高层建筑结构分析与设计理论

1引言

高层建筑高度的定义是一个相对模糊的概念。从高度和层数上来说，对高层建筑的定义，

世界各国规范和规定都不太一致。按照我国《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002》,将层

数超过(含等于)10层，或者高度大于等于28m的建筑称为高层建筑，而往往把其中高度在100m

以上的高层建筑又叫做超高层建筑。

现代高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的，是商业化，工业化

和城市化的结果。而科学技术的进步，轻质高强材料的出现以及机械化，电气化，计算机在建筑

领域的广泛应用等，又为高层建筑的发展提供了物质和技术条件。因此，从这个意义上来讲，高

层建筑和超高层建筑的出现和发展是现代工业和现代社会发展的产物。

1.1高层建筑的历史概况

在世界范围，现代意义上的高层建筑的发展大约只有.120年的历史。1883年在美国芝加哥

建成的11层的家庭保险大楼(HomeInsuranceBuilding)是近代高层建筑的开端，随后在芝加哥和

纽约开始了大规模的高层建筑的建设活动。到1931年在纽约建造了著名的帝国大厦(ImpireState

Building),共102层，381m高，这个高度使它享有“世界最高建筑”的美誉长达40年之久。20

世纪50年代之后，轻质高强材料的应用，新的抗风抗震结构体系的发展，电子计算机的推广使

用以及新的施工机械的涌现，使得高层建筑得到了大规模地迅速发展。1972年，纽约建造了110

层，高410米的世界贸易中心(WorldTradeCenterTwinTowers)；紧接着一年之后，在芝加哥又

建成了当时世界最高的西尔斯大厦(ScarsTower),高度达到443米，这充分标志着高层建筑的设

计和建造水平又迈上了一个新的台阶。随后，超高层建筑在世界各国都得到了迅速的发展。到目

前为止，世界上最高的建筑是1996年在马来西亚吉隆坡建成的石油双子大座，88层，钢与钢筋

混凝土混合结构，高度达到了450m。

高层建筑在我国的建设基本上是从解放后开始的，五六十年代在北京，广州等大城市相继

建成了一些一二十层的高层建筑，但数量很少。1968年建成的广州宾馆，27层,高度88m,是

60年代我国建成的最高建筑。从20世纪70年代开始，我国高层建筑有了很大的发展，主要用

于住宅，旅馆和办公楼等建筑。这主要是由于高层建筑具有占地面积小，节约市政工程费用，节

省拆迁贽用等优点，因此在大城市中，高层住宅和底层带俺店的住宅建筑发展非常迅速。特别是

进入90年代以后，随着我国综合国力的不断增强，对外开放程度的进一步加大，高层建筑的设

计和建设水平也不断地飞跃发展，并迅速接近国际水平。从下面列举的几个我国内地在各个阶段

具有代表性的高层建筑便可以很明显地看出这种发展变化。1976年在广州建成的白云宾馆，33

层，高度114m,是70年代我国最高建筑。1985年，深圳建成了50层，高度159m的国际贸易

中心大厦，在9年之后第一次在高度上超过了白云宾馆。1990年，北京的京广中心大原建成，

57层,高度208m,是国内第一座高度突破200m的建筑。1996年，全国最高建筑让位给深圳的

地王大汉，81层，高度达到325m“但仅隔两年，到1998年，上海的金茂大度落成，88层，高

度421m,成为目前全国第一，亚洲第二，世界第三的建筑。

1.2高层建筑的发展趋向

进入新世纪以来，亚洲经济成为世界经济的新的增长点，高层建筑结构在亚洲特别是在中

国更是得到了前所未有的迅猛发展，各种结构类型，结构体系的高层建筑不断涌现，而设计理论

和施工技术的进步又进一步推动了高层建筑的前进。

通过对现有高层建筑进行类比分析和归纳可以得出高层建筑发展的一些总的趋向，下面是

对目前100幢世界最高建筑的分析比较得出的一些结论：

1.超高层建筑的数量在不断快速增加。

2.200m〜300m的超高层建筑数量最多。

3.超高层建筑的建筑功能和用途在不断拓宽。

4.结构类型和结构体系呈现多样化趋势。

超高层建筑的发展速度是很快的，现有的高度记录相信很快就会成为历史。近期同济大学

刚刚完成了设计高度为491m,101层的上海环球金融中心的振动台实验，实验结果将用于修正

下一阶段的设计。在日本和我国台湾，都已经完成了高度超过500m的高层建筑的方案设计。相

信在不久的将来，必将会田现越来越多的高层和超高层建筑。

2高层建筑结构类型和结构体系

2.1高层建筑的结构类型

钢和钢筋混凝土两种材料都是建造高层建筑的重要材料，但各自有着不同的特点。因此，

在不同国家，不同地区，不同条件下，如何正确选用材料，充分利用其优点，就成为经济合理地

建造高层建筑的一个重要方面。

我国的高层建筑，目前主要采用混凝土结构类型，这既符合我国国情，可适应使用要求并

降低工程造价，也符合相关规范关于适用高度的规定。而对于高度超过100m的超高层建筑，特

别是建于抗震设防地区的超高层建筑，由于国内外对钢筋混凝土结构的实践经验还较少，因此在

考虑结构方案时，主要关注于钢结构和钢骨混凝土结构等方案。这既符合当前的经济技术条件,

而且这类结构也具有相应的优越性。下面对高层建筑和超高层建筑中所常用的结构类型进行简要

的介绍。

2.1.1高层建筑钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构在我国高层建筑中所占比例最大，数量最多，特别适合于量大面广的20〜

