一. 前言
城市中的高层建筑是反映这个城市经济繁荣和社会进步的重要标志，当人们谈起举世闻名的摩天大时，往往和芝加哥、纽约这样的国际大都市联系在一起，足以说明高层建筑对城市社会形象的贡献。进入世纪90年代以来，随着社会与经济的蓬勃发展，特别是城市建设的发展，要求建筑物所能达到的高度与规模不断地增加，中国目前已建成并投入使用的上海环球金融中心,高492m，已建成并投入使的迪拜塔楼高828m，远远超过台北101大楼。高层建筑在全球范围内突飞猛进的建设，从科学技术方面看，得益于力学分析方法的发展、结构设计和工技术的进步以及现代机械和电子技术的贡献。 1.
高层建筑结构的发展概况
高层建筑的结构体系是随社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展的。早期高层建筑的发展是由于大工业的兴起促使人口向城市集中，造成城市用地紧张。为了在较小的场地范围内建造出更多的建筑面积，建筑物不得不向高空延伸，这样就由多层建筑发展为高层建筑。世界上第一幢近代高层建筑是美国艺加哥的家庭保险大楼，该楼10层，高55m，理于l885年，采用铁柱和砖墙作为结构体系。此后10年中，在芝加哥和纽约相继建成了30幢类似的高层建筑。1895年奥提斯(Otis)安全屯梯首次在纽约某16层宾馆应用。19世纪末各种型钢有很大发展，1889年巴黎埃菲尔铁塔建成，所有这些，特别是钢结构与电梯相结合，对高层建筑的发展有很大的推动作用。20世纪30年代出现了高层建筑发展的第一个高潮。1931年建成的纽约帝国大厦，102层，高381m，保持了世界最高建筑纪录达41年之久。该建筑在结构件系上采用框架支撑体系，在电梯井纵横方向设置了支撑，连接采用铆接，在钢框中填充了墙体以共同承受侧向力。
第二次世界大战使高层建筑的发展几乎处于停顿状态，直到20世纪50年代，又开始了新的发展。战后焊接在钢结构制造中的推广和50年代高强螺栓的进一步应用，使60年代以来钢结构的加工既可以在工厂焊接制造，也可以在现场螺桂安装。美国在20世纪60年代末和70年代初建成了415m和417m高的纽约世界贸易中心双塔楼、443m尚的芝加哥西尔斯大厦和344m高的芝加哥汉考克大厦等一批100层以上的超高层建筑，是这个时期最有代表性的建筑物，它们至今仍位于世界上少数最高的建筑物之列。这些建筑能达到如此新的高度，主要是因为采用了适应这种高度的新的结构体系，即60年代美国人坎思提出的框简体系，为建造超高层建筑提供了理想的结构形式。从这种体系衍生出来的筒中简、多束
简和斜撑简等体系各有特色，将高层建筑的发展推向了新阶段。纽约世界贸易中心大楼在规模和技术上的创新，是前所未有的。该工程首次进行了模型风洞试验，首次采用了压型钢板组合楼板，首次在楼梯井道采用了轻质防火隔墙，首次用粘弹性阻尼器减轻风振动效应等，对后来的高层建筑结构的设计和建造都具有重要的参考价值。高层建筑结构的抗震研究，导致地震活动比较频繁的日本在1963年取消了房屋高度不得超过31m的限制，使日本的高层建筑得到了发展的空间。美国早在1957年就取消了地震区高层建筑不得超过13层的限制，推动了地展区高层建筑的发展。
钢筋混凝土高层建筑是20世纪初出现的。世界上第一幢钢筋混凝土高层建筑是1903年建成的美国辛辛那提市的英格尔斯(1ngalls)大楼，16层，高64m。钢筋混凝土高层建筑的结构体系和高层钢结构类似。它的发展也经历了由低到高的过程，目前已出现了高度超过300m的混凝土结构高层建筑。由于高性能混凝土材料的发展和施工技术的不断进步，钢筋混凝土结构仍将是今后高层建筑的主要结构体系。与全钢结构和全混凝土结构相比，钢和混凝上的组合结构具有良好的抗震性能和耐腐蚀耐火等性能，在当今的超高层建筑中应用颇多。第一幢组合结构高层建筑是1955年在华沙建成的文化科学宫大楼，42层，241m，它至今仍然是欧洲最高的建筑。香港的中国银行大厦，采用空间桁架和大截面的组合柱，是组合结构在高层建筑结构中的新发展。上海的金茂大厦，采用框架—筒体结构，在钢筋混凝土筒体的外围设置了8根截面尺寸较大的钢与混凝土组合柱，则是组合结构在高层建筑中的最新应用。日本从20世纪80年代开始，在高层建筑结构的抗风和抗震控制中，大胆地使用了结构主动控制技术和混合控制技术，代表了现代机械和电子技术在高层建筑工程中的应用方向。
