浅析我国高层建筑的结构工程设计与研究

浅析我国高层建筑的结构工程设计与研究

摘要：目前广泛使用的钢-混凝土结构，是将钢结构与混凝土结构相互取长补短

形成的一种新型的结构形成。尤其是钢管混凝土，与预应力混凝土相似，更将这

两种材料能动地结合起来，实现了结构材料的又一次革命。高层建筑目前在我们

的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。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。

关键词：高层建筑结构设计抗震设计理念

目前广泛使用的钢-混凝土结构，是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成

的一种新型的结构形成。尤其是钢管混凝土，与预应力混凝土相似，更将这两种

材料能动地结合起来，实现了结构材料的又一次革命。钢管混凝土的原理有二：（1）借助钢管对核心混凝土的约束，使核心混凝土有更高的强度和变形能力；（2）核心混凝土又对钢管壁的稳定提供了有效可靠的支撑。钢管混凝土的极限

承载力远大于钢管和核心混凝土两者的承载力之和，约为两者之和的17～20倍，其极限变形能力是普通钢筋混凝土的几倍甚至几十倍，这是钢材与混凝土的又一

次理想结合。它的出现，使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性，对结构

抗震的延性设计意义巨大，也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解。

1、高层建筑结构设计的特点

1.1 轴向变形不容忽视：高层建筑中，竖向载荷很大，能在柱中引起较大的轴

向变形，对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩减小，跨中正

弯矩和端支座负弯矩值增大；此外还会对预测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。

1.2 结构延性是重要设计指标：相对于底层建筑而言，高层建筑的结构更柔和

一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使高层建筑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。

1.3 水平荷载成为决定因素：一方面，因为高层建筑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

变化。

2、结构延性是高层建筑设计重要性质

延性是指构件和结构屈服后，在承载能力不降低或基本不降低的情况下，具

有足够塑性变形能力的一种性能，一般用延性比来表示。对于受弯构件来说，随

着荷载增加，首先受拉区混凝土出现裂缝，表现出非弹性变形。然后受拉钢筋屈服，受压区高度减小，受压区混凝土压碎，构件最终破坏。从受拉钢筋屈服到压

区混凝土压碎，是构件的破坏过程。在这过程中，构件的承载能力没有多大变化，但其变形的大小却决定了破坏的性质。是钢筋砼受弯构件的M－Δ（Φ）曲线，

Δy是屈服变形，Δu是极限变形。提高延性可以增加结构抗震潜力，增强结构抗

倒塌能力。高层建筑相对低层结构而言，结构设计更柔一些，如果遇到地震，震

动作用下的建筑结构变形更大一些。为了做好防震设计，避免倒塌，建筑在进入

塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，特别需要在构造上采以适当的设计，确

保建筑设计具有很好的延性。

3、高层建筑结构分析

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件（框架、剪力墙、筒体等）通过水平楼板

连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分

困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常

见的一些基本假定：

（1）弹性假定。目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计

算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定

基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构

往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法

计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进

行设计。

（2）小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不

少人对几何非线性问题（P－Δ效应）进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H > 1/500时， P－Δ效应的影响就不能忽视了。

（3）刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面

内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的

自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖

向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等

情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更

为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

4、高层建筑的抗震设计理念

我国《建筑抗震规范》（GB50011-2001）对建筑的抗震设防提出“三水准、两

阶段”的要求，“三水准”即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。当遭遇第一设防烈

度地震即低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，结构处于弹性变形阶段，建筑

物处于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。因此，要

求建筑结构满足多遇地震作用下的承载力极限状态验算，要求建筑的弹性变形不

超过规定的弹性变形限值。当遭遇第二设防烈度地震即相当于本地区抗震设防烈

度的基本烈度地震时，结构屈服进入非弹性变形阶段，建筑物可能出现一定程度

的破坏。但经一般修理或不需修理仍可继续使用。因此，要求结构具有相当的延

性能力（变形能力）不发生不可修复的脆性破坏。当遭遇第三设防烈度地震即高

于本地区抗震设防烈度的罕遇地震时，结构虽然破坏较重，但结构的非弹性变形

离结构的倒塌尚有一段距离。不致倒塌或者发生危及生命的严重破坏，从而保障

了人员的安全。因此，要求建筑具有足够的变形能力，其弹塑性变形不超过规定

的弹塑性变形限值。

三个水准烈度的地震作用水平，按三个不同超越概率（或重现期）来区分的：多遇地震：50年超越概率63.2%，重现期50年；设防烈度地震（基本地震）：

50年超越概率10%，重现期475年；罕遇地震：50年超越概率2%－3%，重现期1641－2475年，平均约为2000年。

对建筑抗震的三个水准设防要求，是通过“两阶段”设计来实现的，其方法步

骤如下：第一阶段：第一步采用与第一水准烈度相应的地震动参数，先计算出结

构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力荷载效应组合，并引入承载力抗震