高层建筑结构设计及结果分析
关键词：高层建筑；结构设计；判断
对高层钢筋混凝土结构设计而言，在设计前期，通过建筑师与结构工程师的密切配合，正确运用结构概念设计理论，优选结构体系，并进行总体结构布置，可以初步得出一个性能良好、造价经济的结构方案，为后续结构设计打好基础。然而，初步设计方案的优劣还需通过对分析软件的计算结果进行研究和判断，来确定结构设计是否合理，以及是否需要进一步优化。
1高层建筑结构设计特点
1．1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。
1．2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。
1．3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。
2高层建筑的结构体系
2．1框架－剪力墙体系。当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架－剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架－剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架－剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。
2．2剪力墙体系。当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架－剪力墙体系。
2．3筒体体系。凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体－框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。
3工程主要计算结果的分析
3．1墙柱轴压比简图
该计算简图是SATWE后处理中的一项图形输出文件，主要反映各竖向构件在重力荷载代表值作用下的轴压比数值，此项数值应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)6．4．2及7．2．14的限值要求。此项数据能反映墙柱平面分布是否均匀，竖向承载力及延性性能是否足够。如果各个墙柱的轴压比大小分布比较均匀，表明墙柱在平面中布置较合理；如相差悬殊，宜调整墙柱平面布置，或可适当减小轴压比较小的墙柱截面，以求经济。本结构的墙柱轴压比计算结果均未超过限值(在0．45—0．56之间，限值为0．6)，且分布较均匀，对东、西两端个别长墙(轴压比较小)开洞减小墙截面尺寸。
3．2结构设计信息输出文件
该文件是设计参数输出文件，前面5部分分别是输入的结构分析控制参数、各层的楼层质量和质心坐标、风荷载等有关信息，以供设计者对原设计参数检查核对，设计者应着重分析后几项数据。文件第七部分输出内容“相邻层抗侧移刚度比”是反映结构抗侧刚度沿竖向分布是否均匀连续的重要数据。根据《高规》4．4．2条的要求：“抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％，”即此部分内容中RaTx1、RaTy1数据如果均大于1，则抗侧刚度沿竖向分布均匀连续，为竖向规则结构，说明竖向构件布置较合理；如有不满足的，此层为薄弱层，即为竖向不规则结构，说明竖向构件布置可进行优化。如层高不可变时，可增大薄弱层构件的截面尺寸和增加竖向构件的数量，或者在结构总刚度满足要求的前提下适当减小上部竖向构件的截面尺寸和数量。当然结构不易调整时也可不调整。可按《高规》3．3．13条规定在水平地震作用计算时“对于竖向不规则结构的薄弱层水平力地震系数尚应乘以1．15的增大系数”。同时按《高规》5．5条规定对薄弱层进行弹塑性变形验算。满足要求即可。本结构此部分内容中RaTx1、RaTy1数据均大于l，则为竖向规则结构，说明竖向构件布置较合理。文件第十部分输出的“楼层抗剪承载力及承载力比值”是反映整体结构抗剪承载力竖向分布是否均匀的内容，应满足《高规》4．4．3条的规定，否则应对不满足楼层竖向构件按前述方法进行调整。第七和第十两部分内容都是控制结构竖向规则性的重要数据，应严格控制。文件第九部分输出的“结构整体稳定验算结果”是反映整体结构在风荷载和地震作用下的稳定性和重力二阶效应的内容。输出结果如不满足《高规》强制性条款5．4．4条的规定。应调整并增大结构的抗侧刚度。来提高结构的刚度与重力荷载之比(刚重比)。另外，对于是否应考虑重力二阶效应，《高规》5．4．1条给出了判断条件，这项结果中给出了判断结论，如果需要考虑，可修改SATWE前处理——分析与设计参数来补充定义中设计信息的相应项，考虑二阶效应后计算的位移仍应满足《高规》4．3．1条的规定。本结构的计算结果是x(长向)向刚重比等于6．06、Y向(短向)刚重比等于3．6l，都满足规范要求，但Y向相对偏弱，可适当加强Y向抗侧构件，减小x向抗侧构件。
在高层建筑结构设计中，首先运用概念设计理论选定建筑适合的结构体系及结构构件布置，然后应用分析软件对初步结构方案进行计算，按上述几个方面内容对计算结果进行分析研究，可判断出原结构设计不合理之处，这样对建筑结构方案可进行有针对性的修改和优化，使结构设计更趋向合理和经济。
参考文献：
徐至钧.赵锡宏.超高层建筑结构设计与施工[M]机械工业出版社2007
周云.高层建筑结构设计[M]武汉理工大学出版社2006
程懋堃.高层建筑结构构造资料集[M]中国建筑工业出版社2005