我国自行建造高层建筑是从20世纪50年代开始的。50年代中期建造了几幢8~10层的砖混结构住宅和旅馆。1959年北京建成了几栋钢筋混凝土高层公共建筑，如民族饭店(12层，47.7m)、民航大楼(15层，60.8m)。60年代，我国建成了广州宾馆(27层，88m)。70年代，北京、上海建成了一批剪力墙结构住宅(12~16层)。1974年建成了北京饭店(19层，87.15m)，使我国地震区高层建筑突破了80m。1975年．广州建成了白云宾馆(33层，114.05m)，标志着我国高层建筑开始突破100m。80年代是我国高层建筑发展的兴盛时期，北京、广州、深圳、上海等30多个大中城市建造了一批高层建筑。进入90年代，随着我国经济实力的增强和城市建设的快速发展，我国的高层建筑得到了前所未有的发展，各种新型的结构体系在高层建筑工程中得到了广泛的应用，高层建筑的规模和高度不断地突破。据不完全统计，我国目前已建成的和在建的高度超过150m的高层建筑已超过了200多幢，超过200m的高层建筑已达到50多幢。
2. 高层建筑结构的发展趋势
根据高层建筑发展过程和目前世界经济和科学技术的发展水平，可以预测今
后高层建筑结构的发展趋势如下： 2.1.
新材料的开发和应用
随着高性能混凝土材料的研制和不断发展，混凝土的强度等级和韧性性能也不断地得到改善。混凝土的强度等级已经可以达到C100以上，在高层建筑中应用高强度混凝土，可以减小结构构件的尺寸，减少结构自重，必将对高层建筑结构的发展产生重大影响。
高强度且具有良好可焊性的厚钢板将成为今后高层建筑钢结构的主要用钢，而耐火钢材FR钢的出现为钢结构的抗火设计提供了方便。采用FR钢材制作高层钢结构时，其防火保护层的厚度可大大减小，在有些情况下可以不采用防火保护材料，从而降低钢结构的造价，使钢结构更具有竞争性。 2.2.
高层建筑的高度将出现突破
由于高层建筑中的科技含量越来越高，己成为反映一个国家或城市科技实力和建设水平的指标之一，目前世界上不少国家都设想设计和建造更高的高层建筑。美国、日本、韩国和我国目前都正在筹划高度超过500m，层数超过100层的超高层建筑。 2.3.
组合结构高层建筑将增多
采用组合结构可以建造比混凝土结构更高的建筑。在强震国家日本，组合结构高层建筑发展迅速，其数量已超过混凝土结构高层建筑。除外包混凝土组合柱外，钢管混凝土组合柱应用也很广泛，外包混凝土的钢管混凝土双重组合柱的应用也很多。由于钢管内混凝土处于三轴受压后状态，能提高构件的竖向承载力，从而可以节省钢材。巨型组合柱首次在香港的中国银行应用，取得了很大的经济效益，上海金茂大厦结构中也成功地应用了巨型组合柱。随着混凝土强度的提高以及结构构造和施工技术上的改进，组合结构在高层建筑中的应用将进一步扩大。 2.4.
新型结构形式的应用将增多
已建成的香港中国银行大厦和正在筹划中的芝加哥532m高的摩天大楼方案，都采用了桁架筒体，并将全部垂直荷载传至周边结构，它们的单位面积用钢量都仅约150kg/m2，是特别节省钢材的。预计这种结构体系今后在300m以上的高层建筑中将得到更多的应用。巨型框架体系由于其刚度大，便于在内部设置大空间，今后也将得到更多的应用。多束筒体系己表明在适应建筑场地、丰富建筑造型、
满足多种功能和减小剪力滞后等方面具有很多优点，预计今后也将扩大应用。 2.5.
