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摘要：目前，随着社会经济的高速发展和城市化进程的加快，高层建筑和超高层建筑日渐增多，相比普通建筑，其在建筑结构有着明显的区别。本文首先阐述了复杂高层建筑的发展状况，其后对高层建筑结构的布置原则与基本规定进行了分析，最后对高层建筑结构中的关键技术桁架转换层结构设计进行了探索，希望能够对复杂高层建筑的发展提供参考和建议。
关键词：高层建筑；结构设计；关键技术
随着城市化进程的加快，城市用地日渐紧张，城市建筑物开始转向高空发展，建筑物的增高和公众审美的多样化促使建筑设计师不断的创新和变化建筑体形，高层建筑的体形和内部空间也随之日渐复杂多变，越来越复杂的高层建筑给结构设计师带来了巨大的挑战。高层建筑在方案设计阶段，结构工程师就要结合新材料、新工艺和最先进的设计技术，与建筑设计师充分沟通交流，探求最为科学合理的建筑结构，促使高层建筑物在满足结构安全的前提下力求经济合理，达到理想的状况下实现。作者结合自身多年的工作经验体会，深入浅出的对复杂高层建筑结构的若干关键设计要点进行分析探讨。
一、复杂高层建筑发展现状
1.1 复杂高层建筑结构体系、体形
在 20 世纪末，随着施工技术的不断创新和很多高性能建筑材料的推广使用，高层建筑结构体形不断向复杂和多样化趋势发展。例如：错层结构、连体结构、转换结构等的出现和应用。此外，随着业主需求的多样化，复杂高层建筑的使用功能也日益增多。总之，在多功能、多用途的要求下，高层建筑立面造型和平面布置日益复杂。圆形、三角形等多样式的平面组合日渐出现在人们的视野里。丰富多变的高层建筑立面体型层出不穷，也使高层建筑的结构日趋复杂，结构刚度沿竖向突变时而发生。
1.2 新技术和新材料的应用
高性能的混凝土和高强度的钢材凭借优秀的性能在复杂高层建筑的建设中得到了广泛的应用。混凝土的强度等级逐渐向高等级、高耐久性发展，可焊性和高韧性的高强度钢材应用越来越广泛。采用全钢结构、钢混组合的高层建筑越来越多，这样不但增强了建筑的安全性，而且还大大减轻了建筑结构的重量。加速了高层建筑结构向多样化和复杂性发展。新技术的产生、应用和新材料的使用促使复杂高层建筑结构的发展，反之，复杂高层建筑的快速发展也加速了新技术和新材料的应用。
二、复杂高层建筑结构基本规定与布置原则
高层建筑选择结构体系时，不但要考虑建筑结构的高度，还要充分考虑到建筑物的体形、平面形状、剖面形状以及当地抗震设防的要求。高层建筑在初步设计阶段结构工程师就应对其结构体系进行选择。
2.1 复杂高层建筑总高度与高宽比
在选择高层建筑结构体系时，要充分考虑到各种因素，房屋高度和高宽比、房屋平面形状、施工条件、场地类别以及抗震设防烈度和抗震类别等等。A、B 级高度是钢筋混凝土高层建筑结构的适用高度，其中 A级比 B级高度低，相比 A 级，高层建筑结构的最大适用高度可适度放宽，但相应的构造措施、结构抗震等级和相关计算要更加严格。另外结构高宽比要控制在 5-6 内，对建筑结构的整体稳定、结构刚度以及经济合理的综合控制是高层建筑限制高宽比的重要目的。
2.2 复杂高层建筑结构平面布置
为便于建筑工业化的发展，要尽量减少高层建筑的构件类型、开间、进深尺度。在结构平面布置时，不但要做到结构构件受力明确、传力直接、还要做到结构构件尽量对称均匀以减少扭转的影响，便于抵抗竖向和水平力的作用。结构平面要力求规则简单，对那些平面不对称的高层建筑，结构要充分考虑到扭转和局部应力集中所带来的不利影响。
2.3 复杂高层建筑结构竖向布置
结构竖向布置时，结构刚度沿建筑高度要连续而均匀，避免出现突变的情况。竖向刚度出现突变的原因主要有以下两个方面：1、改变抗侧力构件位置、数量、截面尺寸等；2、建筑结构的竖向体型发生改变。结构抗震设计时结构刚度应自下而上逐渐递减，通常情况下抗侧力构件应连续贯通至顶，构件截面尺寸、混凝土强度应分段均匀变小、变低，这样可以使结构刚度自下而上递减。
2.4 复杂高层建筑抗震投计的基本原则
抗震能力是建筑结构设计必须考虑的因素，特别是对复杂高层建筑。建筑抗震设计的目标要做到“大震不倒、中震可修、小震不坏”。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，复杂高层建筑结构抗震设计要满足以下几个基本原则：1、场地选择时要避开不利地段，尽可能选择有利地段；2、选择科学合理的建筑结构体系，不同的结构体系其抗震性能有着明显的差异，纯框架结构抗震性能较差，而框架—剪力墙结构、筒体结构抗震性能较强；3、结构平面布置要做到规则、简单、对称，尽量避免平面出现凹角和减少缩颈部位；4、竖向体型尽量要做到笔直，不宜过多内收，也尽量不要外挑，要做到刚度均匀改变，以免因为不均匀而产生应力集中；5、复杂高层建筑中突出屋顶的小塔楼应能承受高振型产生的鞭梢效应影响，其承载力和延性必须优良，必要时可以采用型钢混凝土结构或钢结构；6、为提高结构抗震性能和确保结构安全，结构应具备多道抗震防线和必要的抗震构造措施。例如：框架结构设计时应做到强柱弱梁，框架—剪力墙结构设计成连梁首先屈服，然后是墙肢，框架作为第二道防线；剪力墙结构通过构造措施保证连梁先屈服，并通过空间整体形成多次超静定结构等等。
