是根据抗震设计的复杂性、难以精确计算而提出来的一种从宏观上实现合理抗震，避免不必要的繁琐计算，同时为抗震设计创造有利条件，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况的设计方法。
4.2 采用先进的计算理论。空间受力分析，非弹性变形分析，塑性内力分析，由加载到破坏的全过程受力分析，时程分析，最优化设计，方案优化等先进科学的设计方法、设计理论将得到越来越多的应用。
结语:
结构设计是一项集结构分析，数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，是一项对国家建设有重大意义的工作，同时，亦是一门实用性很强的工作。本文就高层建筑的结构设计的各个方面进行分析，一起有助于提高结构工程师在建筑空间中的设计能力，特
别是在处理高层建筑方面的问题上。
参考文献：
高层建筑结构分析范文6
关键词：高层建筑结构设计控制特点
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应从结构的概念设计着手，选择结构平、立面布置尽量规则以及抗震和抗风性能好的结构体系，并通过控制这些指标，使高层的结构布置更加合理，达到更好的效果。
一、高层建筑结构设计特点
1、水平荷载成为决定因素。一方面,因为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;而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,是与楼房高度的两次方成正比;另一方面,对某一定高度楼房来说,竖向荷载大体上是定值,而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有较大幅度的变化。
2、轴向变形不容忽视。高层建筑中,竖向荷载数值很大, 能够在柱中引起较大的轴向变形,从而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;还会对预制构件的下料长度产生影响,要求根据轴向变形计算值,对下料长度进行调整;另外对构件剪力和侧移产生影响,与考虑构件竖向变形比较, 会得出偏于不安全的结果。
3、侧移成为控制指标。与较低楼房不同,结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。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。
4、结构延性是重要设计指标。相对于较低楼房而言,高楼结构更柔一些,在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力,避免倒塌,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。
二、高层建筑结构设计分析
高层建筑钢结构设计中，结构工程师应与建筑师紧密配合，要考虑建筑特点、功能、荷载性质、材料供应、制作安装等多种因素，择优选取利于抗震、抗风又经济合理的结构体系和平立面布置。常用的高层建筑钢结构体系有框架体系，双重抗侧体系（钢框架——支撑或剪力墙板体系、钢框架——混凝土剪力墙体系、钢管混凝土框架——剪力墙体系、钢框架——混凝土核心简体系）、简体体系（框简体系、简中简体系、桁架简体系、框筒束体系）和巨型框架体系。无论采用什么结构体系，具体设计中都应使结构具有明确的计算简图、合理的传力途径、多道抗震防线，力求形成立体构件或尽量使结构能趋向于实现总体屈服机制。结构布置和设计中应尽量使结构具有以下几方面的特点，或注意考虑到以下一些原则。
1、使结构构件能形成立体化，在竖向构件布置时，尽量使由墙或密柱与深梁能组成简体或巨型柱，使结构单元形成不同力学特性的立体构件，构成在任何方向都具有较大的刚度与抵抗力矩的能力。
2、使柱或巨型柱周边布置，将柱沿平面周边设置使结构整体具有更大的抗侧和抗扭刚度。
3、使结构支撑化。在框筒结构体系中由于水平力作用下存在固有的剪力滞后效应，当功能需要加大柱间距时剪力滞后效应更易削弱结构的抗侧刚度，影响水平承载力，因此在框筒中增设支撑能强化框筒；当房屋四角有巨柱采用支撑使其形成立体支撑体系更有利于抵抗各向力，发挥其材料潜力。
4、园锥形能减小风载体型系数和增大抗侧抗扭刚度，特别在非地震区南风荷载起控制作用的高层建筑，采用园锥体型能节约材料经济性好。
