复杂高层建筑结构设计要点
摘要：由于城市空间逐渐缩小，土地资源越发稀缺，高层建筑的需求越来越广。一批现代高层建筑以全新的面貌呈现在人们面前。这些建筑的结构一般都是不规则的，有些是特别不规则结构。复杂高层与普通结构相比在设计上有许多要特别注意的地方。本文将对复杂高层建筑的特点和结构设计的注意事项进行概要介绍。
关键词：复杂高层；不规则；结构设计
前言：伴随着社会的快速发展，一批现代高层建筑以全新的面貌呈现在人们面前。建筑师在建筑造型以及建筑多功能、多用途等方面通过创新，设计出了众多体型复杂和内部空间多变的高层建筑。这些建筑的结构一般都是不规则的，有些是特别不规则结构，结构工程师遇到了前所未有的挑战。经过多年的研究和工程实践，尽可能地解决各种结构难题。从而陆续产生了能适应建筑师创新意识的多种复杂高层建筑结构体系。尽管当今已建成了大量复杂高层建筑结构，并且有一定的试验和理论研究作为依据，但经受过强地震作用检验的结构为数不多。因此，在地震区采用复杂高层建筑结构应尽量减少其不规则性，对房屋高度也要有所控制。本文将着重介绍最常见的几种复杂高层建筑结构体系及设计要点：
一 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，这些建筑的竖向结构构件往往不能上下连续，需要设置转换层，通过转换构件实现上、下竖向构件的过渡。带转换层结构属于竖向刚度突变及竖向构件不连续的不规则结构体系。 带转换层结构设计注意事项：
1该体系应有足够的上、下连续的落地剪力墙或筒体。
2对于转换结构，转换层高度是影响其抗震性能的主要因素之一，转换层高度越高，转换层上下层间位移角及内力突变越明显，设计时应限制转换层设置高度。
3转换层与其上层的侧向刚度比对结构抗震性能有一定影响。对转换层位置较低的带转换层的剪力墙结构，控制侧向刚度比可以控制转换层附近的层间位移角及内力。
4对转换层位置较高的带转换层的剪力墙结构，仅仅控制转换层上、下楼层的侧向刚度比是不够的，还应控制转换层上部与下部结构的等效刚度比。转换层上部与下部结构等效刚度比越大，转换层上下层间位移角及内力突变情况越明
显。
二 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。连体结构因为通过连接体将不同结构连在一起，体型比一般结构复杂，因此连体结构的受力比一般单体结构或多塔楼结构更复杂。连体结构竖向刚度突变，结构扭转效应较大，且竖向与水平地震组合作用对连接体及其附近主体结构有不利影响。连体结构设计中应关注以下几个方面的问题：
1较之其他体型结构，连体结构扭转振动变形较大，扭转效应较明显，应引起重视。扭转效应随塔楼的不对称性的增加而加剧。即使对于对称双塔连体结构，由于连接体楼板变形，两塔楼除有同向的平动外，还很有可能产生两塔楼的相向运动，该振动形态是与整体结构的扭转振型藕合在一起的。对于多塔连体结构，因体型更为复杂，振动形态也将更复杂，扭转效应更加明显。
2连接体部分是连体结构的关键部位，其受力较复杂。
3连接体结构与两侧塔楼的支座连接是连体结构的另一关键问题，连接处理方式一般根据建筑方案与布置来确定，可以有刚性连接、铰接、滑动连接等，每种连接方式的处理方式不同，但均应进行详细分析与设计。当连接体结构包含多层楼盖，且连接体结构刚度足够，能将主体结构连接为整体协调受力、变形时，可做成强连接结构，两端刚接、两端铰接的连体结构属于强连接结构。如果连接体结构较弱(如连廊结构)，无法协调连接体两侧的结构共同工作，此时可做成弱连接，即连接体一端与结构铰接，一端做成滑动支座，或两端做成滑动支座，此时应重点考虑滑动支座的作法，限复位装置的构造，并应提供滑动支座的预计滑移量。
三 竖向收进和悬挑结构
因建筑造型和功能的需要，高层建筑沿竖向收进的情况是经常出现的;悬挑结构的高层建筑比较少。这类复杂结构体系竖向刚度突变，高振型影响较大，悬挑结构还受竖向地震作用的影响，且对高层建筑主体部分会附加较大的倾覆力矩。对于这类结构设计要注意以下几方面：
