高层建筑结构分析与设计理论

1、1 引引言高层建筑筑高度的的定义是是一个相相对模糊糊的概念念。从高高度和层层数上来来说，对对高层建建筑的定定义，世世界各国国规范和和规定都都不太一一致。按按照我国国高层层建筑混混凝土结结构技术术规程JJGJ 3-220022，将将层数超超过(含等于于)100层，或或者高度度大于等等于288m的建建筑称为为高层建建筑，而而往往把把其中高高度在1100mm以上的的高层建建筑又叫叫做超高高层建筑筑。现代高层层建筑是是随着社社会生产产的发展展和人们们生活的的需要而而发展起起来的，是商业业化，工工业化和和城市化化的结果果。而科科学技术术的进步步，轻质质高强材材料的出出现以及及机械化化，电气气化，计计算机

2、在在建筑领领域的广广泛应用用等，又又为高层层建筑的的发展提提供了物物质和技技术条件件。因此此，从这这个意义义上来讲讲，高层层建筑和和超高层层建筑的的出现和和发展是是现代工工业和现现代社会会发展的的产物。11高高层建筑筑的历史史概况在世界范范围，现现代意义义上的高高层建筑筑的发展展大约只只有1220年的的历史。18883年在在美国芝芝加哥建建成的111层的的家庭保保险大楼楼(Hoome Inssuraancee Buuilddingg)是近近代高层层建筑的的开端，随后在在芝加哥哥和纽约约开始了了大规模模的高层层建筑的的建设活活动。到到19331年在在纽约建建造了著著名的帝帝国大厦厦(Immpir

3、re SStatte BBuilldinng)，共1002层，3811m高，这个高高度使它它享有“世界最最高建筑筑”的美美誉长达达40年之之久。220世纪纪50年代代之后，轻质高高强材料料的应用用，新的的抗风抗抗震结构构体系的的发展，电子计计算机的的推广使使用以及及新的施施工机械械的涌现现，使得得高层建建筑得到到了大规规模地迅迅速发展展。19972年年，纽约约建造了了1100层，高高4100米的世世界贸易易中心(Worrld Traade Cennterr Twwin Towwerss)；紧紧接着一一年之后后，在芝芝加哥又又建成了了当时世世界最高高的西尔尔斯大厦厦(Seearss Toower

4、r)，高高度达到到4433米，这这充分标标志着高高层建筑筑的设计计和建造造水平又又迈上了了一个新新的台阶阶。随后后，超高高层建筑筑在世界界各国都都得到了了迅速的的发展。到目前前为止，世界上上最高的的建筑是是19996年在在马来西西亚吉隆隆坡建成成的石油油双子大大厦，888层，钢与钢钢筋混凝凝土混合合结构，高度达达到了4450mm。高层建筑筑在我国国的建设设基本上上是从解解放后开开始的，五六十十年代在在北京，广州等等大城市市相继建建成了一一些一二二十层的的高层建建筑，但但数量很很少。119688年建成成的广州州宾馆，27层，高度888m，是600年代我我国建成成的最高高建筑。从200世纪700年

5、代开开始，我我国高层层建筑有有了很大大的发展展，主要要用于住住宅，旅旅馆和办办公楼等等建筑。这主要要是由于于高层建建筑具有有占地面面积小，节约市市政工程程费用，节省拆拆迁费用用等优点点，因此此在大城城市中，高层住住宅和底底层带商商店的住住宅建筑筑发展非非常迅速速。特别别是进入入90年代代以后，随着我我国综合合国力的的不断增增强，对对外开放放程度的的进一步步加大，高层建建筑的设设计和建建设水平平也不断断地飞跃跃发展，并迅速速接近国国际水平平。从下下面列举举的几个个我国内内地在各各个阶段段具有代代表性的的高层建建筑便可可以很明明显地看看出这种种发展变变化。119766年在广广州建成成的白云云宾馆，

6、33层，高度1114mm，是700年代我我国最高高建筑。19885年，深圳建建成了550层，高度1159mm的国际际贸易中中心大厦厦，在99年之后后第一次次在高度度上超过过了白云云宾馆。19990年，北京的的京广中中心大厦厦建成，57层，高度2208mm，是国国内第一一座高度度突破2200mm的建筑筑。19996年年，全国国最高建建筑让位位给深圳圳的地王王大厦，81层，高度达达到3225m。但仅隔隔两年，到19998年年，上海海的金茂茂大厦落落成，888层，高度4421mm，成为为目前全全国第一一，亚洲洲第二，世界第第三的建建筑。12高高层建筑筑的发展展趋向进入新世世纪以来来，亚洲洲经济成成为

7、世界界经济的的新的增增长点，高层建建筑结构构在亚洲洲特别是是在中国国更是得得到了前前所未有有的迅猛猛发展，各种结结构类型型，结构构体系的的高层建建筑不断断涌现，而设计计理论和和施工技技术的进进步又进进一步推推动了高高层建筑筑的前进进。通过对现现有高层层建筑进进行类比比分析和和归纳可可以得出出高层建建筑发展展的一些些总的趋趋向，下下面是对对目前1100幢幢世界最最高建筑筑的分析析比较得得出的一一些结论论：超高层建建筑的数数量在不不断快速速增加。200mm3000m的超超高层建建筑数量量最多。超高层建建筑的建建筑功能能和用途途在不断断拓宽。结构类型型和结构构体系呈呈现多样样化趋势势。超高层建建筑的

8、发发展速度度是很快快的，现现有的高高度记录录相信很很快就会会成为历历史。近近期同济济大学刚刚刚完成成了设计计高度为为4911m，1011层的上上海环球球金融中中心的振振动台实实验，实实验结果果将用于于修正下下一阶段段的设计计。在日日本和我我国台湾湾，都已已经完成成了高度度超过5500mm的高层层建筑的的方案设设计。相相信在不不久的将将来，必必将会出出现越来来越多的的高层和和超高层层建筑。2 高高层建筑筑结构类类型和结结构体系系21高高层建筑筑的结构构类型钢和钢筋筋混凝土土两种材材料都是是建造高高层建筑筑的重要要材料，但各自自有着不不同的特特点。因因此，在在不同国国家，不不同地区区，不同同条件下