30层以内的小高层住宅，办公楼，酒店等建筑。由于城市的发展，在大城市，特大城市的中心

区域城市用地日趋紧张，因此也促进了高层建筑的发展。针对我国国情，混凝土结构造价较低,

虽然施工周期较长，但由于低廉的人工费用，仍然使得在高层建筑方案选定时混凝土结构具有相

当的优势。另一方面，混凝土结构在我国发展时间较长，设计和施工经验丰富，设计计算方法为

广大设计人员熟知，这也是混凝土高层建筑的一个优势。但当结构高度超过100m之后，混凝土

结构构件必然十分粗大，较大的自重比例以及较大的结构面积，都使得混凝土结构类型不再完全

适合，这也为其它几种结构类型带来了发展空间。

2.1.2高层建筑钢结构

相对于钢筋混凝土结构，高层建筑钢结构有以下主要优点：

1.由于钢材具有良好的延性，因此其抗宸性能优于混凝土结构，更易设计成延性结构来抵

抗地震作用。

2.由于钢材强度高，构件截面面积小，因此能够有效减轻结构自重，降低基础工程造价。

3.基于与第二条同样的原因，采用钢结构能够大大减少建筑中结构所占面积。

4.大部分钢结构构件在工厂制作，再运至施工现场安装，因此可以缩短施工周期。

对于钢结构高层建筑而言，也存在一些缺点，诸如钢结构的耐火能力较差，造价相对较高

以及国内施T不易落实大截面钢材供应等。

2.1.3高层建筑钢一混凝土混合结构

在高层建筑中部分抗侧力结构采用钢结构，另一部分采用钢筋混凝土结构（或部分采用钢

骨混凝土结构）o这种结构类型可称为钢一混凝土混合结构,在多数情况卜是采用钢筋混凝土作

筒（剪力墙），用钢材作框架梁柱。该类型结构的主要优点为：

1.由于采用钢筋混凝土核心筒和剪力墙作抗侧力结构，故侧向刚度大于钢结构，层间位移

和顶点侧移均较小。

2.钢一混凝土结构的用钢量小于钢结构，又可节省部分防火涂料费用，因此结构造价介于

钢结构和钢筋混凝土结构之间。

3.施工速度比钢筋混凝土结构有所加快，施工周期也可适当缩短。

4.结构面积小于钢筋混凝土结构。

钢一混凝土混合结构也存在一些问题，如混凝土内筒的刚度退化将加大钢框架的剪方；抗

震性能分析有待进一步完善；以及混凝上内筒施工误差远大于钢结构，二者在连接方面存在一些

问题等。

2.1.4高层建筑钢骨混凝土结构

钢骨混凝土结构是采用钢材代替部分或全部钢筋来加强钢筋混凝土构件。实践中可将钢材

（型钢）放在构件内部，外包混凝土；也可在钢管内部填充混凝土，作成外包钢管混凝土构件。

前者又可称作劲性混凝土给构，口J■充分利用外包混凝土的刚度和耐火性能，又可利用钢骨减小构

件断面尺寸和改善抗震性能。

国内外高层建筑中，完整地对梁，柱，支撑及剪力墙等均采用钢骨混凝土的工程实例较少,

主要应用在下列情况:在上部钢结构与钢筋混凝土地下室或基础之间设置钢骨混凝土结构层作为

过渡层：用作框筒结构外筒的柱；用作钢一混凝土结构的外框架柱：用作框架柱及内筒。

钢骨混凝土结构的主要优点为：

1.作为良好的结构过渡层，可改善地震区建筑刚度突变的不利情况并减少该部位层间位移

量。

2.造价低于钢结构，防火能力高于钢结构。

3.延性优于钢筋混凝土结构，刚度大于钢结构。

4.施工速度可快于钢筋混凝土结构。

钢骨混凝土结构存在的主要问题有：钢骨混凝土梁，柱的连接构造复杂：钢骨混凝土梁影

响压型钢板的采用进而影响施工速度。

2.2高层建筑的结构体系

结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。在高层建筑中，抵抗水平力成为设计中的

主要矛盾，因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关健问题。高层建筑中基本的抗侧

力单元是框架，剪力墙，实腹筒（又称井筒），框筒，桁架筒，支撑等。由这几种单元可以组成

多种类型的结构体系，随着时代的发展，结构体系会日益多样化。

2.2.1钢筋混凝土结构的各类结构体系

1.框架体系：由梁，柱构件组成的结构称为框架。整憧结构都由梁，柱组成，就称为框架

结构体系，有时称为纯框架结构。框架结构的优点是平而祢置灵活多样，但由于在水平力作用下

呈现剪切型变形特征，侧向变形较大，故框架结构建造高度不宜过高。

2.剪力墙体系：利用高层建筑的墙体（一般为钢筋混凝土墙）作为承受竖向荷载，抵抗水

平荷载的结构，称为剪力墙结构体系。现浇钢筋混凝上剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平

荷我作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足，适合建造较高的高层建筑。

3.框架一剪力墙（框架一筒体）体系：在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两

者结合共同抵抗水平荷载，就组成了框架一剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称

为框架一筒体结构体系。筒体的承载能力，侧向刚度和抗拄能力都较单片剪力墙大大提高，是提

高材料利用率的一种有效途径。

4.筒中筒体系：筒体的基本形式有三种：实腹筒，框筒和桁架筒。用剪力墙围成的筒体称

为实腹筒。在实腹筒的墙体上开出许多规则排列的窗洞所形成的开孔筒体称为框筒，它实际上是

由密排柱和刚度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架围成的筒体。如果筒体的四型是由竖杆和斜杆

