高层建筑结构发展

第３３卷第３３期·１８·２００７年１１月山西建筑ＳＨＡＮＸＩＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥＶｏｌ３３Ｎｏ３３Ｎｏｖ．２００７文章编号：１００９－６８２５１２００７１３３．００１８—０２高层建筑结构发展王晓东张敏王庆华摘要：介绍了国内外高层建筑结构的发展及目前常见的复杂高层建筑结构体系，并对这些复杂结构体系的受力特点做了倩要分析，同时探讨了高屡建筑的分析方法和发晨趋势，指出我国应从实际出发，设计出适台我国发展的高层建筑。

关键词：高层建筑，结构体型，抗震，钢结构中图分类号：ＴＵ９７３文献标识码：Ａ引言高层建筑是近现代经济发展和科学技术进步的产物。

对于高层与超高层建筑，各国有不同的划分标准。

联合国１９７２年召开的国际高层建筑会议有两种划分标准：将层数９层～１５层（总高度不超过５０ｍ）为一类；１７层～２５层（总高度不超过７０ｍ）为二类；２６层～４０层（总高度不超过１００１＂１１）为三类；４０层以上（总高度超过１００ｍ）为四类，将四类中４０层或总高度１５２ｍ以下的建筑定为低高层建筑；总高度１５２ｍ～３６５ｍ为高层建筑；１００层或总高度３６５ｍ以上为超高层建筑。

而多地震国家日本将５层～１５层的建筑定为高层建筑，将１５层以上的建筑定为超高层建筑。

我国建设部有关主管部门１９８４年规定，无论是住宅建筑还是公用建筑，高层建筑的范围为１０层及１０层以上或高度超过２８ｍ的建筑结构．高度不小于１００ｍ的为超高层建筑…。

１高层建筑及其结构体系的发展１．１国外高层建筑的发展世界上第一幢近代高层建筑是１８８３年建成的美国芝加哥家庭保险（｝ｈｎｅｌｒｓｕｒａｎｃｅ）公司大楼，ｌｌ层，５５ｍ高，框架结梅。

它采用金属框架承重结构，标志着一种区别于传统砌筑结构的新体系的诞生。

１９世纪末高层建筑已经发展到采用钢结构．建筑物的高度超越了１００ｍ。

２０世纪初，钢结构高层建筑在美国大量建成，美国在高层建筑的数量、层数、高度方面都居于领先地位。

１９３１年建成的摩天大楼——蜘约帝国大厦成为高层建筑发鹱第一阶段的典型代表，它保持世界最高的建筑物的记录达４１年之久。

５０年代初玻璃铝合金等新型外墙材料开始使用，这个时期称为现代主义的新建筑风格，其代替了上一时期的古典风格，以简单的几何形体、大面积的金属和玻璃墙为代表的“玻璃盒子”作为现代化的标志成了这一时期高层建筑的主流。

代表这一时期的典型作品是纽约的利华大厦和联合国大厦。

１．２我国高层建筑的发展我国高层建筑是从２０世纪５０年代逐渐发展起来的。

５０年代初期多采用框架结构，以建造８层、９层的旅馆和办公楼居多。

５０年代后期出现了框一剪结构形式，６０年代、７０年代，我国的高层建筑发展加快，其中最高的３３层广州白云宾馆就是１９７７年建成的，踟年代我同高层建筑的高速发展，到１９８３年已建成８层以上的高层建筑近千幢，建筑面积超过１１００×１０４ｍ２。

１９８０年～１９８４年所建成的高层建筑相当于建国后３０年来兴建的高层建筑的总和。

９０年代到现在，我国高层建筑发展更为迅猛，建筑业成为国家的支柱产业，其中代表性的建筑为上海的金贸大厦和深圳的帝王大厦。

目前，我国已建的高层建筑面积超过１．８×ｌＯｓｍｚ，其中，高层住宅约占全部高层建筑栋数的８０％。

２复杂高层建筑结构体系”’６】２．１带转换层结构多功能的高层建筑，往往需要沿建筑物的竖向划分为不同用途的区段，诸如：底部用作商业、太空间的厅堂、交通通道，上部楼层为酒店客房、住宅；下部楼层用于办公，上部楼层为酒店需要布置大空间的厅堂、大开问的房间等。