9、下，如何何正确选选用材料料，充分分利用其其优点，就成为为经济合合理地建建造高层层建筑的的一个重重要方面面。我国的高高层建筑筑，目前前主要采采用混凝凝土结构构类型，这既符符合我国国国情，可适应应使用要要求并降降低工程程造价，也符合合相关规规范关于于适用高高度的规规定。而而对于高高度超过过1000m的超超高层建建筑，特特别是建建于抗震震设防地地区的超超高层建建筑，由由于国内内外对钢钢筋混凝凝土结构构的实践践经验还还较少，因此在在考虑结结构方案案时，主主要关注注于钢结结构和钢钢骨混凝凝土结构构等方案案。这既既符合当当前的经经济技术术条件，而且这这类结构构也具有有相应的的优越性性。下面面对高层层建筑和

10、和超高层层建筑中中所常用用的结构构类型进进行简要要的介绍绍。2. 11. 11高层建建筑钢筋筋混凝土土结构钢筋混凝凝土结构构在我国国高层建建筑中所所占比例例最大，数量最最多，特特别适合合于量大大面广的的2030层以以内的小小高层住住宅，办办公楼，酒店等等建筑。由于城城市的发发展，在在大城市市，特大大城市的的中心区区域城市市用地日日趋紧张张，因此此也促进进了高层层建筑的的发展。针对我我国国情情，混凝凝土结构构造价较较低，虽虽然施工工周期较较长，但但由于低低廉的人人工费用用，仍然然使得在在高层建建筑方案案选定时时混凝土土结构具具有相当当的优势势。另一一方面，混凝土土结构在在我国发发展时间间较长，设

11、计和和施工经经验丰富富，设计计计算方方法为广广大设计计人员熟熟知，这这也是混混凝土高高层建筑筑的一个个优势。但当结结构高度度超过1100mm之后，混凝土土结构构构件必然然十分粗粗大，较较大的自自重比例例以及较较大的结结构面积积，都使使得混凝凝土结构构类型不不再完全全适合，这也为为其它几几种结构构类型带带来了发发展空间间。2. 11. 22高层建建筑钢结结构相对于钢钢筋混凝凝土结构构，高层层建筑钢钢结构有有以下主主要优点点：1由于于钢材具具有良好好的延性性，因此此其抗震震性能优优于混凝凝土结构构，更易易设计成成延性结结构来抵抵抗地震震作用。2由于于钢材强强度高，构件截截面面积积小，因因此能够够有

12、效减减轻结构构自重，降低基基础工程程造价。3基于于与第二二条同样样的原因因，采用用钢结构构能够大大大减少少建筑中中结构所所占面积积。4大部部分钢结结构构件件在工厂厂制作，再运至至施工现现场安装装，因此此可以缩缩短施工工周期。对于钢结结构高层层建筑而而言，也也存在一一些缺点点，诸如如钢结构构的耐火火能力较较差，造造价相对对较高以以及国内内施工不不易落实实大截面面钢材供供应等。2. 11. 33高层建建筑钢混凝土土混合结结构在高层建建筑中部部分抗侧侧力结构构采用钢钢结构，另一部部分采用用钢筋混混凝土结结构（或或部分采采用钢骨骨混凝土土结构）。这种种结构类类型可称称为钢混凝土土混合结结构。在在多数情

13、情况下是是采用钢钢筋混凝凝土作筒筒（剪力力墙），用钢材材作框架架梁柱。该类型型结构的的主要优优点为：1由于于采用钢钢筋混凝凝土核心心筒和剪剪力墙作作抗侧力力结构，故侧向向刚度大大于钢结结构，层层间位移移和顶点点侧移均均较小。2钢混凝土土结构的的用钢量量小于钢钢结构，又可节节省部分分防火涂涂料费用用，因此此结构造造价介于于钢结构构和钢筋筋混凝土土结构之之间。3施工工速度比比钢筋混混凝土结结构有所所加快，施工周周期也可可适当缩缩短。4结构构面积小小于钢筋筋混凝土土结构。钢混凝凝土混合合结构也也存在一一些问题题，如混混凝土内内筒的刚刚度退化化将加大大钢框架架的剪力力；抗震震性能分分析有待待进一步步完

14、善；以及混混凝土内内筒施工工误差远远大于钢钢结构，二者在在连接方方面存在在一些问问题等。2. 11. 44高层建建筑钢骨骨混凝土土结构钢骨混凝凝土结构构是采用用钢材代代替部分分或全部部钢筋来来加强钢钢筋混凝凝土构件件。实践践中可将将钢材（型钢）放在构构件内部部，外包包混凝土土；也可可在钢管管内部填填充混凝凝土，作作成外包包钢管混混凝土构构件。前前者又可可称作劲劲性混凝凝土结构构，可充充分利用用外包混混凝土的的刚度和和耐火性性能，又又可利用用钢骨减减小构件件断面尺尺寸和改改善抗震震性能。国内外高高层建筑筑中，完完整地对对梁，柱柱，支撑撑及剪力力墙等均均采用钢钢骨混凝凝土的工工程实例例较少，主要应

15、应用在下下列情况况：在上上部钢结结构与钢钢筋混凝凝土地下下室或基基础之间间设置钢钢骨混凝凝土结构构层作为为过渡层层；用作作框筒结结构外筒筒的柱；用作钢钢混凝凝土结构构的外框框架柱；用作框框架柱及及内筒。钢骨混凝凝土结构构的主要要优点为为：1作为为良好的的结构过过渡层，可改善善地震区区建筑刚刚度突变变的不利利情况并并减少该该部位层层间位移移量。2造价价低于钢钢结构，防火能能力高于于钢结构构。3延性性优于钢钢筋混凝凝土结构构，刚度度大于钢钢结构。4施工工速度可可快于钢钢筋混凝凝土结构构。钢骨混凝凝土结构构存在的的主要问问题有：钢骨混混凝土梁梁，柱的的连接构构造复杂杂；钢骨骨混凝土土梁影响响压型钢钢

