昆明理工大学设计研究院
摘要：本文围绕高层建筑结构，阐述当前高层建筑发展趋势发展方向。提出一些高层建筑结构分析和设计的方法，为高层建筑结构分析与设计提供一些参考。
关键词：高层建筑结构小震中震大震两阶段设计变形侧移弹性分析法弹塑性分析法
一．前言
近年来我国的高层建筑日新月异，层出不穷，全国主要分布在上海、广州、北京、深圳等20个大城市，其中以上海为最多。2016年3月建成的上海中心大厦（118层，632m），被称为中国第一高楼，世界第三高楼。随着我国社会发展和科技进步，城市建筑不但在平面上迅速扩展，而且在空间方向也迅速发展，随即越来越多的复杂超限高层便孕育而生。生活中地震作用并不经常发生，小震是指多遇地震（超越概率63％）；中震（超越概率10～14％），大震是罕遇地震（超越概率1~3％）。所以三水准设计要求是合理、经济、安全的。
在其结构设计计算中为体现抗震设防目标三水准（小震不坏，中震可修，大震不倒）的要求，复杂高层建筑抗震设计是需要通过“两阶段设计”来实现的，即除在第一阶段即多遇地震下，采用弹性反应谱法进行结构承载力及弹性侧移验算外，对超高层及复杂超限高层尚宜进行第二阶段抗倒塌的结构弹塑性变形验算（静力弹塑性分析和动力弹塑性分析）。详见《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.5.2条规定；《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第5.1.13条规定。
众所周知结构侧移是高层建筑结构设计中的关键因素。一方面，因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比；另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
首先在高层结构设计中轴向变形不容忽视。高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在墙、柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整；另外对构件剪力和侧移产生影响，与考虑构件竖向变形比较，会得出偏于不安全的结果。
其次与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，在水平荷载作用下，结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在抗震设计规范的允许限度之内。结构延性是重要设计指标，为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
二.弹性分析法
结构性能设计的弹性分析法主要有中震（大震）弹性设计法和中震（大震）不屈服设计法。目前这两种方法均可以采用软件来准确实现。
3．中震弹性设计
a.水平地震影响系数最大值alpha_max按小震的约2.85倍取值；
b.内力调整系数取为1(强柱弱梁,强剪弱弯等)；
c.其余分项系数/组合系数均保留；
d.抗震调整系数Gama_RE取同小震，《高规》表4.7.2；
e.材料强度用设计值。
程序实现：按中震输入alpha_max；构件抗震等级指定为4级。
中震弹性设计取消内力调整的经验系数,保留了荷载分项系数,也就是保留了结构的安全度和可靠度,属正常设计。
4.中震不屈服设计
a.水平地震影响系数最大值alpha_max按小震的约2.85倍取值；
b.内力调整系数取为1(强柱弱梁,强剪弱弯等)；
c.荷载分项系数取1，保留组合系数；
d.抗震调整系数Gama_RE=1；
e.材料强度用标准值。
程序实现：按中震或大震输入alpha_max；选中“按中震不屈服或大震不屈服做结构设计”
中震不屈服设计已经去掉所有安全度,属于承载力极限状态设计。
5．水平地震影响系数最大值的取值
见下表，7度地区水平地震影响系数最大值
小震alpha_max=0.08
中震alpha_max=0.23
6.用SATWE进行中震计算中震弹性参数设置
在SATWE菜单中，执行1.接PM生成SATWE数据，执行1.分析与设计参数补充定义（必须执行），在弹出的对话框中，选择地震信息一栏，修改该栏中的“地震影响系数”与“抗震等级”即可实现。
7．用SATWE进行中震不屈服参数设置
在SATWE菜单中，执行1.接PM生成SATWE数据，执行1.分析与设计参数补充定义（必须执行），在弹出的对话框中，选择地震信息一栏，修改该栏中的“地震影响系数”与“抗震等级”，并勾选“按中震不屈服做结构设计”，即可实现。
三.弹塑性分析法
弹塑性分析主要分为静力弹塑性分析（Pushover——是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法，其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”）和动力弹塑性分析，其分析结果的可信度取决于多种因素。前者主要取决于加载方式，如：倒三角形分布、矩形分布、第一振型分布等；后者主要取决于地震波的合理性。
结合抗震规范的要求，弹塑性分析主要用于验算结构大震下的整体性能，如：结构的性能点、抗倒塌验算、楼层屈服系数、薄弱层验算和确定等。弹塑性分析同样可以验算中震的情况。
四．结论与建议
1、结构中震的性能设计（如采用不屈服设计、中震设计），仅仅考虑弹性分析法是不够的，尤其是中震时刚度退化较严重的结构。
2、刚度退化将造成结构内力的重分布，这种重分布使结构的薄弱部位转移，如果仅以弹性分析的结果为准，将产生错觉。
3、如果结构在中震时刚度退化不是很大（可以通过刚度退化系数衡量），中震弹性分析才有意义。
随着高层建筑进一步的发展，满足高层建筑的形式，材料，力学分析模型都将日趋复杂多元，为了革新高层建筑，体现其魅力，追求新的结构形式和更加合理的力学模型将是土木工程师们的目标和方向，合理、经济、安全、舒适、美观的建筑才是人们共同的愿望。
参考文献
【1】孙长军．初探结构静力弹塑性分析理论的特点．四川建筑，2006
【2】《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
【3】《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010