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摘要：随着经济的不断发展，人口的不断增加，二战以后，世界对高层以及超高层建筑物的结构体系研究已经逐渐发展，结构设计水平逐渐提高，这使得高层与超高层建筑迅猛发展起来，高层与超高层建筑与多层建筑相比体积增大，结构更加复杂，因此对高层与超高层建筑的结构进行设计是非常必要的，基于此，本文主要对高层及超高层建筑结构分析与设计进行分析探讨。
关键词：高层；超高层建筑；结构分析；设计
1、前言
近年来，建筑开始向高层和超高层的方向发展，这对于当时城市紧张的住房问题起到了一定的缓解作用，同时也给人们打造了舒适的生活环境。起初在高层与超高层建筑中，使用的是钢筋混凝土结构，但是事实证明钢筋混凝土的自重较大，体积也比较大，使得高层与超高层的功能受到限制。但是随着对高层与超高层建筑的结构设计，使用钢结构进行建设避免了钢筋混凝土结构的缺点，提高了高层与超高层建筑的使用功能，这是高层与超高层建筑中的一次跨越。
2、高层及超高层建筑的结构体系
随着我国建筑业的不断发展，建筑技术趋于成熟，数量也越来越多，为了便于建筑规范的执行，将建筑物分为级与级的高层建筑。通常情况下，级建筑物只要按照现行的规定进行设计即可，但是对级建筑物在结构体系的设计时，要求要更严格，下面对常用的结构体系进行阐述。
2.1框架结构
框架结构高度局限较大，在高烈度地区做到规范限值时，构件的截面过大，影响使用且不经济，也不满足国家规范多道设防的理念，所以出现框架—剪力墙体系。在此结构中，两个体系所扮演的角色各不相同的但又不可分开，剪力墙起到承受水平方向剪力的作用，框架起到承受垂直方向的荷载作用。框架剪力墙体系所呈现的位移形式为弯剪型。在水平方向承受的作用力，剪力墙与框架通过刚度较强的楼板和连续梁组成到一起，形成相互合作的结构体系。剪力墙在建筑结构中的设计优点很多，是结构整体的侧向高度增大，水平方向的位移减小，框架所承受水平方向的剪力明显减小，且竖向方向的内力分布也变得均匀。因此，框架剪力墙体系的建筑物的框架体系低于建筑物的能建高度。
2.2剪力墙结构
此结构所承受的横向荷载与竖向荷载都是剪力墙，没有框架柱结构。此建筑结构适用于高层建筑中，并且选用此建筑结构建筑的楼层可以比框架剪力墙结构高。此结构的缺点在于成本造价高，内部的空间不可以进行任意的分割。在实际的工程建筑中，设计者首先要对框架剪力墙结构进行考虑，若此结构无法满足建筑的要求，则选择全剪力墙结构。
2.3避难层的设置
对于高层建筑以及超高层建筑来讲，避难层的设置是非常必要的，因为一旦高层建筑以及超高层建筑发生火灾时可以进行避难，因为避难层的空间大，通风好。通常情况下，当建筑物的高度达到一百米后，便要在建筑物内进行避难层的设置，以便于消防安全。避难层的设置位是有规定的，第一层与避难层的设置层数不能超过十五层；面积的设计要满足人员的避难要求；要在避难层处设置消防电梯口；避难层要配备全套的消防设备等。
2.4筒体结构
筒体结构采用的筒体为抗侧力构件，此建筑体系所包含的形式较多，如单筒体型式、筒中筒型式、筒体框架型式等。筒体体系包含了实、空腹体两种类型，属于空间式的受力构件。实腹筒属于三维竖向的结构单体，由曲面或者是平面墙围成。空腹筒则是由密排柱与开孔形式的钢筋混凝土外墙构成或者是由密排柱与窗裙梁构成。筒体体系的刚度与强度都比较大，各个结构构件受力均匀且合理，抗震能力与抗风能力比较强，此体系通常用在超高层建筑中或者是跨度大、强度高的建筑中。
3、高层及超高层建筑结构分析与设计
3.1工程概况
某拟建超高层综合商业塔楼位于武汉市，地上层数为58层，地下层数为3层。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆建筑高度为260．6m，结构高度为248．60m，地上建筑面积103653m2，地下部分建筑面积为6．1万m2。平面尺寸为47．4×47．4m，核心筒尺寸为25．0m×24．4m，柱距9．15m、10．27m。
3.2弹性地震反应分析