16、板的采采用进而而影响施施工速度度。22高高层建筑筑的结构构体系结构体系系是指结结构抵抗抗外部作作用的构构件组成成方式。在高层层建筑中中，抵抗抗水平力力成为设设计中的的主要矛矛盾，因因此抗侧侧力结构构体系的的确定和和设计成成为结构构设计的的关键问问题。高高层建筑筑中基本本的抗侧侧力单元元是框架架，剪力力墙，实实腹筒（又称井井筒），框筒，桁架筒筒，支撑撑等。由由这几种种单元可可以组成成多种类类型的结结构体系系，随着着时代的的发展，结构体体系会日日益多样样化。2. 22. 11钢筋混混凝土结结构的各各类结构构体系1框架架体系：由梁，柱构件件组成的的结构称称为框架架。整幢幢结构都都由梁，柱组成成，就称

17、称为框架架结构体体系，有有时称为为纯框架架结构。框架结结构的优优点是平平面布置置灵活多多样，但但由于在在水平力力作用下下呈现剪剪切型变变形特征征，侧向向变形较较大，故故框架结结构建造造高度不不宜过高高。2剪力力墙体系系：利用用高层建建筑的墙墙体（一一般为钢钢筋混凝凝土墙）作为承承受竖向向荷载，抵抗水水平荷载载的结构构，称为为剪力墙墙结构体体系。现现浇钢筋筋混凝土土剪力墙墙结构的的整体性性好，刚刚度大，在水平平荷载作作用下侧侧向变形形小，承承载力要要求也容容易满足足，适合合建造较较高的高高层建筑筑。3框架架剪力力墙（框框架筒筒体）体体系：在在框架结结构中设设置部分分剪力墙墙，使框框架和剪剪力墙两

18、两者结合合共同抵抵抗水平平荷载，就组成成了框架架剪力力墙结构构体系。如果把把剪力墙墙布置成成筒体，又可称称为框架架筒体体结构体体系。筒筒体的承承载能力力，侧向向刚度和和抗扭能能力都较较单片剪剪力墙大大大提高高，是提提高材料料利用率率的一种种有效途途径。4筒中中筒体系系：筒体体的基本本形式有有三种：实腹筒筒，框筒筒和桁架架筒。用用剪力墙墙围成的的筒体称称为实腹腹筒。在在实腹筒筒的墙体体上开出出许多规规则排列列的窗洞洞所形成成的开孔孔筒体称称为框筒筒，它实实际上是是由密排排柱和刚刚度很大大的窗裙裙梁形成成的密柱柱深梁框框架围成成的筒体体。如果果筒体的的四壁是是由竖杆杆和斜杆杆形成的的桁架组组成，则

19、则称为桁桁架筒。筒中筒筒结构是是由上述述筒体单单元的组组合，通通常由实实腹筒作作内部核核心筒，框筒或或桁架筒筒作外筒筒，由两两个筒体体共同抵抵抗水平平力作用用的空间间结构体体系。5多筒筒体系：当采用用多个筒筒体共同同抵抗侧侧向力时时，就称称为多筒筒结构，具体形形式有成成束筒及及巨型框框架。由由两个以以上的筒筒体排列列在一起起成束状状就构成成成束筒筒体系。利用筒筒体作为为柱，在在各筒体体之间每每隔数层层用巨型型梁相连连，筒体体和巨型型梁就形形成巨型型框架结结构体系系。2. 22. 22钢结构构，钢混凝土土结构及及钢骨混混凝土结结构的各各类结构构体系钢结构，钢混混凝土结结构和钢钢骨混凝凝土结构构这

20、三种种类型的的高层建建筑从广广义上都都属于高高层钢结结构的类类型。此此外，由由这三类类结构又又派生出出其它一一些结构构类型，例如：上部为为钢结构构下部为为钢骨混混凝土结结构的类类型；钢钢框架钢骨混混凝土内内筒结构构的类型型；钢骨骨混凝土土柱与钢钢梁组合合框架的的结构类类型；钢钢管混凝凝土柱与与钢梁组组合框架架的结构构类型。因此，上上述各种种结构类类型具有有多样化化的抗侧侧力结构构，也就就构成了了多种多多样的结结构体系系。下面面仅列出出各主要要结构体体系的名名称，而而不再具具体解释释其含义义。1钢框框架体系系2钢框框架钢钢支撑体体系3钢框框架钢钢内筒体体系4带伸伸臂桁架架的钢框框架钢钢内筒体体系

21、5钢框框筒体系系6筒中中筒及成成束筒体体系7钢框框架混混凝土剪剪力墙体体系8钢框框架混混凝土内内筒体系系9钢框框筒混混凝土内内筒体系系10钢钢管混凝凝土框架架柱及钢钢框架梁梁混凝凝土内筒筒体系11钢钢框架钢骨混混凝土内内筒体系系12钢钢框筒钢骨混混凝土内内筒体系系13组组合式内内筒体系系（钢骨骨混凝土土框架柱柱及钢框框架梁钢骨混混凝土内内筒体系系）14组组合式外外筒体系系（钢骨骨混凝土土框架柱柱及钢框框架梁构构成的外外筒体系系）3 高高层建筑筑结构分分析理论论31基基本计算算假定高层建筑筑是一个个复杂的的空间结结构。它它不仅平平面形状状多变，立面体体型也多多种多样样，而且且结构类类型和结结构体

22、系系各不相相同。对对这种高高次超静静定，多多种结构构型式组组合在一一起的空空间结构构，要进进行内力力和位移移计算，就必须须进行计计算模型型的简化化，引入入一些计计算假定定，得到到合理的的计算图图形。3. 11. 11弹性工工作状态态假定引入这一一假定，高层建建筑结构构内力和和位移可可按弹性性方法进进行计算算。在非非抗震设设计时，在竖向向荷载和和风荷载载作用下下，结构构应保持持正常使使用状态态，结构构处于弹弹性工作作阶段；在抗震震设计时时，结构构计算是是对多遇遇小震进进行时，此时结结构处于于不裂，不坏的的弹性阶阶段。因因此，从从结构整整体来说说，基本本处于弹弹性工作作状态，可按弹弹性方法法进行计

23、计算。此此时，叠叠加原理理可用，在不同同荷载作作用下也也可以进进行内力力组合。对于在在罕遇地地震作用用下的第第二阶段段验算，结构已已进入弹弹塑性阶阶段，现现行规范范的设计计处理方方法仍多多以弹性性计算的的结果通通过调整整或修正正来解决决。3. 11. 22 平平面抗侧侧力结构构假定一片框架架或一片片剪力墙墙在其自自身平面面内刚度度很大，可以抵抵抗在自自身平面面内的侧侧向力；而在平平面外的的刚度很很小，可可以忽略略，即垂垂直于该该平面的的方向不不能抵抗抗侧向力力。因此此，在计计算中可可按此假假定将整整个结构构划分为为不同方方向的平平面抗侧侧力结构构，共同同抵抗结结构承受受的侧向向水平荷荷载。3.