5、选用高强、轻质材料，有条件时设置安装传感器、质量驱动装置等减振设置使其动力反应智能化。
6、应积极探讨将目前的整体结构分析、单个构件设计向整体结构分析、整体结构构件设计方向发展考虑，使各构件的承载力可靠度尽量一致。
7、用增大结构阻尼方法以减小结构加速度；用合理的几何平、剖面图形合理的墙板及构件连接方法来减小侧向位移，而不要随意采用加大柱截面的方法来提高抗侧抗弯刚度。实践证明外柱布置远离平面重心或芯筒，或使外柱沿建筑物全高向内全高度倾斜等方法均能有效地减小侧向位移值， 用增加主梁的线刚度EI/L 在框架中也能起到减少侧向位移的作用；而采用加大柱截面的方法来提高框架抗侧刚度其效果将很小且不经济。一般框架刚度通常取决于大梁刚度而不是柱的刚度，因为一般跨度和层高的建筑中柱的刚度比梁刚度已大很多。
8、在结构的平面与剖面设计中应尽量避免出现不规则体型。建筑的开间进深应尽量统一，框筒、墙、支撑的布置尽量对称。常用的框筒结构中为充分发挥框筒作用应严格控制房屋的高宽比，且内筒边长不宜小于相应外筒边长的1/3，框简柱跨不宜大于层高，框筒裙梁高度不宜小于800mm，框筒结构为矩形平面时其长宽比不宜大于1.5:1，否则应改用框简束体系。筒的墙面开洞面积宜小于50%墙面积，内外简之问的间距一般可取l0-16m，为了保证角柱具有足够的承载力，角柱宜为中心柱截面积的1.5-2 倍。一般还应该根据具体情况选用支撑，型钢混凝土墙板、竖缝钢筋混凝土墙板或钢板剪力墙等作为主要抗侧构件。注意应使支撑、剪力墙能沿高度竖向一致连续布置。边柱外柱应尽量使其参与结构整体抗弯以增加整个结构的抗侧刚度和承载力，在抗震设计中应注意使结构形式强节点弱杆件、强竖弱平、强压弱拉。柱的超载必须避免，屈服应控制在梁和支撑上，要多道传力途径，多道设防，适当增多结构的超静定次数。要避免水平刚度产生偏心和竖向刚度、强度的突变。节点连接应刚强。
三、高层建筑结构设计控制
在高层建筑结构的设计中，如何精确地设计建筑物并控制进行相应的分析，保证建筑结构的整体完善，要利用一些软件进行相应的调整。这是决定建筑设计好坏的关键因素。要对计算机软件进行系统的选择，以消除结构不安全隐患存在。
1、对于地震的因素控制
加强对建筑物结构整体的调整与控制，保证建筑设计规范要求；建筑物的周期性调整以及刚度的计算，保障建筑工程的整体设计因素控制。
2、高层楼层的建筑分析
现在建筑物的外观上取得了一定的突破与控制，加强对建筑物的楼层之间的调整，楼与楼之间地震周期的操控，建筑设计工程师要依据计算的参数进行数据控制，并决定数目的取值范围。
3、非结构构件的计算
在高层建筑结构设计中，往往存在由于建筑工程美观的设计要求以及主体的承重的体系以外的控制。对于这部分，尤其是对高层建筑设计中装饰构件进行相应的分析。找取一定的非结构的设计进行相应的计算措施控制，保证建筑结构设计的整体控制。
四、工程实例
1、工程概况
某工程建设，地下一层，上设两栋独立的塔楼。楼高75m，23 层。抗震设防烈度7 度， 设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35s，水平地震影响系数最大值为0.12，场地类别为二类。抗震设防类别为A 级高度丙类。结构设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级，地面粗糙度为C 类，基本风压按100 年一遇取值。由于地上各塔楼独立分开，可以各自独立以地下室为嵌固端计算，不相互影响，故仅以1 号楼作为实例分析。
2、结构体系选择
高度75m
3、规则性分析
主体平面为凹型，突出部分为1/Bm ax=8.70/19.30=0.45>0.35，为平面不规则类型。经试算后，结构在24 层位移比达到1.32
4、结构计算软件
结构整体计算采用中国建筑科学研究院开发的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE（墙元模型）及PMSA（广义墙元模型）两个相互独立可对比的高层结构分析软件进行。
5、计算整体参数
计算时分别考虑偶然偏心下的单向地震作用与双向地震作用，由于建筑高度75m
参考文献：
[1] 解林伟,张彭. 房屋建筑结构设计中常见问题分析[J]. 陕西建筑, 2011,(05) .
[2] 袁小玲. 浅谈高层建筑结构设计的要点[J]. 科技信息, 2011,(15) .