耗能减震技术的应用将得到发展
建筑结构的减震有被动耗能减震和主动减震(有时也称被动控制和主动控制)。在高层建筑中的被动耗能减震有耗能支撑，带竖缝耗能剪力墙，被动调谐质量阻尼器以及安装各种被动耗能的阻尼器等。主动减震则是计算机控制的，由各种作动器驱动的调谐质量阻尼器对结构进行主动控制或混合控制的各种作用过程。结构主动减震的基本原理是，通过安装在结构上的各种驱动装置和传感器，与计算机系统相连接，计算机系统对地震动(或风振)和结构反应进行实时分析，向驱动装置发出信号，驱动装置对结构不断地施加各种作用，以达到在地震(或风振)作用下减小结构反应的目的。目前在日本高层建筑结构中应用各种振动控制的实例已超过30个，在中国内地和台湾有3个工程应用了这种技术。随着人类进入信息时代，计算机、通讯设备以及各类办公电子设备不受振动干扰而安全平稳地运行，具有头等重要意义，这就要求创造安全、平稳、舒适的办公室环境，并要能对各种扰动进行有效的隔离和控制，因此，高层建筑的减震控制将有很大的发展前景。
二. 复杂高层建筑结构体系
1. 1.1.
常用结构体系 框架结构体系
框架结构体系是由梁、柱构件通过节点连接构成承载结构，主要有钢筋混凝土框架和钢结构框架。钢筋混凝土框架按施工方法的不同，又可分为：（1）梁、板、柱全部现场浇注的现浇框架；（2）楼板预制，梁、柱现场浇注的现浇框架；（3）梁、板预制，柱现场浇注的半装配式框架；（4）梁、板、柱全部预制的全装配式框架等。
框架结构体系可较灵活配合建筑平面布置、安排需要较大的空间。随着结构高度增加，水平作用使得框架底部梁柱构件的弯矩和剪力显著增加，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度，将给建筑平面布置和空间处理带来困难，影响建筑空间正常使用，在材料用量和造价方面也趋于不合理。因此在使用层数上受限。框架结构抗侧刚度较小，在水平力作用下将产生较大侧向位移。其中一部分是结构弯曲变形，另一部分是剪切变形。当框架高宽比H/B=<4 时，框架结构以剪切变形为主，弯曲变形较小而可忽略，其整体位移曲线呈剪切型，特点是
结构层间位移随楼层增高而减小。框架节点是内力集中，关系到结构整体安全的关键部位。震害表明，节点常常是导致结构破坏的薄弱环节。由于框架结构杆件截面较小，抗侧刚度较小，在强震下结构整体位移和层间位移都较容易产生震害。因而主要适用于非抗震区和层数较少的建筑；抗震设计的框架结构除需遵循设计原则外，还需注意填充墙材料以及与框架的连接方式等，以避免框架变形过大时填充墙的损坏。 1.2.
剪力墙结构体系
(1) 普通剪力墙结构
一般用于钢筋混凝土结构中，由墙体承受全部水平作用和竖向荷载。根据施工方法的不同，可以分为：（1）全部现浇的剪力墙；（2）全部用预制墙板装配而成的剪力墙；（3）内墙现浇、外墙为预制装配的剪力墙。普通剪力墙的肢高肢厚比往往大于8，具有良好的抗水平剪力的能力，在承受水平作用时，剪力墙相当于一根下部嵌固的悬臂梁。剪力墙的水平位移由弯曲变形和剪切变形两部分组成。高层建筑剪力墙结构，以弯曲变形为主，其位移曲线呈弯曲型，特点时结构层间位移随楼层增高而增加。
剪力墙结构比框架结构刚度大、空间整体性好，用钢量较省，结构顶点水平位移和层间位移通常较小，容易满足抗震设计变形要求。历次地震中，剪力墙结构表现了良好的抗震性能，震害较轻。
住宅和旅馆客房层较适合采用剪力墙结构，且不露出梁柱、整体美观。但其墙体多，使布置和使用要求受到一定的限制，不易形成大空间。为满足布置大空间的要求，可在底部取消部分剪力墙而代之以框架，形成框支剪力墙结构。剪力墙结构比框架结构刚度大、空间整体性好，用钢量较省，结构顶点水平位移和层间位移通常较小，能够满足抗震设计变形要求。
剪力墙结构中全部竖向荷载和水平荷载均由钢筋混凝土墙体承受，所以剪力墙应沿建筑平面的主要轴线布置。一般的矩形、T形、L形平面可沿两个主轴方向布置；三角形、Y形平面可沿三个主轴方向布置；正多边形、圆形及弧形平面可沿径向及环向布置。剪力墙尽量拉通、对直、连成一片。
一般的剪力墙结构中剪力墙应沿竖向贯通建筑物的全高，以避免刚度发生突然变化。剪力墙的厚度沿竖向应逐渐减薄，但不要在一次变截面中厚度变化太大。剪力墙的较大洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁。避免采用使墙肢刚度相差悬殊的洞口设计方式。较长的剪力墙宜设置洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙段间宜采用弱连梁连接。每个独立墙段的总高度与其截面宽度之比不应小于2。墙肢截面宽度不宜大于8cm。