24、 11. 33 刚刚性楼板板假定水平放置置的楼板板，在其其自身平平面内刚刚度很大大，可视视为刚度度无限大大的平板板；楼板板平面外外刚度很很小，可可以忽略略。刚性性楼板将将各平面面抗侧力力结构连连接在一一起共同同承受侧侧向水平平荷载。由于以上上基本假假定，复复杂的高高层建筑筑结构的的计算可可大为简简化。由由于高层层建筑结结构的水水平荷载载主要是是风荷载载和地震震作用，因此高高层建筑筑结构的的分析可可分为下下述两个个问题：1. 总总水平荷荷载在各各片平面面抗侧力力结构之之间的分分配。荷荷载分配配和各片片平面抗抗侧力结结构的刚刚度变形形特点都都有关系系，不能能像低层层建筑结结构那样样按照受受荷面积积

25、计算各各片平面面抗侧力力结构的的水平荷荷载。2. 计计算每片片平面抗抗侧力结结构在所所分到的的水平荷荷载作用用下的内内力和位位移。32计计算分析析方法由于以上上基本假假定，复复杂的高高层建筑筑结构的的计算可可大为简简化。由由于高层层建筑结结构的水水平荷载载主要是是风荷载载和地震震作用，因此高高层建筑筑结构的的分析可可分为下下述两个个问题：1. 总总水平荷荷载在各各片平面面抗侧力力结构之之间的分分配。荷荷载分配配和各片片平面抗抗侧力结结构的刚刚度变形形特点都都有关系系，不能能像低层层建筑结结构那样样按照受受荷面积积计算各各片平面面抗侧力力结构的的水平荷荷载。2. 计计算每片片平面抗抗侧力结结构在

26、所所分到的的水平荷荷载作用用下的内内力和位位移。下面将按按照以上上原则简简述常规规高层建建筑结构构：框架架结构，剪力墙墙结构和和框架剪力墙墙结构的的内力和和位移计计算方法法。但这这些较为为传统的的计算方方法只能能适用于于较为规规则和简简单的高高层建筑筑结构，即只有有平移而而无扭转转的假定定下进行行计算和和分析。同时，为了完完整，也也简单叙叙述了筒筒体结构构的分析析计算方方法。3. 22. 11框架结结构框架结构构的内力力和位移移计算方方法很多多，在结结构力学学中比较较常用的的精确解解法有：力矩分分配法，无剪力力分配法法，迭代代解法等等。在实实用上往往往采用用由计算算机程序序分析的的算法：矩阵位

27、位移法。但通常常有一些些手算的的近似计计算方法法可用于于工程设设计，如如：多层层多跨框框架在竖竖向荷载载作用下下的分层层计算法法；多层层多跨框框架在水水平荷载载作用下下的反弯弯点法；多层多多跨框架架在水平平荷载作作用下的的D值法。侧移计计算多采采用D值法。多层多跨跨框架在在竖向荷荷载的作作用下，侧向位位移比较较小，计计算时可可忽略侧侧移的影影响，采采用力矩矩分配法法计算。由精确确分析可可知，每每层梁的的竖向荷荷载对其其它各层层杆件内内力的影影响不大大，因此此，可将将多层框框架分解解为一层层一层的的单层框框架分别别计算。在分层层计算时时，假定定上下柱柱的远端端为固定定端，而而实际上上为弹性性支承

28、。为了反反映这个个特点，除低层层外，其其它各柱柱的线刚刚度乘以以折减系系数0.9；此此外，传传递系数数修正为为1/33。多层多跨跨框架在在水平荷荷载作用用下，可可以将风风力和水水平地震震力化成成作用在在框架楼楼层节点点上的水水平集中中力。即即在层数数不多的的情况下下可以忽忽略轴向向变形的的影响，此时同同一层各各节点的的位移相相同。计计算水平平荷载作作用的反反弯点法法的要点点主要是是确定反反弯点的的高度和和剪力分分配系数数。由于于柱上下下端梁的的刚度不不一定都都相同，因此就就有了修修正反弯弯点法D值法，篇幅所所限，此此处不再再详述。3. 22. 22剪力墙墙结构对剪力墙墙进行内内力和位位移的手手

29、工近似似计算首首先要按按照剪力力墙的开开洞大小小和位置置进行剪剪力墙类类型划分分。对于于没有门门窗洞口口或只有有很小洞洞口的剪剪力墙，可以忽忽略洞口口的影响响，这种种墙叫做做整体墙墙，可用用材料力力学公式式按悬臂臂梁计算算。当门门窗洞口口稍微增增大一些些，剪力力墙中已已出现局局部弯矩矩，称作作小开口口剪力墙墙，仍可可按材料料力学公公式计算算然后再再加以适适当的修修正。洞洞口再大大一些的的有双肢肢剪力墙墙和多肢肢剪力墙墙，可采采用连续续杆法解解析求解解内力和和位移。当剪力力墙洞口口尺寸较较大，且且洞口上上梁的刚刚度已经经接近或或超过墙墙肢的刚刚度时，称作壁壁式框架架，可按按带刚域域的杆件件考虑剪