1结构体型收进会造成结构竖向刚度的不连续，在体型收进处结构的层间位移会有突变，竖向构件的内力也会明显增大，对结构抗震不利。当体型收进较大时，结构的突变会比较严重，内力放大较多，应尽量避免;设计中应加强竖向构件的配筋，保证在地震作用下不丧失竖向承载能力。
2在大底盘多塔楼结构中，塔楼的首层是内力突变的部位，应特别加强，尤其注意避免这一层的刚度再小于上一层的刚度，造成薄弱层。
3结构收进如果造成偏心，底部结构会因扭转效应的影响而内力加大，底部结构的周边构件应加强配筋;裙房顶板应适当加厚，配筋也应加强。
4悬挑结构是结构的上部体型大于下部体型，上部结构刚度和质量大于下部结构，扭转效应显著，同样属于竖向不规则的结构。因悬挑结构结构冗余度低，这样的结构在设计时应该予以足够的重视。悬挑结构根部的梁与悬挑梁的受力情况类似，不应进行调幅。
四 带加强层结构
高层建筑框架一核心筒或巨型外框一内筒结构中，有时需要布置若干个加强层，以提高整体结构侧向刚度，使其满足设计要求。带加强层结构体系对抗风是十分有效的，但是在加强层及其附近楼层，结构的刚度和内力均发生突变，在设置加强层后核心筒墙肢沿高度弯矩图发生急剧变化，在加强层的上、下几层弯矩大幅度增加，核心筒墙肢的剪力在加强层的上、下几层同样有较大幅度的增加。外围框架柱在地震作用下所受内力的突变柱的轴力在加强层的下层突然增大，柱的弯矩和剪力在加强层的上、下均急剧增加这些均对结构抗震产生不利影响。在确定加强层结构方案时，需重点研究加强层的数量、伸臂结构形式和刚度以及周边带状析架的设置等问题。
五 平面不规则结构
平面不规则结构体系在地震作用下扭转效应较大，部分楼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。扭转不规则，是结构平面不规则中最重要的控制指标，它主要有两项结构扭转特性指标：扭转变形指标和扭转刚度指标，需作专门的分析和计算。a.扭转变形指标：判别结构扭转不规则的扭转变形，是质量、刚度、平面分布确定后结构固有特性。控制结构扭转变形的实质是，控制结构扭转变形要小于结构平动变形，控制地震作用下结构扭转振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。b扭转周期指标： 结构扭转振型及周期是其扭转刚度、扭转惯量分布大小的综合反映。任何情况下，当扭转振型发展成为整个结构第一振型时，结构扭转刚度小，转动惯量大，扭转振动成为主振型，对结构抗震抗风均十分不利，都是不允许的。大量震害表明，地震作用下扭转不规则结构容易产生扭转脆性破坏。高层建筑结构应调整结构布置来尽量满足扭转规则性要求，其主要方法是:
1在允许情况下，将较长的建筑物(主体结构长度大于60m)通过伸缩缝兼防
震缝将其切割成若干个规则子结构，既可有利于减少水平温差收缩影响，又可有利于避免结构整体扭转，减少结构扭转变形。
2尽量加强周边主体结构，同时适当弱化内部主体结构，提高结构抗扭刚度，有利于缩短扭转周期，减少扭转变形。
3对于一些建筑功能特殊要求的复杂高层建筑结构，突破扭转不规则指标时。一方面可采用基于性能的抗震设计或其他设计方法来予以加强，实现预定性能的抗震设防目标，另方面仍应对不规则性加以适当控制，避免因实际结构工作性能太差，地震作用不确定性而引起破坏。
结语：尽管各种复杂体系变化多样，但结构设计的核心目标是调整结构的构件的局部刚度和结构体系的整体刚度使其满足受力和稳定的要求。进而对舒适度进行控制，使其满足建筑功能方面的各项要求。
参考文献：
（1）JGJ3--2010高层建筑混凝土结构技术规程【S】．
（2）刘庆林，傅学怡．体型收进斜撑转换结构研究应用【J】．土木工程学报，2006，(2)．
（3）刘华新、孙志屏、孙荣书： 《抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用》， 《辽宁工程技术大学学报》，2007(2) ．
（4）于险峰： ((高层建筑结构抗震设计》， 《中国新技术新产品》，2010(1)．
（5）《高层建筑钢—混凝土混合结构设计规程》CECS230：2008．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
