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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(ImpireStateBuilding)，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(SearsTower)，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厦，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，节省拆迁费用等优点，因此在大城市中，高层住宅和底层带商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，北京的京广中心大厦建成，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厦，81层，高度达到325m。但仅隔两年，到1998年，上海的金茂大厦落成，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，必将会出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，因此其抗震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工不易落实大截面钢材供应等。2.1.3高层建筑钢—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）。这种结构类型可称为钢－混凝土混合结构。在多数情况下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－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－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力；抗震性能分析有待进一步完善；以及混凝土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结构，可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－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键问题。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。整幢结构都由梁，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面布置灵活多样，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。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平荷载作用下侧向变形小，承载力要求也容易满足，适合建造较高的高层建筑。3．框架－剪力墙（框架－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－剪力墙结构体系。如果把剪力墙布置成筒体，又可称为框架－筒体结构体系。筒体的承载能力，侧向刚度和抗扭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。如果筒体的四壁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筒体单元的组合，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一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架结构体系。2.2.2钢结构，钢－混凝土结构及钢骨混凝土结构的各类结构体系钢结构，钢－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，由这三类结构又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－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。下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－钢支撑体系3．钢框架－钢内筒体系4．带伸臂桁架的钢框架－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－混凝土剪力墙体系8．钢框架－混凝土内筒体系9．钢框筒－混凝土内筒体系10．钢管混凝土框架柱及钢框架梁－混凝土内筒体系11．钢框架－钢骨混凝土内筒体系12．钢框筒－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－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一起的空间结构，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