这磐建筑的竖向结构构件往往不能上下连续，需要设置转换层，通过转换层构件实现ｔ、下竖向构件的过渡。

有些高层建筑通过转换构件来实现建筑造型沿竖向的收进和外挑，或实现斜柱和直柱的转换。

带转换层结构属于峰向刚度突变及竖向构件年连续的结构体系，该结构一般具有足够的上、下连续落地剪力墙或落地筒体。

Ｉ）粱式转换层：应用最广泛，转换粱可沿纵向或横向平行布置；当需要纵、横向同时转换时，可采用双向梁的布置。

梁式转换层一般在转换层的楼面设置钢筋混凝土承重大梁，以支承其上部结构，为了适应上部荷载的需要，梁的截面尺寸较大。

２）箱形转换层：是通过箱形梁来达到具有较大刚度和承载力的一种结构形式。

该结构利用原有的上、下楼层和剪力墙经过适当加强构成了一种平面内刚度较大的粱式结构，由于箱形结构自身剐度较大，因此在竖向荷载作用下，其挠度较小。

３）桁架转换层：是由粱式结构转换层变化而来的，整个转换层Ｃｕｌｔｕｒｅａｔｔｒｉｂｕｔｅａｎｄｃｏｍｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｉｌｇｈ－ｒｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇＪｌＡＮＧＬｉ－ｙｏｎｇＧＡＯＧＩｌａ峰ｈｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｃｈａｏｔｉｃｐｈａ．∞ｉｎ＊ｈｅｈｉｇｈ－ｒｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｖｄｏｐｍｅｎｔ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｄｅｅｐｏｒｉｇｉｎｓｏｆｈｉｇｈ－ｒｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ，ａｎｄｄｉｓｃｏｕｒｓｅ＃ｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｈｉｇｈ－Ｈｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇｄｅｖｅｌｏｌｍｎｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｓｅｅｋｔｈｅ删ｌｅｎｔｉⅪ／ｎｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｇｌｏｂａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄａｒｍ．ｓｅｅｋｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｄｅｍｅａｔｏｔｃｕｌｔｕｒｅｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎａｎｄｅｘｃｉｔｅｔｈｅｃｒｅａｔｉｖｅｉｎｓｐｉｒａｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅ１１ｉｇｈ－一ｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｋｇｈ－ｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇ．ｃｌａｌｔｕｒａｔｃｈｒＫｔ目。

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ收稿日期：２００７—０５一１５作者简介：王晓东０９８１．）．男，江西南昌华东生通大学土木建筑学院硕士研究生，扛西南昌３３００１３张敏（１９６５．）．男．副教授．硕士生导师，江西南昌华东交通大学土木建筑学院，江西南昌３３００１３王庆华（１９７７．），男．江西南昌华东交通大学土木建筑学院硬土研究生，江匹南昌３３００１３第３３卷第３３期２００７年１１月王晓东等：高层建筑结构发展·１９·由钢筋混凝土桁架组成承重结构，桁架的上、下弦杆分别设在转换层的上、下楼面的结构层内，层间设有腹杆。

由于桁架高度较高．所以上下弦杆的截面尺寸相对较小。

４）板式转换层：当上、下柱同轴线错开较多，难以用梁直接承托时，则常常用厚板形成板式承台转换层。

板式转换层的下层柱网可以灵活布置，无需与上部结构对齐，但自重很大、材料耗用较多。

对于体型复杂的商住楼，上部住宅单元剪力墙布置很不规则，而下部商场则要求平面布置规则，并且柱网较大，因此转换大梁和桁架均难以布置，采用厚板转换层就成为～种较好的选择。

２．２连体结构两幢或几幢高层建筑之间由架空连接体相互连接，以满足建筑造型及使用功能的要求。

连接体的跨度有几米长，也有几十米长；连接体沿建筑物竖向有布置一个的，也有布置几个的；连接体与高层建筑主体结构的连接一般为刚性连接，有些架空走廊可以做成滑动连接。

有的建筑其立面开洞与连体结构相类似。

连体结构属竖向刚度突变，结构扭转效应一般较大，且竖向与水平地震组合作用对连接体及其附近主体结构均有不利影响。

２．３竖向收进和悬挑结构因建筑造型和功能的需求，高层建筑沿竖向收进的情况是经常出现的，这类高层建筑由于竖向发生了高度突变，因此地震反应较强烈，并且高振型对地震反应的影响较大，地震作用计算应考虑高振型的影响。