30、剪切变形形影响的的矩阵位位移法计计算。在在计算剪剪力墙结结构的内内力和位位移时，应考虑虑纵，横横墙的共共同工作作，即纵纵墙的一一部分可可作为横横墙的有有效翼缘缘；横墙墙的一部部分也可可作为纵纵墙的有有效翼缘缘。底层为框框架的剪剪力墙结结构是为为了适应应底层要要求大开开间而采采用的一一种结构构形式，标准层层采用剪剪力墙结结构，而而底层则则改用框框架结构构，即底底层的竖竖向荷载载和水平平荷载全全部由框框架的梁梁柱来承承受。这这种结构构类型由由于侧向向刚度在在底层楼楼盖处发发生突变变，震害害较为严严重，在在实际计计算分析析中应当当特别注注意框支支转换层层处应力力分布，而不能能简单的的套用普普通剪力力

31、墙结构构的计算算方法。3. 22. 33框架剪力墙墙结构在满足变变形协调调的条件件下，按按结构中中框架和和剪力墙墙各自的的刚度分分配它们们所承受受的水平平荷载，从而实实现二者者协同工工作。框框架和剪剪力墙承承担水平平荷载的的多少，主要取取决于二二者侧向向刚度之之比。对对框架剪力墙墙结构，按照框框架和剪剪力墙连连接方式式的不同同可分为为框架剪力墙墙铰接体体系和框框架剪剪力墙刚刚接体系系，一般般采用矩矩阵位移移法进行行计算，在工程程设计中中也可采采用借助助于图表表的简化化计算方方法。对框架剪力墙墙结构进进行计算算分析，关键在在于理解解其协同同工作的的原理。框架剪力墙墙体系在在水平荷荷载作用用下，由

32、由框架和和剪力墙墙共同承承受外荷荷载。二二者之间间的连接接可以有有两种类类型：通通过楼板板连接和和通过楼楼板连梁梁连接。对其进进行计算算主要需需要确定定的问题题就是要要计算出出总剪力力墙抗弯弯刚度和和框架与与剪力墙墙的抗弯弯刚度，从而达达到按刚刚度分配配外荷载载后可以以分别计计算的目目的。3. 22. 44筒体结结构筒体结构构是指由由一个或或几个筒筒体作为为承受水水平和竖竖向荷载载的高层层建筑结结构。筒筒体结构构适用于于层数较较多的高高层建筑筑，建筑筑平面宜宜为正方方形或接接近正方方形。按按筒体的的形式，布置和和数目上上的不同同，筒体体结构又又可分为为单筒，筒中筒筒和组合合筒。在在筒体结结构中

33、，往往将将位于建建筑平面面中心或或角部的的电梯井井等竖向向交通井井作为实实腹筒结结构，从从力学观观点来看看，实腹腹筒实际际上是一一个箱形形梁，因因此对实实腹筒的的分析计计算可以以参照箱箱梁的计计算方法法进行。应当注注意的是是，对于于宽度较较大的箱箱形梁，正应力力两边大大，中间间小的这这种不均均匀现象象称为剪剪力滞后后，忽略略剪力滞滞后作用用将对梁梁的强度度估计过过高。框筒结构构是由密密排的柱柱在每层层楼板平平面用窗窗裙墙梁梁连接起起来的空空腹筒。框筒的的受力特特点比一一个简单单的封闭闭筒更为为复杂。这主要要是由于于连梁的的柔性产产生了剪剪力滞后后现象，使得角角部的柱柱子轴向向应力增增加而使使中

34、间的的柱子轴轴向应力力减小，这一作作用使楼楼板产生生翘曲，并因此此引起内内部间隔隔和次要要结构的的变形。对框筒筒的计算算方法通通常有：简化的的初略计计算方法法，根据据初等梁梁理论计计算；简简化为平平面结构构的计算算方法；把筒体体空间结结构连续续化的计计算方法法等。这这些较为为传统的的方法主主要基于于能量法法为基础础的半解解析算法法，也只只能用于于较为规规则的情情形。33计计算机算算法和程程序由于上述述计算分分析方法法主要采采用简化化的解析析求解方方法或借借助与图图标来计计算，这这对于较较为简单单，平面面和立面面布置较较为规则则，层数数不太多多的高层层建筑结结构还可可以在不不致引起起过大误误差的

35、情情况下进进行分析析，而当当前大量量出现的的体形不不规则，平面立立面变化化多样的的高层特特别是超超高层建建筑结构构，用以以上的方方法就显显得无能能为力了了。因此此，在当当前计算算机发展展水平的的基础上上，对高高层建筑筑结构往往往采用用计算机机进行分分析和设设计。这这里，简简单介绍绍计算程程序的发发展历程程和有代代表性的的三代程程序。1. 协协同工作作计算程程序：是是最早出出现的计计算程序序，基于于刚性楼楼板假定定和平面面抗侧力力假定。其优点点是基本本未知量量较少，计算比比较简单单，但由由于仅考考虑了各各片抗侧侧力结构构在楼层层处水平平位移和和转动位位移的协协调，而而没有考考虑各片片抗侧力力结构

36、在在竖直方方向上的的协调，因此整整体性考考虑得不不够完善善。目前前这种计计算程序序基本已已被淘汰汰。代表表程序有有建研院院CADD工程部部的XTTJS。2. 空空间杆薄壁杆杆系计算算程序：将高层层建筑结结构视为为空间的的杆件体体系，杆杆件单元元除了一一般的杆杆单元外外，还有有模拟剪剪力墙的的结点有有7个自由由度的薄薄壁柱单单元。采采用空间间框架的的计算方方法对结结构整体体计算，楼板在在自身平平面可以以考虑为为绝对刚刚性也可可不考虑虑。缺点点是用薄薄壁柱模模拟剪力力墙在墙墙布置复复杂多变变，洞口口很不规规则时计计算误差差较大。代表程程序有建建研院CCAD工工程部的的TATT和建研研院结构构所的T

37、TBSAA。3. 空空间组合合结构计计算程序序：将高高层建筑筑离散为为空间杆杆单元，平面单单元，板板壳单元元和实体体单元的的组合体体进行分分析。不不同程序序之间的的主要区区别在于于对剪力力墙和楼楼板的模模拟，有有壳元，墙元模模型和板板梁墙元元模型等等。该计计算方法法对结构构的模拟拟更接近近实际情情况，因因此计算算精度最最高，计计算结果果最为可可信。但但由于基基本未知知量多，对计算算设备要要求较高高。不过过随着计计算机硬硬件的迅迅速发展展，这一一障碍会会很快被被克服。代表程程序有建建研院CCAD工工程部的的SATTWE和和美国CCSI公公司的EETABBS。 目前基基本上采采用的是是第三种种空间