形成的桁架组成，则称为桁架筒。筒中筒结构是由上述简体单元的组合，通常由实腹筒作内部核

心筒，框筒或桁架筒作外筒，由两个筒体共同抵抗水平力作用的空间结构体系。

5.多筒体系：当采用多个筒体共同抵抗侧向力时，就称为多筒结构，具体形式有成束筒及

巨型框架。由两个以上的筒体排列在•起成束状就构成成束筒体系。利用筒体作为柱，在各筒体

之间每隔数层用巨型梁相连，筒体和巨型梁就形成巨型框织结构体系。

2.2.2钢结构，钢一混凝土结构及钢骨混凝土结构的各类结构体系

钢结构，钢一混凝土结构和钢骨混凝土结构这三种类型的高层建筑从广义上都属于高

层钢结构的类型。此外，由这三类结构乂派生出其它一些结构类型，例如：上部为钢结构下

部为钢骨混凝土结构的类型；钢框架一钢骨混凝土内筒结构的类型：钢骨混凝土柱与钢梁组

合框架的结构类型；钢管混凝土柱与钢梁组合框架的结构类型。

因此，上述各种结构类型具有多样化的抗侧力结构，也就构成了多种多样的结构体系。F

面仅列出各主要结构体系的名称，而不再具体解释其含义。

1.钢框架体系

2.钢框架一钢支撑体系

3.钢框架一钢内筒体系

4.带伸臂桁架的钢框架一钢内筒体系

5.钢框筒体系

6.筒中筒及成束筒体系

7.钢框架一混凝土剪力墙体系

8.钢框架一混凝土内筒体系

9.钢框筒一混凝土内笥体系

10.钢管混凝土框架柱及钢框架梁一混凝土内筒体系

11.钢框架一钢骨混凝土内筒体系

12.钢框筒一钢骨混凝土内筒体系

13.组合式内筒体系（钢骨混凝土框架柱及钢框架梁一钢骨混凝土内筒体系）

14.组合式外筒体系（钢骨混凝土框架柱及钢框架梁构成的外筒体系）

3高层建筑结构分析理论

3.1基本计算假定

高层建筑是一个复杂的空间结构。它不仅平面形状多变，立面体型也多种多样，而且结构

类型和结构体系各不相同。对这种高次超静定，多种结构型式组合在•起的空间结构，要进行内

力和位移计算，就必须进行计算模型的简化，引入一些计算假定，得到合理的计算图形。

3.1.1弹性工作状态假定

引入这一假定，高层建筑结构内力和位移可按弹性方法进行计算。在非抗震设计时，在竖向

荷载和风荷载作用下，结构应保持正常使用状态，结构处于弹性工作阶段；在抗震设计时，结构

计算是对多遇小震进行时，此时结构处于不裂，不坏的弹性阶段。因此，从结构整体来说，基本

处于弹性工作状态，可按弹性方法进行计算。此时，叠加原理可用，在不同荷载作用下也可以进

行内力组合。对于在罕遇地震作用下的第二阶段验算，结构已进入弹塑性阶段，现行规范的设计

处理方法仍多以弹性计算的结果通过调整或修正来解决。

3.1.2平面抗侧力结构假定

一片框架或一片剪力情在其白身平面内刚度很大，可以抵抗在自身平面内的侧向力：而在平

面外的刚度很小，可以忽略，即垂直于该平面的方向不能抵抗侧向力。因此，在计算中可按此假

定将整个结构划分为不同方向的平面抗侧力结构，共同抵抗结构承受的侧向水平荷我。

3.1.3刚性楼板假定

水平放置的楼板，在其自身平面内刚度很大，可视为刚度无限大的平板：楼板平面外刚度很

小，可以忽略。刚性楼板将各平面抗侧力结构连接在一起共同承受侧向水平荷载。

由于以上基本假定，复杂的高层建筑结构的计算可大为简化。由于高层建筑结构的水平荷载

主要是风荷我和地震作用，因此高层建筑结构的分析可分为下述两个问题：

1.总水平荷载在各片平面抗侧力结构之间的分配。荷载分配和各片平面抗侧力结构的刚度

变形特点都有关系，不能像低层建筑结构那样按照受荷面积计算各片平面抗侧力结构的水平荷载。

2.计算每片平面抗侧力结构在所分到的水平荷载作用下的内力和位移。

3.2计算分析方法

由于以上基本假定，复杂的高层建筑结构的计算可大为简化。由于高层建筑结构的水平荷载

主要是风荷载和地震作用，因此高层建筑结构的分析可分为下述两个问题：

1.总水平荷载在各片平面抗侧力结构之间的分配。荷载分配和各片平面抗侧力结构的刚度

变形特点都有关系，不能像低层建筑结构那样按照受荷面积计算各片平面抗侧力结构的水平荷载.