弹性地震反应分析采用ETABS进行计算，其中梁、柱采用杆单元模拟，核心筒剪力墙采用壳单元模拟，楼板采用膜单元模拟，采用弹性反应谱法计算结构在地震下的响应。工程场地土类别为Ⅱ类，特征周期0．35s，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0．10g，设计地震分组第一组。塔楼采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。该体系具有良好的抗侧刚度，且能够满足建筑使用功能的要求，在超高层建筑中的应用十分广泛。
为了探究结构在罕遇地震下各项指标，采用STＲAT软件(佳构软件)对结构进行动力弹塑性时程分析，以确定该结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求。
3.3弹塑性动力时程分析
3.3.1材料特性
分析中，采用Clough刚度退化(曲线)模型模拟钢材在反复荷载作用下的σ-ε关系，钢材的弹性模量为Es，强化段的弹性模量为0．01Es，极限应变考虑为30倍弹性应变。程序中考虑了在反复荷载作用下，钢材的包辛格(Bauschinger)效应。混凝土采用Kend-Park模型的非线性本构模型。模型可考虑箍筋对混凝土的套箍作用，并可考虑混凝土强度蜕化，达到屈服峰值之后的卸载及再加载，规定指向卸载点。
3.3.2梁柱墙单元模拟
程序可对梁、柱、杆单元的截面，自动区分材料特性，包括混凝土和钢材，分别进行细分，形成分析所需的纤维束。对于混凝土和型钢混凝土截面的纵筋，程序将其等效成混凝土保护层纤维内侧的钢筋片，截面各边的钢筋片的厚度按实际配筋面积计算确定;对钢筋的混凝土保护层部分，程序形成单独的纤维。程序可通过两种方式读入钢筋面积，一种是自动读入构件的计算钢筋面积，另一种是直接读入施工图设计的实配钢筋面积。梁的上部纵筋长度按照1/3跨度或实际施工图规定的长度确定，下部钢筋按通长确定。按照以上原则，程序可对混凝土、钢结构、钢管混凝土、型钢混凝土、剪力墙等自动进行截面纤维细分。
3.3.3结构安全评估方法
安全评估主要通过对结构整体指标和构件性能两个方面来评判。结构整体评估指标包括弹塑性层间位移角等，构件性能评估指标包括研究塑性发展的区域、损伤程度，构件应力、应变等，从而在找出结构薄弱部位的同时，对结构抗震性能进行评判。规范定性地将大震作用下构件的破损程度分为轻微、轻度、中度、严重四类。但没有具体的量化依据。STＲAT软件结合纤维单元的特点，根据应变屈服、应变超限的纤维数量比例，给出构件截面的破损程度的指标。当截面最大纤维应变屈服、但不超过极限应变时:1)轻微:屈服30%以下;2)轻度:屈服30%～60%;3)中度:屈服60%以上。当截面最大纤维应变已经超过极限应变时:1)中度:超限20%以下;2)严重:超限20%以上。
3.3.4地震波选用与频谱特性
进行罕遇地震下弹塑性时程分析时考虑了每组地震波的二向分量，即各地震分量沿结构抗侧力体系的水平向(X，Y向)分别输入。水平主向和水平次向的加速度峰值按照抗震规范1．0∶0．85的比例系数进行调幅。
本工程结构较为复杂，存在楼板大开洞、跃层柱等特点，属于超限结构，但由于结构体系选择合理，并且运用ETABS和STＲAT对结构在小震和大震下的响应进行了分析，并根据分析结果对结构进行改善和加强，使得结构具有良好的抗震性能，满足规范对于超限结构的各项要求。
4、结语
综上所述，高层以及超高层建筑的结构设计尤为重要，直接关系着建筑物的质量与使用功能，在进行结构设计时，要重视各个环节的设计，控制其质量，使得结构设计满足建筑的整体要求。
参考文献：
[1]徐至钧，赵锡宏.超高层建筑结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]汪大绥，周建龙，包联进.超高层建筑结构经济性探讨[J].建筑结构，2012.
论文作者:席美1, 孙成2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年3月下
论文发表时间:2017/7/13
标签：结构论文; 高层建筑论文; 高层论文; 体系论文; 混凝土论文; 构件论文; 截面论文; 《建筑学研究前沿》2017年3月下论文;