紀則亦

摘要：有關高層建筑的定義目前尚沒有統(tǒng)一規(guī)定，從理論上講應按照結(jié)構的受力特性來劃分，即按水平作用對建筑物的影響程度來劃分。高層建筑結(jié)構的合理性和科學性，促使高層建筑的結(jié)構更進一步的提高，主要是新材料、抗震、低碳及新技術的廣泛應用。

關鍵詞：高層建筑;新材料;抗震;低碳

前 ?言

高層建筑在世界范圍內(nèi)普遍引起重視和發(fā)展，除了城市建設的布局需要以外，土地資源的稀缺性也推動著高層建筑的研究。不同的國家或地區(qū)根據(jù)其具體情況，綜合建筑類別、材料品種以及防火要求等因素，還有自己的規(guī)定。如美國把高層建筑的起始高度規(guī)定為22～25 m或?qū)訑?shù)在7層以上;日本規(guī)定層數(shù)為11層，或建筑高度為31 m;德國規(guī)定層數(shù)為22層（含室內(nèi)地面）;法國規(guī)定為住宅高度在50 m以上，其他建筑28 m以上。

一、高層建筑的界限

在我國，關于高層建筑的界限規(guī)定也未完全統(tǒng)一。行業(yè)標準《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》（JGJ3—2002）（以下簡稱高規(guī)）規(guī)定，10層及10層以上和高度超過28 m的鋼筋混凝土民用建筑屬于高層建筑。國家標準《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB 50045-1995）規(guī)定，10層及10層以上的住宅建筑（包括底層設置商業(yè)服務網(wǎng)點的住宅）和建筑高度超過24 m的公共建筑為高層建筑。建筑高度指建筑物室外地面到其檐口或屋面、屋面板板頂?shù)母叨?，屋頂上的瞭望塔、水箱間、電梯機房、排煙機房和出屋面的樓梯間等不計入建筑高度和層數(shù)內(nèi)。

二、高層建筑設計特點

1.水平荷載對結(jié)構的影響大，側(cè)移成為結(jié)構設計的主要控制目標之一

對一般建筑物，其材料用量、造價及結(jié)構方案的確定主要由豎向荷載控制，而在高層建筑結(jié)構中，高寬比增大，水平荷載（包括風力和地震力）產(chǎn)生的側(cè)移和內(nèi)力所占比重增大，成為確定結(jié)構方案、材料用量和造價的決定因素。其根本原因就是側(cè)移和內(nèi)力隨高度的增加而迅速增長。

2.樓（屋）蓋結(jié)構整體性要求高

高層建筑結(jié)構的整體共同工作特性主要是各層樓板（包括樓面梁系）作用的結(jié)果，由于樓板在自身平面內(nèi)的剛度很大，變形較小，故在高層建筑中一般都假定樓板在自產(chǎn)生平面內(nèi)只有剛體位移（僅產(chǎn)生平動和轉(zhuǎn)動），而不改變形狀，并忽略樓板平面之外的剛度。因此，在高層建筑結(jié)構中的任一樓層高度處，各抗側(cè)力結(jié)構都要受到樓板剛體移動的制約，即所謂的位移協(xié)調(diào)，這時抗側(cè)剛度大的豎向平面結(jié)構必然要分擔較多的水平力。

3.高層建筑結(jié)構中構件的多種變形影響大

在一般房屋結(jié)構分析中，通常只考慮構件彎曲變形的影響，而忽略構件軸向變形和剪切變形的影響，一般是因為其構件的軸力和剪力產(chǎn)生的影響很小。而對于高層建筑結(jié)構，由于層數(shù)多、高度高，軸力很大，從而沿高度逐漸積累的軸向變形很顯著，中部構件與邊部、角部構件的軸向變形差別大，對結(jié)構內(nèi)力分配的影響大，因而構件中的軸向變形影響必須加以考慮。

4.結(jié)構受到動力荷載作用時的動力效應大

根據(jù)結(jié)構本身的特點不同，如結(jié)構的類型與形式，結(jié)構的高度與高寬比，結(jié)構的自振周期與材料的阻尼比等的不同，結(jié)構受到地震作用或風荷載作用時，產(chǎn)生的動力效應對結(jié)構的影響也不同，有時這種動力效應嚴重影響結(jié)構物的正常使用，甚至造成房屋的破壞。

5.扭轉(zhuǎn)效應大

當結(jié)構的質(zhì)量分布、剛度分布不均勻時，高層建筑結(jié)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)力結(jié)構的側(cè)移發(fā)生變化，從而影響各個抗側(cè)力結(jié)構構件（柱、剪力墻或筒體）所受到的剪力，并進而影響各個抗側(cè)力結(jié)構構件及其他構件的內(nèi)力與變形。因此，在高層建筑結(jié)構設計中，結(jié)構的扭轉(zhuǎn)效應也是不可忽視的問題。