2.计算每片平面抗侧力结构在所分到的水平荷载作用下的内力和位移。

下面将按照以上原则简述常规高层建筑结构：框架结构，剪力墙结构和框架一剪力墙结构的

内力和位移计算方法。但这些较为传统的计算方法只能适用于较为规则利简单的高层建筑结构，

即只有平移而无扭转的假定下进行计算和分析。同时，为了完整，也简单叙述r筒体结构的分析

计算方法。

3.2.1框架结构

框架结构的内力和位移计算方法很多，在结构力学中比较常用的精确解法有：力矩分配法，

无剪力分配法，迭代解法等。在实用上往往采用由计算机程序分析的算法：矩阵位移法。但通常

有一些手算的近似计算方法可用于工程设计，如；多层多跨框架在野向荷载作用下的分层计算法；

多层多跨框架在水平荷载作用下的反弯点法；多层多跨框契在水平荷载作用下的D值法。侧移

计算多采用D值法。

多层多跨框架在竖向荷载的作用下，侧向位移比较小，计算时可忽略侧移的影响，采用力矩

分配法计算。由精确分析可知，每层梁的竖向荷载对其它各层杆件内力的影响不大，因此，可将

多层框架分解为一层一层的单层框架分别计算。在分层计算时，假定上下柱的远端为固定端，而

实际上为弹性支承。为了反映这个特点，除低层外，其它各柱的线刚度乘以折减系数（）.9：此外，

传递系数修正为1/3。

多层多跨框架在水平荷载作用下，可以将风力和水平地震力化成作用在框架楼层节点上的水

平集中力。即在层数不多的情况下可以忽略轴向变形的影响，此时同一层各节点的位移相|可。计

算水平荷载作用的反弯点法的要点.主•要是确定反弯点的高度和剪力分配系数。由于柱上下端梁的

刚度不一定都相同，因此就有了修正反弯点法一D值法，篇幅所限，此处不再详述。

3.2.2剪力墙结构

对剪力墙进行内力和位移的手工近似计算首先要按照剪力墙的开洞大小和位置进行剪力墙

类型划分。对于没有门窗洞口或只有很小洞口的剪力墙，可以忽略洞口的影响，这种墙叫做整体

墙，可用材料力学公式按悬臂梁计算。当门窗洞口稍微增大一些，剪力墙中已出现局部弯矩，称

作小开口剪力墙，仍可按材料力学公式计算然后再加以适当的修正。洞口再大一些的有双肢剪力

墙和多肢剪力墙，可采用连续杆法解析求解内力和位移。当剪力墙洞口尺寸较大，且洞口上梁的

刚度已经接近或超过墙肢的刚度时，称作壁式框架，可按带刚域的杆件考虑剪切变形影响的矩阵

位移法计算。在计算剪力墙结构的内力和位移时，应考虑纵，横墙的共同工作，即纵墙的一部分

可作为横墙的有效翼缘；横墙的一部分也可作为纵墙的有效翼缘。

底层为框架的剪力墙结构是为了适应底层要求大开间而采用的一种结构形式，标准层采用剪

力墙结构，而底层则改用框架结构，即底层的竖向荷载和水平荷我全部由框架的梁柱来承受。这

种结构类型由于侧向刚度在底层楼盖处发生突变，震害较为严重，在实际计算分析中应当特别注

意框支转换层处应力分布，而不能简单的套用普通剪力墙结构的计算方法。

3.2.3框架一剪力墙结构

在满足变形协调的条件卜，按结构中框架和剪力墙各自的刚度分配它们所承受的水平荷载，

从而实现二者协同工作。框架和剪力墙承担水平荷栽的多少，主要取决于二者侧向刚度之比。对

框架一剪力墙结构,按照框架和剪力墙连接方式的不同可分为框架一剪力墙较接体系和框架一剪

力墙刚接体系，一般采用矩阵位移法进行计算，在工程设计中也可采用借助于图表的简化计算方

法。

对框架一剪力墙结构正行计算分析，关键在于理解其协同工作的原理。框架一剪力墙体系在

水平荷载作用下，由框架和剪力墙共同承受外荷载。二者之间的连接可以有两种类型：通过楼板

连接和通过楼板连梁连接。对其进行计算主要需要确定的问题就是要计算出总剪力墙抗弯刚度和

框架与剪力墙的抗弯刚度，从而达到按刚度分配外荷载后可以分别计算的目的。