38、组组合结构构的有限限元计算算程序对对高层建建筑结构构进行分分析和设设计。可可以预见见，随着着计算机机软硬件件的迅速速提升，必将进进一步促促进高层层建筑结结构的建建设和发发展。同同时，对对高层建建筑设计计更更为为精确更更为符合合实际状状况的要要求，也也必将推推动高层层结构计计算分析析软件的的进一步步发展。4 高高层建筑筑结构设设计理论论41结结构总体体布置方方案在高层建建筑中，保障结结构安全全及经济济合理等等要求比比一般的的低层和和多层建建筑更为为突出，因此结结构布置置和结构构选型更更应受到到重视。其它诸诸如场地地选择，基础形形式，变变形缝设设置等也也是在初初步设计计阶段应应当重视视的问题题。下

39、面面针对高高层建筑筑的特点点列举一一些在设设计中应应充分注注意的问问题。4. 11. 11控制结结构高宽宽比与低层和和多层建建筑相比比，竖向向荷载已已成为次次要因素素，水平平荷载作作用下结结构的内内力和位位移是设设计中必必须考虑虑的主要要问题。高层建建筑中控控制侧向向位移常常常成为为结构设设计的主主要矛盾盾。而且且，随着着高度增增加，倾倾覆力矩矩也将迅迅速增大大，因此此，建造造宽度很很小的建建筑物是是不适宜宜的。一一般应将将结构的的高宽比比H/BB控制在在56以下。当设防防烈度在在八度以以上时，H/BB的限制制应当更更为严格格。4. 11. 22选择有有利于抗抗震的结结构平面面建筑平面面布置应

40、应简单，规则，对称。应尽量量使结构构各楼层层的抗侧侧力刚度度中心和和地震力力作用的的质量中中心重合合，以减减少在水水平地震震作用下下的扭转转，通常常扭转偏偏心矩不不宜超过过垂直于于外力作作用线边边长的55。要要注意刚刚度的均均匀对称称，不仅仅要注意意钢筋混混凝土剪剪力墙的的位置，也要注注意填充充墙的位位置。复复杂，不不规则，不对称称的结构构必然会会带来难难于计算算和处理理的复杂杂地震应应力，如如应力集集中和扭扭转等，这对抗抗震不利利。凹凸凸不规则则的平面面，在拐拐角等处处容易造造成应力力集中而而遭到破破坏。要要注意楼楼板的局局部不连连续，楼楼板的尺尺寸和平平面刚度度有急剧剧变化，有效楼楼板宽度

41、度小于结结构平面面典型宽宽度过多多，或开开洞面积积过大，都是对对抗震不不利的。4. 11. 33选择有有利于抗抗震的结结构竖向向布置结构的竖竖向布置置也应注注意刚度度均匀而而连续，要尽量量避免刚刚度突变变或结构构不连续续。按抗抗震设防防的高层层建筑，竖向体体型应力力求规则则，均匀匀，避免免有过大大的外挑挑和内收收。结构构的侧向向刚度宜宜下大上上小，逐逐渐均匀匀变化，当某楼楼层侧向向刚度小小于上层层时，不不宜小于于相邻上上部楼层层的700。在在地震区区，不得得采用完完全由框框支剪力力墙组成成的底部部有软弱弱层的结结构体系系，也不不应出现现剪力墙墙在某一一层突然然中断而而形成的的中部具具有软弱弱层

42、的情情况。当当底部采采用部分分框支剪剪力墙或或中部楼楼层部分分剪力墙墙被取消消时，应应进行计计算并采采用有效效措施防防止由于于刚度变变化而产产生的不不利影响响。顶层层尽量不不布置空空旷的大大跨度房房间，如如不能避避免时，也要考考虑由下下到上刚刚度的逐逐渐变化化。当楼楼层刚度度小于上上一层的的70，或连续续三层刚刚度均小小于上层层的800时，除应采采用三维维结构模模型的振振型分解解反应谱谱法和弹弹性时程程分析法法进行计计算外，尚应对对薄弱部部位采取取有效的的抗震构构造措施施，甲类类建筑还还应进行行弹塑性性动力时时程分析析或静力力弹塑性性分析。4. 11. 44考虑温温差对高高层建筑筑竖向的的影响

43、季节温差差，室内内外温差差和日照照温差对对高层建建筑竖向向是有影影响的。当建筑筑高度超超过30040层时时，就应应当考虑虑这种温温差的作作用。温温度变化化在竖向向结构中中形成的的伸长和和缩短会会对相邻邻构件产产生影响响，会对对外墙，隔墙等等填充材材料产生生影响，影响最最大的部部位是在在高度较较大的建建筑物的的顶部数数层。在在设计中中应考虑虑到这种种影响并并采取适适当措施施加以避避免或减减缓。4. 11. 55选择合合适的高高层建筑筑楼盖体体系在高层建建筑中，对楼盖盖水平刚刚度及整整体性要要求较高高，并应应特别注注意要降降低楼盖盖结构高高度和减减轻楼盖盖结构重重量。因因此在层层数较高高的高层层建

44、筑中中，多层层建筑中中通用的的预制楼楼盖不再再适用。当建筑筑高度超超过500m时，宜采用用现浇楼楼面结构构，特别别应推广广采用无无粘结后后张预应应力混凝凝土平板板结构。或者采采用压型型钢板作作模板的的组合楼楼板结构构。42荷荷载作用用在高层建建筑分析析与设计计中，首首先应明明确作用用在结构构上的各各类荷载载。高层层建筑的的竖向荷荷载包括括自重等等恒载及及使用荷荷载等活活载，这这与一般般的建筑筑结构类类似，在在此不再再重复，这里主主要叙述述在高层层建筑结结构设计计中起主主导作用用的水平平荷载。4. 22. 11风荷载载作用在建建筑物表表面的风风荷载标标准值可可按下式式计算： ( kNN/m22