6.必須重視結(jié)構的整體穩(wěn)定和抗傾覆問題

在高層建筑結(jié)構設計中，應該重視結(jié)構的整體穩(wěn)定性與結(jié)構的抗傾覆能力，防止結(jié)構發(fā)生整體失穩(wěn)的破壞情況。

三、高層建筑的發(fā)展趨勢

1.新材料的開發(fā)和應用

隨著高性能混凝土材料的研制和不斷發(fā)展，混凝土的強度等級和韌性性能也不斷地改善?；炷恋膹姸鹊燃壱呀?jīng)可以達到C100甚至更高，在高層建筑中應用高強度混凝土，可以減小結(jié)構構件的尺寸，減少結(jié)構自重，必將對高層建筑結(jié)構的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。高強度具有良好可焊性的厚鋼板將成為今后高層建筑鋼結(jié)構的主要用鋼，而耐火鋼材FR鋼的出現(xiàn)為鋼結(jié)構的抗火設計提供了方便。

2.層數(shù)增多，高度加高

由于城市規(guī)劃、用地緊張和使用功能等原因，我國高層建筑目前也有一些正在設計或施工的80層以上的建筑。在地震區(qū)的鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構設計中，我國處在世界領先地位。

3.組合結(jié)構高層建筑增多

采用組合結(jié)構可以建造比混凝土結(jié)構更高的建筑。在強震國家日本，組合結(jié)構高層建筑發(fā)展迅速，其數(shù)量已超過混凝土結(jié)構高層建筑。除外包混凝土組合柱外，鋼管混凝土組合柱應用很廣泛，外包混凝土和鋼管混凝土雙重組合柱的應用也很多。由于鋼管內(nèi)混凝土在處于受壓狀態(tài)時，能提高構件的豎向承載力，從而可以節(jié)省鋼材。

4.新型結(jié)構形式的應用增多

已建成的香港中國銀行大廈和正在籌劃中的芝加哥532 m高的摩天大樓方案，都采用了桁架筒體，并將全部垂直荷載傳至周邊結(jié)構，它們的單位面積用鋼量都僅約150 kg/m2，特別節(jié)省鋼材。預計這種結(jié)構體系今后在300 m以上的高層建筑中將得到更多的應用。巨型框架體系由于其剛度大，便于在內(nèi)部設置大空間，今后也將得到更多的應用?，F(xiàn)已表明多束筒體系在適應建筑場地、豐富建筑造型、滿足多種功能和減小剪力滯后等方面具有很多優(yōu)點，預計今后也將擴大應用。

5.平面布置與豎向體型更加復雜

近年來，出現(xiàn)了不規(guī)則、不對稱和曲線形的建筑平面，這固然是由于建筑功能和城市規(guī)劃的需要，但結(jié)構分析技術和計算手段的提高也為它創(chuàng)造了前提條件。另外，由于現(xiàn)代高層建筑向多功能綜合性發(fā)展，內(nèi)設辦公室、旅館、住宅、商店、餐廳和文體等服務項目，因此要求不同樓層有不同的結(jié)構布置，使得沿豎向發(fā)生結(jié)構形式和剛度的突變，需通過承托大梁或過渡層過渡，這樣就對結(jié)構設計提出了更高的要求。

6.耗能減震技術的應用將得到發(fā)展

建筑結(jié)構的減震有被動耗能減震和主動減震（有時也稱被動控制和主動控制）兩種。在高層建筑中被動耗能減震結(jié)構有耗能支撐、帶豎縫耗能剪力墻，被動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器以及安裝各種被動耗能的油阻尼器等。主動減震則是由計算機控制，由各種驅(qū)動器驅(qū)動的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器對結(jié)構進行主動控制或混合控制。結(jié)構主動減震的基本原理是通過安裝在結(jié)構上的各種驅(qū)動裝置和傳感器與計算機系統(tǒng)相連接，計算機系統(tǒng)對地振動（或風振）和結(jié)構反應進行實時分析，向驅(qū)動裝置發(fā)出信號，驅(qū)動裝置對結(jié)構不斷地施加各種作用，以達到在地震（或風振）作用下減小結(jié)構反應的目的。

四、結(jié)束語

隨著我國大城市的發(fā)展，城市用地緊張，市區(qū)地價日益高漲，促使高層建筑越建越高。如何從我國高層建筑設計現(xiàn)狀及國際高層設計發(fā)展的趨勢出發(fā)，探求一種新型的結(jié)構與材料的應用，應該成為我國高層建筑發(fā)展的新方向。

參考文獻：

[1]包世華，張銅生.高層建筑結(jié)構設計和計算[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]李惠強.高層建筑施工技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.