3.2.4筒休结构

筒体结构是指由一个或几个筒体作为承受水平和竖向荷载的高层建筑结构。筒体结构适用

于层数较多的高层建筑，建筑平面宜为正方形或接近正方形。按筒体的形式，布置和数目上的不

同，筒体结构又可分为单筒，筒中筒和组合筒。在筒体结构中，往往将位于建筑平面中心或角部

的电梯井等竖向交通井作为实腹筒结构，从力学观点来看，实腹筒实际上是一个箱形梁，因此对

实质筒的分析计算可以参照箱梁的计算方法进行。应当注意的是，对于宽度较大的箱形梁，正应

力两边大，中间小的这种不均匀现象称为剪力滞后，忽略剪力滞后作用将对梁的强度估计过高。

框筒结构是由密排的柱在每层楼板平面用窗裙墙梁连接起来的空腹筒。框筒的受力特点比

一个简单的封闭筒更为复杂。这主要是由于连梁的柔性产生了剪力滞后现象，使得角部的柱子轴

向应力增加而使中间的柱子轴向应力减小，这一作用使楼板产生翘曲，并因此引起内部间隔和次

要结构的变形。对■框筒的计算方法通常有：简化的初略计算方法，根据初等梁理论计算；简化为

平面结构的计算方法；把筒体空间结构连续化的计算方法等。这些较为传统的方法主要基于能量

法为基础的半解析算法，也只能用于较为规则的情形。

3.3计算机算法和程序

由于上述计算分析方法主要采用简化的解析求解方法或借助与图标来计算，这对于较

为简单，平面和立面布置较为规则，层数不太多的高层建筑结构还可以在不致引起过大误差

的情况下进行分析，而当前大量出现的体形不规则，平面立面变化多样的高层特别是超高层

建筑结构，用以上的方法就显得无能为力了。因此，在当前计算机发展水平的基础上，对高

层建筑结构往往采用计算巩进行分析和设计。这里.，简单介绍计算程序的发展历程和有代表

性的三代程序。

1.协同工作计算程序：是最早出现的计算程序，基于刚性楼板假定和平面抗侧力假定。

其优点是基本未知量较少，计算比较简单，但由于仅考虑了各片抗侧力结构在楼层处水平位

移和转动位移的协调，而没有考虑各片抗侧力结构在竖立方向上的协调，因此整体性考虑得

不够完善。目前这种计算程序基本已被淘汰。代表程序有建研院CAD工程部的XTJS。

2.空间杆一薄壁杆系计算程序：将高层建筑结构视为空间的杆件体系，杆件单元除了一般

的杆单元外，还有模拟剪力墙的结点有7个自由度的薄壁柱单元。采用空间框架的计算方法对结

构整体计算，楼板在自身平面可以考虑为绝对刚性也可不考虑。缺点是用薄壁柱模拟剪力墙在墙

布置复杂多变，洞口很不规则时计算误差较大。代表程序有建研院CAD工程部的TAT和建研

院结构所的TBSAo

3.空间组合结构计算程序：将高层建筑离散为空间杆单元，平面单元，板壳单元和实体单

元的组合体进行分析。不同程序之间的主要区别在于对剪力墙和楼板的模拟，有壳元，墙元模型

和板梁墙元模型等。该计算方法时结构的模拟更接近实际情况，因此计算精度最高，计算结果最

为可信.但由于基本未知量多，对计算设备要求较高。不过随着计算机硬件的迅速发展，这一障

碍会很快被克服。代表程序有建研院CAD工程部的SATWE和美国CSI公司的ETABS。

目前基本上采用的是第三种空间组合结构的有限元计算程序对高层建筑结构进行分析和设

计。可以预见，随着计算机软硬件的迅速提升，必将进•步促进高层建筑结构的建设和发展。同

时，对高层建筑设计更更为精确更为符合实际状况的要求，也必将推动高层结构计算分析软件的

进一步发展。

4高层建筑结构设计理论

4.1结构总体布置方案

在高层建筑中，保障结构安全及经济合理等要求比一般的低层和多层建筑更为突出，因此结

构布置和结构选型更应受到重视。其它诸如场地选择，基础形式，变形缝设置等也是在初步设计

阶段应当重视的问题。下面针对高层建筑的特点列举一些在设计中应充分注意的问题。

