摘要：随着我国经济建设的不断飞速发展，高层建筑日益增多，高层建筑结构的合理及优化设计已成为结构工程师设计工作中的重点和难点。本文分析了高层建筑结构设计的特点，并对钢筋混凝土高层建筑结构设计过程中几个关于概念设计方面的问题进行了探讨。
关键词：钢筋混凝土；高层建筑；结构设计
中图分类号：TU497 文献标识码：A
1高层建筑结构的特点
1.1高层建筑结构的多样性和复杂性
高层建筑发展至今，在其主体结构体系、楼屋盖结构体系、结构材料等方面均具有多样性。结构体系是高层建筑结构设计中最核心的内容，目前主要的结构体系有：框架、框架-剪力墙、剪力墙、筒体、筒中筒、束筒、筒框（筒体稀柱框架结构的简称）、带支撑或带钢臂（刚性加强层的简称）的筒框、巨型支撑等等。高层建筑的楼屋盖结构体系主要包括钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的各类梁板体系、无梁楼盖体系、钢结构的钢梁、混凝土组合楼板体系。适用于高层建筑结构的材料同样比较多样，主要有钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、钢及钢混凝土、钢筋混凝土的组合。
除了结构自身的发展，由于建筑领域的发展，其对功能、空间、造型的需求不断提升，使结构设计的复杂性陡然而增。例如下部商业空间、上部住宅公寓的商住楼，必然产生主体结构由上部剪力墙结构到下部筒体框架或框架-剪力墙结构的转换；而在一些高层办公楼、高层酒店的建筑中，有时需要几层通高的室内绿化空间，相应楼盖被抽空，使刚性楼盖假定难以实现，更有近年来一些连体建筑的出现，都使结构受力特性变得相当复杂；另外高层建筑的立面体型的丰富变化，包括退台、部分切块、挖洞、尖塔、悬挂、大悬臂等造型需求，使原本方匣子落地、结构刚度沿竖向均匀变化的普通高层结构设计面临很大挑战。
1.2高层建筑结构的合理构成
一个优良的高层建筑结构主要取决于以下几个方面：结构的均匀对称、荷载的传力直接、结构的合理刚度以及与建筑巧妙结合。其中结构的均匀对称最为关键，其最终目的就是力求结构的刚度在平面正交坐标系上沿两个主轴方向、在同一个主轴上各个片区、沿结构竖向、以及在极坐标系上沿中央核心的周围，都能尽量均匀布置或变化，不要产生突变。实际的地震作用、风荷载具有任意的方向性，结构的均匀对称使结构不存在特别薄弱的位置，不会在受荷时成为短板首先受到破坏而引起整体破坏。
高层建筑结构设计，归根结底，要明确把握的核心点就是均匀性。要力求使各类高层建筑结构中各个构件在重力荷载、水平荷载及其他非荷载效应下受力都比较均匀，使之始终都能处于良好的工作状态，都能充分发挥作用，达到高层建筑结构设计更加经济有效合理安全的目的。
2 高层建筑结构水平荷载下的侧移限值
高层建筑结构水平荷载作用下的侧移控制极其重要。这主要有以下三个方面的原因：
（1）高层建筑结构水平荷载作用下侧移过大，将容易导致建筑室内装修、室内幕墙等的裂缝破坏。
（2）高层建筑结构水平荷载作用下侧移过大，意味着结构侧移刚度偏小，水平荷载作用下的结构构件内力偏大。而在目前规范体系下，水平荷载下的结构侧移完全是人为的静力计算结果，实际的风、地震都是复杂的动力荷载，随机性很大。当结构刚度偏小，结构内力偏大时，风作用下极易产生过大的风振，影响人在建筑物内的正常工作生活；地震作用下，结构延性差，容易造成灾难性破坏。
（3）高层建筑结构水平荷载作用下侧移过大，将会产生较大的p-Δ效应，即重力荷载将产生附加倾覆弯矩，加大水平荷载的侧移效应，进而有可能造成结构的失稳和破坏。
所以，一幢高层建筑结构的可靠安全与否，控制水平荷载作用下的顶点水平位移及最大层间相对水平位移极其重要。水平荷载作用下的结构顶点水平位移及最大层间相对水平位移的大小，是高层建筑结构设计的一个重要指标。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中3.7.3条给出了钢筋混凝土高层建筑结构层间最大相对水平位移的限制条件。
3 高层建筑结构的整体稳定
高层建筑结构的设计中，由于建筑物的高度和高宽比的增加，由此产生的重力二阶效应不可忽视。所谓重力二阶效应，一般包括两部分：一是在于构件自身挠曲引起的附加重力效应，即p-δ效应；二是结构在水平风荷载或地震作用下产生侧移变位后，重力荷载由于该侧移而引起的附加效应，即重力p-Δ效应。而高层建筑结构构件的稳定设计，主要是控制p-Δ效应对结构构件性能降低的影响以及由此可能引起的结构构件失稳。