悬挑结构的高层建筑受力复杂，其地震作用不仅有水平地震的影响，竖向地震也不应忽视，另外这类结掏由于竖向刚度突变，因此高振型的影响一般较大。

还应注意的是，悬挑结构的高层建筑会对高层建筑主体部分产生较大的倾覆力矩。

２．４带加强层结构高层建筑框架一核心简或巨型外框一内筒结构中，有时需要布置若干个加强层，以提高整体结构的侧向剐度，来满足设计需求。

加强层的设置可以使周边框架柱有效地发挥作用，以增强整个结构的抗侧刚度，所以在风荷载作用下，设置加强层是一种减小结构水平位移的有效方法，抗风是十分有效的；但是在地震作用下，加强层的设置将会引起结构刚度、内力突变，并易形成薄弱层，结构的损坏机理难以呈现“强桂弱粱”和“强剪弱弯”的延性屈服机制，对抗震不利。

在确定加强层结构方案时，需重点研究加强层的数量、仲臂结构形式和剐度以及周边带状桁架的设置等问题。

２．５平面不规则结构平面不规则结构可归纳为３种：１）平面形状不规则；２）抗侧力结构布置不规则；３）楼盖莲接比较薄弱。

这类结构体系的地震作用扭转效应一般较大，部分搂盖整体性及承载力较差，结构的某些部位应力集中、非线性变形较大、易形成薄弱部位。

地震作用下结构扭转破坏，主要是表现在变形受力较大而又薄弱的边缘部位竖向构件率先受到冲击损坏，地震作用效应随之不断积聚，造成边缘部位竖向构件转快进入破坏状态，严重者造成结构局部倒塌，甚至引起整体结构破坏倒塌，所以有时需要调整结构布置来尽量满足平面规则、楼板连续的规则性要求。

２．６其他复杂结构除上述５种主要的复杂结构外，实际工程中还有～些复杂结构。

如：错层结构、大地盘多塔楼结构以及不同复杂结构的组合。

３高层建筑的分析方法夏发展高层建筑是一种复杂的空间结构，其超静定次数较多，所以现在都采用计算机进行结构设计和分析。

结构设计的计算机方法一般以数值分析为基础，其中以有限元法和有限条法应用最广。

有限元法的基本原理是：将连续的求解区域离散为一组由有限个按一定方式相互连接的单元组合体，各单元可以按不同的连接方式组合，且单元本身又可以采用不同的形状，因此可将求解模式化。

有限元法给工翟设计带来了便利。

然而，有限元法基本未知量数目庞大，所以工程应用多采用平面分析法，对一般高层建筑可简化为平面形式来计算。

对平面、立面形式复杂的高层建筑结构刚应进行空间分析时，目前一般分析方法有协同分析法、采用薄壁杆件理论的空间分析法、采用墙单元的空间分析法等。

近几十年来，国内外高层建筑发展很快，高度和层数都在增加，体形越来越复杂，结构体系越来越新颖。

高层建筑结构分析的发展趋势有以下４点：１）从单一结构向复杂结构发展，特别是向组合结掏发展，以分析各种组合结构的受力性能。

２）从线性向非线性发展，考虑高层建筑材料和几何的非线性，甚至是双重非线性，以分析结构弹塑性状态的性能。

３）从静力向动力发展，以分析高层结构在地震作用下的动力特性。

４）放弃以前的一些简化计算假设，如放弃楼板刚性假设，考虑楼板的变形对高层建筑结构的影响，以更准确地分析结构在各种荷载作用下的受力性能。

４结语高层建筑不仅在美国、日本等发达国家已较为普遍，就是在发展中的中国，仍然是今后我国建筑行业的发展方向。

为此随着我国国力的不断增强，不仅应借鉴外国先进的建筑技术，更应结合我国的具体国情，以设计适合我国发展的高层建筑，因此应从实际的需求出发，进行科学设计，精心组织施工，规范管理，以建造安全、经挤、适用的高层建筑。