4.1.1控制结构高宽比

与低层和多层建筑相比，竖向荷载已成为次要因素，水平荷载作用下结构的内力和位移是

设计中必须考虑的主要问题。高层建筑中控制侧向位移常常成为结构设计的主要矛盾。而且，随

着高度增加，倾覆力矩也将迅速增大，因此，建造宽度很小的建筑物是不适宜的。一般应将结构

的高宽比H/B控制在5〜6以下。当设防烈度在八度以上时，H/B的限制应当更为严格。

4.1.2选择有利于抗震的结构平面

建筑平面布置应简单，规则，对称。应尽量使结构各搂层的抗侧力刚度中心和地震尢作用

的质量中心重合，以减少在水平地震作用5的扭转，通常扭转偏心矩不宜超过垂直于外力作用线

边长的5%。要注意刚度的均匀对称，不仅要注意钢筋混凝土剪力墙的位置，也要注意填充墙的

位置。第杂，不规则，不对称的结构必然会带来难于计算用处理的复杂地震应力，如应力集中和

扭转等，这对抗震不利。凹凸不规则的平面，在拐角等处容易造成应力集中而遭到破坏。要注意

楼板的局部不连续，楼板的尺寸和平面刚度有急剧变化，有效楼板宽度小于结构平面典型宽度过

多，或开洞面积过大，都是对抗震不利的。

4.1.3选择有利于抗震的结构竖向布置

结构的竖向布置也应注意刚度均匀而连续，要尽量避免刚度突变或结构不连续。按抗震设防

的高层建筑，竖向体型应力求规则，均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上

小，逐渐均匀变化，当某楼层侧向刚度小于上层时，不宜小于相邻上部楼层的70%。在地宸区，

不得采用完全由框支剪刀墙组成的底部有软弱层的结构体系，也不应出现剪刀墙在某一层突然中

断而形成的中部具有软弱层的情况。当底部采用部分框支剪力墙或中部楼层部分剪力墙被取消时,

应进行计算并采用有效措施防止由于刚度变化而产生的不利影响。顶层尽量不布置空旷的大跨度

房间，如不能避免时，也要考虑由下到上刚度的逐渐变化。当楼层刚度小于上一层的70%,或

连续三层刚度均小于上层的80%时，除应采用三维结构模型的振型分解反应谱法和弹性时程分

析法进行计算外，尚应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施，甲类建筑还应进行弹塑性动力时程

分析或静力弹塑性分析。

4.1.4考虑温差对高层建筑竖向的影响

季节温差，室内外温差和日照温差对高层建筑竖向是有影响的。当建筑高度超过30〜40层

时，就应当考虑这种温差的作用。温度变化在竖向结构中形成的伸长和缩短会而相邻构件产生影

响，会对外墙，隔墙等填充材料产生影响，影响最大的部位是在高度较大的建筑物的顶部数层。

在设计中应考虑到这种影响并采取适当措施加以避免或减缓。

4.1.5选择合适的高层建筑楼盖体系

在高层建筑中，对楼盖水平刚度及整体性要求较高，并应特别注意要降低楼盖结构高度和减

轻楼盖结构重量。因此在层数较高的高层建筑中，多层建筑中通用的预制楼盖不再适用。当建筑

高度超过50m时，宜采用现浇楼面结构，特别应推广采用无粘结后张预应力混凝土平板结构。

或者采用压型钢板作模板的组合楼板结构。

4.2荷载作用

在高层建筑分析与设计中，首先应明确作用在结构上的各类荷载。高层建筑的竖向荷载包

括自重等恒载及使用荷载等活载，这与一般的建筑结构类似，在此不再重复，这里主要叙述在高

层建筑结构设计中起主导作用的水平荷载。

4.2.1风荷载

作用在建筑物表面的风荷载标准值可按下式计算：

■二11——%(kN/m2)

由于我国《建筑荷载设计规范》中给出的基本风压值恤的重现期为30年，而一般高层建

筑需要考虑重现期为50年的大凤，故在计算式(5.1)中要乘以1.1的系数.