三、复杂高层建筑结构设计实例分析
3.1工程概述
某地一复杂高层建筑项目，其建筑总面积为80000m2，建筑高度为118.6m，屋面装饰架标高为131.8m，室内外高差0.3m，地上为26层，地下为3层，当地基本风压为0.6 kn/ m2，抗震设防烈度为7度0.1g，场地类别Ⅱ类。
3.2 结构设计
3.2.1结构选型
项目建筑平面沿高度分段逐步速小，结构属竖向不规则，结构体系采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，中部为核心筒，外围为框架柱。核心筒从下到上连续贯通，最外围的框架柱依建筑平面沿高度分段内收成折线形状。
3.2.2结构构件承载力
项目利用线弹性时程分析法对结构构件承载力进行分析，剪力墙、框架柱以及横向转换梁等构件均未出现屈服现象，而连梁受力较大，出现屈服现象，并且刚好达到设计要求，满足设定的抗震性能目标。
3.2.3动力弹塑性
项目利用Midas Building程序进行分析，通过程序自带的武田非线性滞回模型，以及纤维束模型，对建筑结构动力弹塑性进行分析，其中忽略混凝土材料存在的受拉能力。分析结果反映结构连梁最先出现剪切屈服，然后底部加强区剪力墙发生剪切屈服，最后连梁产生较为严重的破坏。另外，剪力墙未发生受压屈服，框架柱未产生塑性铰，结构具有较大的抗弯承载力，不会因为地震作用而出现脆性破坏问题，达到结构设计目标。
四、复杂高层建筑结构桁架转换层结构设计应用
当前工程界，转换桁架因为受力优越、抗侧刚度好、结构自重小以及清楚的传力途径等优点，转换桁架在复杂高层建筑中得到广泛的应用。此外，桁架转换层结构在大型管道等设备系统布置以及采光和通风方面有着明显的优势，转换层的建筑空间可以充分利用，在保障建筑功能的情况下有着优异的建筑艺术效果。
当采用空腹桁架、斜杆桁架或迭层桁架作转换构件时，桁架下弦宜施加预应力，形成预应力混凝土桁架转换构件，以减小因桁架下弦轴向变形过大而引起桁架及带桁架转换层高层建筑结构在竖向荷载作用下次内力的影响，提高转换桁架的抗裂度和刚度。采用转换桁架将框架一核心筒结构、筒中筒结构的上部密柱转换为下部稀柱时，转换桁架宜满层设置，其斜杆的交点宜为上部密柱的支点。当桁架高度超过层高时，转换桁架宜采用迭层桁架。带桁架转换层高层建筑结构设计必须遵循以下原则：“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”；桁架转换上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则；桁架转换按“强斜腹杆、强节点”的原则。通常情况下，为了确保塑性铰在梁端出现，使柱比梁有更大的安全储备，转换桁架上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则进行设计。其下部转换柱必须满足轴压比、抗剪及构造要求，设计时转换桁架以下柱按钢筋混凝土框架柱确定截面尺寸后仍很难满足轴压比和抗剪的要求时，转换桁架以下柱可采用高强混凝土柱、钢骨混凝土柱等有效方法来满足轴压比和抗剪的要求，同时也有利于调整截面尺寸、刚度及其延性。
五、结语
总而言之，复杂高层建筑已经成为当今社会建筑发展的趋势，在高层建筑快速发展的今天，结构工程师除了要熟练掌握复杂高层建筑的抗震设计规范、结构布置原则之外，更要注重应用新理念、新技术。随着我国建筑结构设计水平的快速发展，相信不久的将来我国复杂高层建筑结构设计水平将赶超西方发达国家。
参考文献：
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[2]罗郁.复杂高层与超高层建筑结构设计的重点[J].现代装饰（理论），2015，02：224.
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[4]赵文文.带梁式转换层的复杂高层建筑抗震性能研究[D].西安建筑科技大学，2013.
论文作者:陈茂松
论文发表刊物:《基层建设》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/6
标签：桁架论文; 结构论文; 高层建筑论文; 建筑结构论文; 高层论文; 结构设计论文; 刚度论文; 《基层建设》2017年第20期论文;