45、) 由于我国国建筑筑荷载设设计规范范中给给出的基基本风压压值的重重现期为为30年，而一般般高层建建筑需要要考虑重重现期为为50年的的大风，故在计计算式(5.11)中要要乘以11.1的的系数。此外，风风的作用用是不规规则的，风压随随着风速速，风向向的紊乱乱变化而而不停地地改变。通常把把风作用用的平均均值看成成稳定的的平均风风压，而而实际风风压是在在平均风风压上下下波动的的，即风风作用在在建筑上上有动力力作用效效应。应应该了解解的是，风荷载载波动中中的短周周期成分分对于高高度较大大或刚度度较大的的高层建建筑可能能产生一一些不可可忽视的的动力效效应，在在设计中中必须考考虑。式式(5.1)中中的风振振

46、系数就就是考虑虑了风荷荷载的动动力特性性和建筑筑周围环环境影响响的动力力增大系系数，这这样就可可将动力力分析近近似为静静力分析析，从而而起到简简化设计计的目的的。式中的风风载体形形系数是是一个由由统计数数据得到到的值，其含义义是指作作用在建建筑物表表面的实实际风压压与基本本风压的的比值。对于平平立面布布置特别别复杂的的高层建建筑，应应通过风风洞实验验确定。4. 22. 22地震作作用地震时，由于地地震波的的作用产产生地面面运动，并通过过建筑基基础影响响上部结结构，使使结构产产生的动动态作用用，就是是地震作作用。地地震波会会使建筑筑产生竖竖向振动动和水平平振动，一般对对建筑的的破坏主主要由水水平

47、振动动造成。设计时时主要考考虑水平平地震作作用，只只有在震震中附近近的高烈烈度区或或竖向地地震会产产生较严严重后果果时，才才同时考考虑竖向向地震作作用。地地震作用用使建筑筑产生的的运动称称为地震震反应，包括位位移，速速度和加加速度。地震作作用的大大小除了了和地震震波的特特性有极极为密切切的关系系外，还还和场地地土特性性，建筑筑本身的的动力特特性有很很大关系系。高层建筑筑的抗震震设计通通过三个个方面体体现：即即抗震概概念设计计，抗震震计算和和抗震构构造设计计。抗震震规范规规定在设设防烈度度为六度度地区的的建筑，除了在在类场场地土上上的较高高建筑外外，可不不进行抗抗震计算算，但必必须进行行抗震构构

48、造设计计。而抗抗震概念念设计则则应当在在所有的的抗震建建筑中加加以运用用。高层层建筑的的抗震计计算采用用两阶段段设计法法：在多多遇地震震作用下下（小震震），按按反应谱谱理论计计算地震震作用，用弹性性方法计计算结构构的内力力和位移移，并用用极限状状态方法法设计构构件；对对于重要要建筑或或有特殊殊要求时时，要采采用弹性性动力时时程分析析以及静静力或动动力弹塑塑性分析析作补充充计算。43基基本设计计要求在进行各各种竖向向荷载，风荷载载和地震震作用计计算后，需要按按规范规规定的荷荷载效应应组合式式把作用用在高层层建筑上上的各种种荷载进进行组合合。荷载载组合式式包括有有地震作作用和无无地震作作用两类类共

49、7种不同同组合情情况，应应按具体体要求组组合计算算。在使用荷荷载及风风荷载作作用下，结构应应处于弹弹性阶段段或仅有有微小的的裂缝出出现。结结构应满满足承载载能力及及限制侧侧向位移移的要求求。在地地震作用用下，采采用两阶阶段设计计法，要要求达到到三水准准目标。下面分分别说明明。4. 33. 11承载能能力验算算按极限状状态设计计要求，各种构构件承载载能力验验算一般般表达式式为：不考虑地地震作用用的组合合：考虑地震震作用的的组合：4. 33. 22侧向位位移限制制和舒适适度要求求在正常使使用条件件下，高高层建筑筑处于弹弹性状态态并且应应有足够够的刚度度，避免免产生过过大的位位移而影影响结构构的承载

50、载力，稳稳定性和和使用条条件。正正常使用用条件下下的结构构水平位位移（侧侧移）包包括顶点点位移和和层间位位移，按按风荷载载和地震震作用，用弹性性方法计计算，应应符合规规范的相相应规定定。对于于高度超超过1550m的的高层建建筑应具具有良好好的使用用条件，满足舒舒适度的的要求：即按荷荷载规范范规定的的10年一一遇的风风荷载取取值和专专门风洞洞实验计计算确定定的顺风风向与横横风向结结构顶点点最大加加速度和和最大扭扭转加速速度应满满足规范范相应规规定。4. 33. 33抗震等等级和抗抗震措施施在中等地地震烈度度下，允允许结构构的某些些部位进进入屈服服状态，形成塑塑性铰。这时结结构进入入弹塑性性阶段，

51、结构变变形加大大。在此此阶段，结构可可通过塑塑性变形形耗散地地震能量量，但必必须保持持结构的的承载能能力，结结构不能能破坏。这种性性能称为为延性。延性愈愈好，抗抗震能力力愈强。影响构构件延性性的因素素很多，主要是是截面应应力性质质，构件件材料及及截面配配筋量，配筋构构造等。在抗震震设计中中延性要要求体现现为对结结构和构构件采取取一系列列抗震措措施。抗抗震措施施分为五五个级别别，称为为抗震等等级。高高层建筑筑抗震设设计中的的结构构构件抗震震构造可可通过符符合相应应抗震等等级中的的抗震措措施来保保证。4. 33. 44罕遇地地震下的的变形验验算要实现“大震不不倒”这这个第三三水准设设计目标标，一般

52、般情况下下，经过过小震地地震作用用计算后后，采取取若干抗抗震措施施即可满满足。但但对于规规范规定定的某些些有特殊殊要求的的高层建建筑还应应进行罕罕遇地震震下薄弱弱层（部部位）的的变形验验算。在在罕遇地地震作用用下，大大多数结结构都已已进入弹弹塑性状状态，变变形较大大，主要要是验算算结构层层间变形形是否超超过限值值，通常常采用静静力弹塑塑性或动动力弹塑塑性时程程分析计计算结构构的层间间位移。44高高层建筑筑结构抗抗震设计计4. 44. 11反应谱谱分析反应谱分分析中使使用的，受地基基运动影影响的结结构的动动力平衡衡方程式式可以写写成下列列形式：其中：质量矩矩阵；：阻尼矩矩阵；：刚度矩矩阵；：地基