此外，风的作用是不规则的，风压随着风速，风向的紊乱变化而不停地改变。通常把风作

用的平均值看成稳定的平均风压，而实际风压是在平均风压上下波动的，即风作用在建筑上有动

力作用效应。应该了解的是，风荷载波动中的短周期成分对于高度较大或刚度较大的高层建筑可

能产生一些不可忽视的动力效应，在设计中必须考虑。式(5.1)中的风振系数人就是考虑了风荷

载的动力特性和建筑周围环境影响的动力增大系数，这样就可将动力分析近似为静力分析，从而

起到简化设计的目的。

式中的风载体形系数凡是•个由统计数据得到的值，其含义是指作用在建筑物表面的实际

风压与基本风压的比值。对于平立面布置特别复杂的高层建筑，应通过风洞实验确定。

4.2.2地震作用

地震时，由于地震波的作用产生地面运动，并通过建筑基础影响上部结构，使结构产生的动

态作用，就是地震作用。地震波会使建筑产生竖向振动和水平振动，一般对建筑的破坏主要由水

平振动造成。设计时主要考虑水平地震作用，只有在震中附近的高烈度区或竖向地震会产生较严

重后果时，才同时考虑竖向地震作用。地震作用使建筑产生的运动称为地震反应，包括位移，速

度和加速度。地震作用的大小除了和地震波的特性有极为密切的关系外，还和场地上特性，建筑

本身的动力特性有很大关系。

高层建筑的抗震设计通过三个方面体现：即抗蔻概念设计，抗衷计算和抗宸构造设计。抗

震规范规定在设防烈度为六度地区的建筑，除了在IV类场地土上的较高建筑外，可不进行抗震计

算，但必须进行抗震构造设计。而抗震概念设计则应当在所有的抗震建筑中加以运用。高层建筑

的抗震计算采用两阶段设计法：在多遇地震作用下(小震)，按反应谱理论计算地震作用，用弹

性方法计算结构的内力和位移，并用极限状态方法设计构件：对于重要建筑或有特殊要求时，要

采用弹性动力时程分析以及静力或动力弹塑性分析作补充计算。

4.3基本设计要求

在进行各种竖向荷载，风荷载和地震作用计算后，需要按规范规定的荷载效应组合式把作用

在高层建筑上的各种荷载进行组合。荷载组合式包括有地震作用和无地震作用两类共7种不同组

合情况，应按具体要求组合计算。

在使用荷载及风荷载作用卜，结构应处于弹性阶段或仅有微小的裂缝出现。结构应满足承

载能力及限制侧向位移的要求。在地震作用下，采用两阶段设计法，要求达到三水准目标。下面

分别说明。

4.3.1承载能力验算

按极限状态设计要求，各种构件承载能力验算一般表达式为：

不考虑地震作用的组合:

