萬 春

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院，四川成都 611730)

1 引言

現(xiàn)代高層建筑興起于美國。作為近代高層建筑起點的標志是于1883年開始在芝加哥建造的家庭保險公司大樓(Home Insurance Building)，11層，高55m，采用鑄鐵框架，部分鋼梁和磚石自承重外墻。1972～1974年，在紐約和芝加哥分別建成了世界貿(mào)易中心雙塔(World Trade Center Twin Towers，1972年建成，在 2001年 9.11事件中被毀)和西爾斯大廈(Sears Tower)，均為110層，高度分別為417m、415m和443m，直至1995年，它們一直被認為是世界上已經(jīng)建成的、最高的三棟高層建筑。

我國高層建筑經(jīng)過一段從低到高，從單一到復雜的發(fā)展階段。目前我國已建和正在籌建中的、高度超過150m的高層建筑近20棟，主要分布在上海、廣州、北京、深圳等大城市。1998年在上海建成的金茂大廈(88層，420.5m)曾是世界第三高樓。

2 高層建筑結構的主要特點

(1)水平荷載對結構的影響大，側(cè)移成為結構設計的主要控制目標之一。其根本原因就是高層建筑結構側(cè)移和內(nèi)力隨高度的增加而急劇增加。例如，一豎向懸臂桿件在豎向荷載下產(chǎn)生的軸力僅與高度成正比，但在水平荷載下的彎矩和側(cè)移卻分別與高度呈二次方和四次方的曲線關系。所以，在高層建筑結構中，除了像多層或低層房屋一樣進行強度計算外，還必須控制其側(cè)移的大小，以保證高層建筑結構具有足夠的剛度，避免因側(cè)移過大而造成的結構開裂、破壞、傾覆以及一些次要構件和裝飾的損壞。

(2)多種變形影響大。高層建筑結構由于層數(shù)多、高度高、軸力很大，沿高度引起的軸向變形很顯著，中部構件與邊部、角部構件的變形差別大，對結構的內(nèi)力分配影響大，因而對構件中的軸向變形影響必須加以考慮;另外，在剪力墻結構體系中還應計算整片墻或墻肢的剪切變形，在筒體結構中還應計算剪變滯后的影響等。

(3)扭轉(zhuǎn)效應大。當結構的質(zhì)量分布、剛度分布不均勻時，高層建筑結構在水平荷載作用下容易產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)作用，扭轉(zhuǎn)作用會使抗側(cè)力構件的側(cè)移發(fā)生變化，從而影響各個抗側(cè)力結構構件(柱、剪力墻或筒體)所受到的剪力，進而影響各個抗側(cè)力構件及其他構件的內(nèi)力與變形。既使在結構的質(zhì)量和剛度分布均勻的高層建筑結構中，其在水平荷載作用下也仍然存在扭轉(zhuǎn)效應。

(4)結構延性是度量結構抗震性能的重要指標。相對于較低樓房而言，高層建筑結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。因此，必須運用概念設計方法，對引起結構不安全的各種因素做綜合的、宏觀的、定型的分析并采取相應的措施，以求在總體上降低結構破壞概率。

3 高層建筑結構分析

3.1 高層建筑結構分析的基本假定

高層建筑結構是由豎向抗側(cè)力構件(框架、剪力墻、筒體等)通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。要完全精確地按照三維空間結構進行分析是十分困難的。實際工程中，對結構分析都需要對計算模型進行不同程度的簡化，其中常見的基本假定有:

(1)彈性假定。目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般水平荷載作用下，結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是，在遭受地震或強臺風作用時，高層建筑結構往往會產(chǎn)生較大的位移而出現(xiàn)裂縫，并進入到彈塑性工作階段。此時，仍按彈性方法計算內(nèi)力和位移則不能反映結構的真實工作狀態(tài)，應按彈塑性動力分析方法進行設計。

(2)小變形假定。小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。據(jù)研究統(tǒng)計，當頂點水平位移Δ與建筑物高度H的比值Δ/H＞1/500時，P－Δ效應的影響不能忽視。

(3)剛性樓板假定。很多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度，簡化了計算方法，并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，豎向剛度有突變的結構、主要抗側(cè)力構件間距過大或是層數(shù)較少等三種情況均對樓板變形的影響較大，特別是對結構底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯，此時，可將這些樓層的剪力作適當調(diào)整來考慮這種影響。

(4)計算圖形的假定。高層建筑結構體系整體分析采用的計算圖形有以下三種:即一維協(xié)同分析、二維協(xié)同分析和三維空間分析。其中一維協(xié)同分析各抗側(cè)力構件只考慮一個位移自由度，計算簡單，主要用于手算方法的計算簡圖;二維協(xié)同分析各抗側(cè)力構件的位移由三個自由度確定，主要用于中小微型計算機上的桿系結構分析程序;三維空間分析在前兩者的分析基礎上既考慮了抗側(cè)力構件的公共節(jié)點在樓面外的位移協(xié)調(diào)(豎向位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào))，又考慮了抗側(cè)力構件平面外的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對具有明顯空間工作性能的筒體結構的影響。三維空間分析普通桿單元每一節(jié)點有6個自由度，按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點還應考慮截面翹曲，有7個自由度，較前兩者的計算更為精確。

3.2 高層建筑結構靜力分析方法

(1)框架-剪力墻結構。

框架-剪力墻結構內(nèi)力與位移計算的方法很多，大都采用連續(xù)化建立常微分方程的方法?？蚣?剪力墻結構的計算方法通常是將結構轉(zhuǎn)化為等效壁式框架采用桿系結構矩陣位移法求解。

(2)剪力墻結構。

剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。不同類型的剪力墻其截面應力分布也不同，計算內(nèi)力與位移時需采用相應的計算方法。剪力墻結構的計算方法為平面有限單元法，此法較為精確且對各類剪力墻都能適用。

(3)筒體結構。

筒體結構的分析方法按照對計算模型處理手法的不同可分為三類:等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。①等效連續(xù)化方法是將結構中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。②等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應用適合桿系結構的方法進行分析。③比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計算模型是完全按三維空間結構分析筒體結構體系，其中應用最廣的是空間桿-薄壁桿系矩陣位移法。該方法是將高層結構體系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結構?？臻g梁柱每端節(jié)點有6個自由度。核心筒或剪力墻的墻肢采用符拉索夫薄壁桿件理論進行分析，每端節(jié)點有7個自由度，比空間桿增加一個翹曲自由度，對應的內(nèi)力是雙彎矩。三維空間分析精度較高，但其未知量較多，計算量較大，在不引入其它假定時，每一樓層的總自由度數(shù)為6Nc+7Nw(Nc、Nw為柱及墻肢數(shù)目)。通常均引入剛性樓板假定，并假定同一樓面上各薄壁柱的翹曲角相等，這樣，每一樓層總自由度數(shù)即降為3(Nc+Nw)+4，這是目前工程上采用最多的計算模型。

4 結語

隨著高層建筑進一步的發(fā)展，高層建筑的形式、材料、力學分析模型都將日趨復雜多元，為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力，追求新的結構形式和更加合理的力學模型將是土木工程師們的奮斗目標和方向。

［1］張仲先，王海波，主編.高層建筑結構設計［M］.北京:北京大學出版社，2006.