53、加加速度各表示相相对位移移，速度度，加速速度。反应谱分分析法是是把多自自由度系系统假设设为单自自由度系系统的复复合体，组合并并分析预预先通过过数值积积分求出出的任意意周期（或者频频率）范范围对应应的最大大反应值值（加速速度，速速度，位位移）的的方法，主要应应用于利利用设计计频谱所所进行的的抗震设设计中。反应谱谱分析方方法是先先求出每每个振型型对应最最大反应应值，然然后用适适当的组组合方法法，预测测最大反反应值。采用反应应谱方法法计算等等效地震震荷载是是一种拟拟静力方方法。首首先应用用结构动动力学相相关理论论计算出出单自由由度质点点体系的的地震反反应，建建立反应应谱；再再用加速速度反应应谱计算算

54、结构的的最大惯惯性力作作为结构构的等效效地震荷荷载；然然后按静静力方法法进行结结构计算算和结构构设计。我国的的抗震规规范是根根据2555条地地震加速速度记录录计算得得到反应应谱曲线线，经过过处理后后得到的的标准反反应谱作作为设计计反应谱谱曲线。按反应应谱方法法计算等等效地震震荷载根根据高层层建筑的的高度和和其它要要求可以以采用以以下方法法：底部部剪力法法，振型型分解反反应谱法法（SRRSS法法），考考虑扭转转耦连的的振型分分解反应应谱法（CQCC法）。4. 44. 22弹性，弹塑性性时程分分析时程分析析中使用用的动力力平衡方方程式可可以表示示为下列列形式：其中：质量矩矩阵；：阻尼矩矩阵；：刚度

55、矩矩阵；：动力荷荷载各表示相相对位移移，速度度，加速速度。时程分析析是指当当结构受受动荷载载作用时时，计算算动力平平衡方程程式的过过程。利利用结构构的动力力特性和和所施加加的动荷荷载求出出任意时时刻结构构的反应应（位移移，内力力）。通通常采用用振型叠叠加法进进行高层层建筑结结构的弹弹性时程程分析。振型叠叠加法是是指结构构的位移移用相互互正交位位移向量量的线性性组合的的形态求求解的方方法，该该方法的的前提条条件是阻阻尼矩阵阵可以用用质量矩矩阵和刚刚度矩阵阵的线性性组合所所表示。在时程程分析中中，结构构的位移移是由振振型向量量和单自自由度系系方程式式解的乘乘积所决决定的，并且它它的准确确性受所所选

56、择的的振型数数量影响响。这种种方法是是结构分分析程序序中使用用最多的的方法之之一，对对高层结结构的线线性动力力分析是是一个很很有效的的方法。但是对对非线性性动力分分析或者者因为装装有特殊殊的阻尼尼器而不不能把阻阻尼表示示为刚度度和质量量的线性性组合的的情况下下是不能能使用线线性叠加加法的，这一点点是振型型叠加法法的缺点点。对于在罕罕遇地震震作用下下，大多多数高层层结构都都已进入入弹塑性性状态，往往应应采用动动力弹塑塑性时程程分析计计算结构构的层间间位移。即在抗抗震计算算中将高高层建筑筑结构作作为弹塑塑性振动动体系，直接输输入地面面运动，计算其其在地震震过程中中的各种种反应值值。因为为这已是是非

57、线性性振动问问题，叠叠加原理理已不适适用，故故不能采采用振型型叠加法法。通常常将地面面运动试试件t分割成成一系列列的时间间间隔t，在每每个时间间间隔内内把体系系当作线线性体系系来计算算，逐步步求出体体系在各各时刻的的反应。按照高层建建筑建筑筑混凝土土结构技技术规程程的规规定，应应按照建建筑场地地类别和和所处地地震动参参数区划划的特征征周期分分区选用用不少于于二条实实际地震震记录和和一条人人工模拟拟的地震震波输入入，且地地震波的的持续时时间不宜宜小于建建筑结构构基本自自振周期期的34倍，也也不宜少少于122秒。在在进行弹弹塑性时时程分析析时，结结构的振振动模型型是应认认真考虑虑的非常常重要的的分

58、析前前提，通通常有以以下几种种振动模模型：1层模模型：将将结构的的质量集集中于楼楼层处，用每层层的刚度度（层刚刚度）表表示结构构的刚度度，也称称为层间间模型，可分为为剪切型型层模型型，剪弯弯型层模模型，优优点是较较为简单单，计算算量小，但由于于模型较较为粗糙糙，不能能描述结结构各构构件的弹弹塑性变变形过程程，因此此不易据据此确定定结构的的薄弱部部位。2杆系系模型：模型的的变形性性质由各各杆件的的变形性性质所决决定，刚刚度矩阵阵可以通通过杆件件的刚度度矩阵集集成求出出，而杆杆件的刚刚度矩阵阵在弹性性阶段和和弹塑性性阶段是是不同的的，这就就大大增增加了问问题的复复杂性。杆系模模型的计计算模型型通常

59、有有三种，即单分分量模型型，双分分量模型型，三分分量模型型。杆系系模型的的优点是是模型较较为精细细，能够够了解地地震过程程中每根根杆件的的变形过过程，为为结构设设计提供供了确切切的依据据。缺点点就是太太复杂，计算工工作量太太大。3杆系系层模模型：将将高层建建筑结构构按杆件件体系确确定其变变形和刚刚度，但但结构的的质量集集中于楼楼层处，是一种种介于杆杆系模型型与层模模型之间间的计算算模型，这种模模型兼有有层模型型和杆系系模型的的优点，是高层层建筑结结构进行行深入的的弹塑性性动力分分析的较较优模型型。4. 44. 33静力弹弹塑性分分析结构静力力弹塑性性分析（Pusshovver）法在国国外应用用较早，80年代代初期在在一些重重要刊物物上就有有论文采采用过这这种方法法，近年年来这种种方法的的应