复杂高层建筑结构设计要点
摘要：由于城市空间逐渐缩小，土地资源越发稀缺，高层建筑的需求越来越广。一批现代高层建筑以全新的面貌呈现在人们面前。这些建筑的结构一般都是不规则的，有些是特别不规则结构。复杂高层与普通结构相比在设计上有许多要特别注意的地方。本文将对复杂高层建筑的特点和结构设计的注意事项进行概要介绍。
关键词：复杂高层；不规则；结构设计
前言：伴随着社会的快速发展，一批现代高层建筑以全新的面貌呈现在人们面前。建筑师在建筑造型以及建筑多功能、多用途等方面通过创新，设计出了众多体型复杂和内部空间多变的高层建筑。这些建筑的结构一般都是不规则的，有些是特别不规则结构，结构工程师遇到了前所未有的挑战。经过多年的研究和工程实践，尽可能地解决各种结构难题。从而陆续产生了能适应建筑师创新意识的多种复杂高层建筑结构体系。尽管当今已建成了大量复杂高层建筑结构，并且有一定的试验和理论研究作为依据，但经受过强地震作用检验的结构为数不多。因此，在地震区采用复杂高层建筑结构应尽量减少其不规则性，对房屋高度也要有所控制。本文将着重介绍最常见的几种复杂高层建筑结构体系及设计要点：
一 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，这些建筑的竖向结构构件往往不能上下连续，需要设置转换层，通过转换构件实现上、下竖向构件的过渡。带转换层结构属于竖向刚度突变及竖向构件不连续的不规则结构体系。 带转换层结构设计注意事项：
1该体系应有足够的上、下连续的落地剪力墙或筒体。
2对于转换结构，转换层高度是影响其抗震性能的主要因素之一，转换层高度越高，转换层上下层间位移角及内力突变越明显，设计时应限制转换层设置高度。
3转换层与其上层的侧向刚度比对结构抗震性能有一定影响。对转换层位置较低的带转换层的剪力墙结构，控制侧向刚度比可以控制转换层附近的层间位移角及内力。
4对转换层位置较高的带转换层的剪力墙结构，仅仅控制转换层上、下楼层的侧向刚度比是不够的，还应控制转换层上部与下部结构的等效刚度比。转换层上部与下部结构等效刚度比越大，转换层上下层间位移角及内力突变情况越明
显。
二 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。连体结构因为通过连接体将不同结构连在一起，体型比一般结构复杂，因此连体结构的受力比一般单体结构或多塔楼结构更复杂。连体结构竖向刚度突变，结构扭转效应较大，且竖向与水平地震组合作用对连接体及其附近主体结构有不利影响。连体结构设计中应关注以下几个方面的问题：
1较之其他体型结构，连体结构扭转振动变形较大，扭转效应较明显，应引起重视。扭转效应随塔楼的不对称性的增加而加剧。即使对于对称双塔连体结构，由于连接体楼板变形，两塔楼除有同向的平动外，还很有可能产生两塔楼的相向运动，该振动形态是与整体结构的扭转振型藕合在一起的。对于多塔连体结构，因体型更为复杂，振动形态也将更复杂，扭转效应更加明显。
2连接体部分是连体结构的关键部位，其受力较复杂。
3连接体结构与两侧塔楼的支座连接是连体结构的另一关键问题，连接处理方式一般根据建筑方案与布置来确定，可以有刚性连接、铰接、滑动连接等，每种连接方式的处理方式不同，但均应进行详细分析与设计。当连接体结构包含多层楼盖，且连接体结构刚度足够，能将主体结构连接为整体协调受力、变形时，可做成强连接结构，两端刚接、两端铰接的连体结构属于强连接结构。如果连接体结构较弱(如连廊结构)，无法协调连接体两侧的结构共同工作，此时可做成弱连接，即连接体一端与结构铰接，一端做成滑动支座，或两端做成滑动支座，此时应重点考虑滑动支座的作法，限复位装置的构造，并应提供滑动支座的预计滑移量。
三 竖向收进和悬挑结构
因建筑造型和功能的需要，高层建筑沿竖向收进的情况是经常出现的;悬挑结构的高层建筑比较少。这类复杂结构体系竖向刚度突变，高振型影响较大，悬挑结构还受竖向地震作用的影响，且对高层建筑主体部分会附加较大的倾覆力矩。对于这类结构设计要注意以下几方面：