考虑地震作用的组合：s£<—

4.3.2侧向位移限制和舒适度要求

在止常使用条件下，高层建筑处于弹性状态并且应有足够的刚度，避免产生过大的位移而影

响结构的承载力，稳定性和使用条件。正常使用条件下的结构水平位移（侧移）包括顶点位移和

层间位移，按风荷载和地震作用，用弹性方法计算，应符合规范的相应规定。对于高度超过150m

的高层建筑应具有良好的使用条件，满足舒适度的要求：即按荷载规范规定的10年一遇的风荷

载取俏.和专门风洞实验il♦算确定的顺风向与横风向结构顶点最大加速度和最大扭转加速度应满

足规范相应规定。

4.3.3抗震等级和抗震措施

在中等地震烈度下，允许结构的某些部位进入屈服状态，形成塑性校。这时结构进入弹塑性

阶段，结构变形加大。在此阶段，结构可通过塑性变形耗散地震能量，但必须保持结构的承载能

力，结构不能破坏。这种性能称为延性。延性愈好，抗震能力愈强。影响构件延性的因素很多，

主要是截面应力性质，构件材料及截面配筋量，配筋构造等。在抗震设计中延性要求体现为对结

构和构件采取一系列抗宸措施。抗宸措施分为五个级别，称为抗宸等级。高层建筑抗震设计中的

结构构件抗震构造可通过符合相应抗震等级中的抗震措施又保证。

4.3.4罕遇地震下的变形脸算

要实现“大震不倒”这个第三水准设计目标，一般情况下，经过小震地震作用计算后，采取

若「抗震措施即可满足。但对于规范规定的某些有特殊要求的高层建筑还应进行罕遇地震下薄弱

层（部位）的变形验算。在罕遇地震作用下，大多数结构都已进入弹塑性状态，变形较大，主要

是验算结构层间变形是否超过限值，通常采用静力弹塑性或动力弹塑性时程分析计算结构的层间

位移。

4.4高层建筑结构抗震设计

4.4.1反应谱分析

反应谱分析中使用的，受地基运动影响的结构的动力立衡方程式可以写成下列形式：

[M]〃«）+[C]u（t）+[KM。=-[M阮⑺

其中：M：质量矩阵；阻尼矩阵：[K]：刚度矩阵：地基加速度

u（t），u（t），u（t）各表示相对位移,速度,加速度。

反应谱分析法是把多自由度系统假设为单自由度系统的复合体，组合并分析预先通过数值积

分求出的任意周期（或者频率）范围对应的最大反应值（加速度，速度，位移）的方法，主要

应用于利用设计频谱所进行的抗震设计中。反应谱分析方法是先求出每个振型对应最大反应值,

然后用适当的组合方法，预测最大反应值。

采用反应谱方法计算第效地宸荷载是一种拟静力方法。首先应用结构动力学相关理论计算出

单自由度质点体系的地震反应，建立反应谱：再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构

的等效地震荷载；然后按静力方法进行结构计算和结构设计。我国的抗震规范是根据255条地震

加速度记录计算得到反应谙曲线，经过处理后得到的标准反应谱作为设计反应谱曲线。按反应谱

方法计算等效地震荷载根据高层建筑的高度和其它要求可以采用以下方法：底部剪力法，振型分

解反应谱法（SRSS法），考虑扭转耦连的振型分解反应谱法（CQC法）。

4.4.2弹性，弹塑性时程分析

时程分析中使用的动力平衡方程式可以表示为下列形式：

[M]〃(/)+©“(/)+=p(/)

其中：M：质量矩阵：©：阻尼矩阵：[可：刚度矩阵：p(t)：动力荷载

u(t)，u⑴,u(t)各表示相对位移，速度，加速度。

时程分析是指当结构受动荷载作用时，计算动力平衡方程式的过程。利用结构的动力特性和

所施加的动荷载求出任意时刻结构的反应(位移，内力)。通常采用振型叠加法进行高层建筑结

构的弹性时程分析。振型叠加法是指结构的位移用相互正交位移向量的线性组合的形态求解的方

法,该方法的前提条件是阻尼矩阵可以用质量矩阵和刚度矩阵的线性组合所表示。在时程分析中，

结构的位移是由振型向量和单自由度系方程式解的乘积所决定的，并且它的准确性受所选择的振

型数量影响。这种方法是结构分析程序中使用最多的方法之一，对高层结构的线性动力分析是一

个很有效的方法。但是对非线性动力分析或者因为装有特殊的阻尼器而不能把阻尼表示为刚度和

质量的线性组合的情况下是不能使用线性叠加法的，这一点是振型叠加法的缺点。

对于在罕遇地震作用下，大多数高层结构都己进入弹塑性状态，往往应采用动力弹塑性时程

分析计算结构的层间位移。即在抗震计算中将高层建筑结构作为弹塑性振动体系，直接输入地面

运动，计算其在地震过程中的各种反应值。因为这已是非线性振动问题，叠加原理已不适用，故

不能采用振型叠加法。通常将地面运动试件t分割成一系列的时间间隔At,在每个时间问隔内

把体系当作线性体系来计算，逐步求出体系在各时刻的反应。按照《高层建筑建筑混凝土结构技

术规程》的规定，应按照建筑场地类别和所处地震动参数区划的特征周期分区选用不少于二条实

际地震记录和一条人工模拟的地震波输入,且地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期

的3〜4倍，也不宜少于12秒。在进行弹塑性时程分析时，结构的振动模型是应认真考虑的非常

重要的分析前提，通常有以下几种振动模型：

1.层模型：将结构的质量集中于楼层处，用每层的刚度(层刚度)表示结构的刚度，也称

为层间模型，可分为剪切型层模型，剪弯型层模型，优点是较为简单，计算量小，但由于模型较

为粗糙，不能描述结构各构件的弹塑性变形过程，因此不易据此确定结构的薄弱部位。

2.杆系模型：模型的变形性质由各杆件的变形性质所决定，刚度矩阵可以通过杆件的刚度

矩阵集成求出，而杆件的刚度矩阵在弹性阶段和弹塑性阶段是不同的，这就大大增加了问题的更

杂性。杆系模型的计算模型通常有三种，即单分量模型，以分量模型，三分量模型。杆系模型的

优点是模型较为精细，能够了解地震过程中每根杆件的变形过程，为结构设计提供了确切的依据。

缺点就是太复杂，计算工作量太大。

3.杆系一层模型：将高层建筑结构按杆件体系确定其变形和刚度，但结构的质量集中于楼

层处，是一种介于杆系模型与层模型之间的计算模型，这种模型兼有层模型和杆系模型的优点，

是高层建筑结构进行深入的弹塑性动力分析的较优模型。

4.4.3静力弹塑性分析

结构静力弹塑性分析(Pushover)法在国外应用较早，80年代初期在一些重要刊物上就有论

文采用过这种方法，近年来这种方法的应用和研究逐渐深入。

Pushover方法是近年来在国外得到广泛应用的一种结枸抗震能力评价的新方法，其应用范围

主要集中于对现有结构或设计方案进行抗侧力能力的计算，从而得到其抗震能力的估计。这种方

法从本质上说是一种静力非线性计算方法，与以往的抗震静力计算方法不同之处主要在于它将设

计反应谱引入了计算过程和汁算成果的工程解释。其大致步骤是：根据建