在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中5.4.4条已经明确，当弯剪型结构刚重比小于1.4、剪切型结构刚重比小于10时，会导致p-Δ效应较快增长，对结构是不安全的，是刚重比的下限。而在实际设计过程中，一般的钢筋混凝土结构多数能满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中5.4.1条的规定，此时在弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。但是，结构满足位移限值并不一定都能满足稳定设计对刚重比的控制值，特别是当结构的设计水平荷载较小时，结构刚度虽然较低，但结构的计算位移仍能满足位移限值要求，然而，稳定设计中刚度的要求与水平荷载的大小是无关的。
4 高层建筑结构承载力和延性的控制
高层建筑竖向构件的轴压比控制、各类构件的剪压比控制、结构采用相应的抗震等级、以及结构构件合适的含钢率，是保证整个高层建筑结构承载力和延性的关键因素。关于前三点，在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中已有相应阐述，而结构构件合适的含钢率，是个人认为控制高层建筑结构构件承载力、延性、刚度及裂缝使之正常工作的另一个极其重要的设计原则和手段。
尽管结构计算软件技术不断发展，计算精度不断提高，但是实际的高层建筑结构工作状态十分复杂，计算的结构内力与实际的结构内力不可避免地总存在着一定的差距，如若无视这种实际存在的差距，仅按电算模拟结果设计，将必然对结构造成无法忽视的隐患。实际的高层建筑结构，尤其是钢筋混凝土高层建筑结构，它的工作状态的复杂性主要表现在以下三个方面：
（1）高层建筑结构的刚度构成、荷载（重力荷载）形成是一个随施工方法步骤变化而变化的复杂过程。到目前为止，世界各国还没有较适宜的高层建筑结构计算软件来模拟、全面准确反映这个实际施工全过程。
（2）钢筋混凝土高层建筑结构更加复杂。混凝土是一种弹塑性材料，且其弹塑性性能随混凝土施工工艺方法不同而有所不同；即使在低应力、小应变情况下，混凝土仍具有其固有的弹塑性性能。但到目前为止，世界各国还没有较全面准确反映混凝土弹塑性性能的可供实际应用的高层建筑结构计算软件。因此，姑且不论大震下结构进入高应力、大应变弹塑性状态时的复杂性，即使重力荷载、风荷载、小震水平作用下，钢筋混凝土高层建筑结构的计算内力与实际内力也有一定的差异。
（3）非结构构件对结构刚度的影响十分复杂，它将直接影响荷载尤其是地震作用的大小、分布；温差变化、混凝土收缩、徐变等非荷载效应，对高层建筑结构的内力也有一定影响。
（4）从包括5.12汶川地震在内的多次地震震害调查发现，整浇钢筋混凝土多、高层建筑结构在大震作用下破坏受损乃至倒塌的主要表现是柱、墙脆性剪切或压屈破坏，与此同时，整浇钢筋混凝土楼盖框架梁未见正截面裂缝钢筋屈服，未形成塑性铰。造成这些震害的主要原因可分析归结为：整浇钢筋混凝土楼盖巨大的“卸荷”、“增强”效应以及竖向构件极限承载能力、延性的相对不足。“卸荷”即由于整浇钢筋混凝土楼板面内外刚度的客观存在，重力荷载作用下，与楼板相连的楼盖梁、框架梁水平构件支座弯矩较杆系模型计算结果大幅下降，从而使按杆系模型设计的框架梁支座受弯承载能力有较大储备；“增强”即由于整浇钢筋混凝土楼板面内外刚度的客观存在，地震作用下，楼盖框架梁、连梁水平构件与相连楼板共同提供的实际承载能力较按杆系模型设计的框架梁、连梁支座受弯承载能力有较大提高。
因此，高层建筑结构设计应该建立这样一个概念：在力求结构计算尽量全面准确符合实际工作状态的同时，要给结构留有一定的安全度，而其竖向构件的安全度控制更要适当从严。
5 结语
钢筋混凝土高层结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，任何在这过程中的遗漏或失误都有可能给整个结构留下不足之处，而如果结构工程师在概念设计方面有所欠缺的话，则更会使整个建筑结构难以达到预期的结构性能，事倍功半，甚至留下后期难以弥补的隐患。因此，整个结构设计的过程中都应该贯彻概念设计，在其指导下，根据合理的电算结果，认真分析，不断优化，最终达到满意的设计成果。
参考文献：
[1]高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]傅学怡.实用高层建筑结构设计-2版.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]仲纪贵.钢筋混凝土高层结构设计常见问题探讨[J].南北桥，2009(1).
[4]刘信江.钢筋混凝土高层结构设计常见问题探讨[J].江西建材，2009(4).
[5]傅学怡.汶川、台湾建筑震害启示-改进规范的几点建议.建筑结构，2008(07).