1结构体型收进会造成结构竖向刚度的不连续，在体型收进处结构的层间位移会有突变，竖向构件的内力也会明显增大，对结构抗震不利。当体型收进较大时，结构的突变会比较严重，内力放大较多，应尽量避免;设计中应加强竖向构件的配筋，保证在地震作用下不丧失竖向承载能力。
2在大底盘多塔楼结构中，塔楼的首层是内力突变的部位，应特别加强，尤其注意避免这一层的刚度再小于上一层的刚度，造成薄弱层。
3结构收进如果造成偏心，底部结构会因扭转效应的影响而内力加大，底部结构的周边构件应加强配筋;裙房顶板应适当加厚，配筋也应加强。
4悬挑结构是结构的上部体型大于下部体型，上部结构刚度和质量大于下部结构，扭转效应显著，同样属于竖向不规则的结构。因悬挑结构结构冗余度低，这样的结构在设计时应该予以足够的重视。悬挑结构根部的梁与悬挑梁的受力情况类似，不应进行调幅。
四 带加强层结构
高层建筑框架一核心筒或巨型外框一内筒结构中，有时需要布置若干个加强层，以提高整体结构侧向刚度，使其满足设计要求。带加强层结构体系对抗风是十分有效的，但是在加强层及其附近楼层，结构的刚度和内力均发生突变，在设置加强层后核心筒墙肢沿高度弯矩图发生急剧变化，在加强层的上、下几层弯矩大幅度增加，核心筒墙肢的剪力在加强层的上、下几层同样有较大幅度的增加。外围框架柱在地震作用下所受内力的突变柱的轴力在加强层的下层突然增大，柱的弯矩和剪力在加强层的上、下均急剧增加这些均对结构抗震产生不利影响。在确定加强层结构方案时，需重点研究加强层的数量、伸臂结构形式和刚度以及周边带状析架的设置等问题。
五 平面不规则结构
平面不规则结构体系在地震作用下扭转效应较大，部分楼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。扭转不规则，是结构平面不规则中最重要的控制指标，它主要有两项结构扭转特性指标：扭转变形指标和扭转刚度指标，需作专门的分析和计算。a.扭转变形指标：判别结构扭转不规则的扭转变形，是质量、刚度、平面分布确定后结构固有特性。控制结构扭转变形的实质是，控制结构扭转变形要小于结构平动变形，控制地震作用下结构扭转振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。b扭转周期指标： 结构扭转振型及周期是其扭转刚度、扭转惯量分布大小的综合反映。任何情况下，当扭转振型发展成为整个结构第一振型时，结构扭转刚度小，转动惯量大，扭转振动成为主振型，对结构抗震抗风均十分不利，都是不允许的。大量震害表明，地震作用下扭转不规则结构容易产生扭转脆性破坏。高层建筑结构应调整结构布置来尽量满足扭转规则性要求，其主要方法是:
1在允许情况下，将较长的建筑物(主体结构长度大于60m)通过伸缩缝兼防
震缝将其切割成若干个规则子结构，既可有利于减少水平温差收缩影响，又可有利于避免结构整体扭转，减少结构扭转变形。
2尽量加强周边主体结构，同时适当弱化内部主体结构，提高结构抗扭刚度，有利于缩短扭转周期，减少扭转变形。
3对于一些建筑功能特殊要求的复杂高层建筑结构，突破扭转不规则指标时。一方面可采用基于性能的抗震设计或其他设计方法来予以加强，实现预定性能的抗震设防目标，另方面仍应对不规则性加以适当控制，避免因实际结构工作性能太差，地震作用不确定性而引起破坏。
结语：尽管各种复杂体系变化多样，但结构设计的核心目标是调整结构的构件的局部刚度和结构体系的整体刚度使其满足受力和稳定的要求。进而对舒适度进行控制，使其满足建筑功能方面的各项要求。
参考文献：
（1）JGJ3--2010高层建筑混凝土结构技术规程【S】．
（2）刘庆林，傅学怡．体型收进斜撑转换结构研究应用【J】．土木工程学报，2006，(2)．
（3）刘华新、孙志屏、孙荣书： 《抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用》， 《辽宁工程技术大学学报》，2007(2) ．
（4）于险峰： ((高层建筑结构抗震设计》， 《中国新技术新产品》，2010(1)．
（5）《高层建筑钢—混凝土混合结构设计规程》CECS230：2008．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。