高层建筑整个结构的简化计算模型就是一根竖向悬臂梁，受竖向荷载和水平荷载的共同作用。
高层建筑的结构与选型
高层建筑结构分水平、竖向承重结构，水平承重结构主要承担风荷载和水平地震作用，竖向承重结构主要承担以重力为代表的竖向荷载。在低层建筑中，一般是竖向荷载控制着结构设计；在高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却往往起着决定性的作用。随着建筑层数的增多、建筑高度的增加，水平荷载更加成为结构设计的控制因素。
高层建筑结构设计不仅要求结构有足够的承载力，还要有足够的抗侧移刚度，使结构在水平荷载作用下的侧移被控制在一定限度之内，这是因为侧移与高层建筑的安全和使用都有密切关系。
高层建筑的抗震设计要求建筑物达到“小震不坏、大震不倒”的标准。这就要求结构具有一定的塑性变形能力，即结构的延性。为了使结构具有较好的延性，需要从结构材料、结构体系、结构总体布置、构件设计、节点连接构造等方面采取恰当的措施来保证。
2.高层建筑结构体系分类
因为水平荷载成为高层建筑结构设计的控制因素，所以需要设置抵抗水平荷载的抗侧力体系，它应有足够的强度、刚度和延性。根据抗侧力体系各自的特点，又形成了不同的高层建筑结构体系。其基本体系可分为纯框架体系、纯剪力墙体系和筒体体系。
（1）纯框架体系。
整个结构的纵向和横向全部由框架单一构件组成的体系称为纯框架体系，如图9-5所示。框架既承担重力荷载，又承担水平荷载。在水平荷载作用下，该体系强度低、刚度小、水平位移大，称为柔性结构体系。
图9-5 纯框架体系
纯框架体系在高烈度地震区不宜采用，目前，主要用于10～12层的商场、办公楼等建筑。如果建筑高度过高，就要靠加大梁、柱截面来抵抗水平荷载。该体系的优点是建筑平面布置灵活，可提供较大的内部空间，使建筑平面布置受限制较少。
框架梁、柱的截面常为矩形，也可根据需要设计成T形、Ⅰ形及其他形状。为了提高房屋净高，框架梁可设计成花篮形截面。
柱网布置应满足使用要求，并使结构布置合理、受力明确、施工方便，应在经过经济、性能、技术等的综合比较后，选择合适的柱网。纯框架体系根据楼板布置的不同又可分为横向框架承重、纵向框架承重和纵横向框架承重，如图9-6所示。
根据我国国情，框架梁的跨度为4～9m，过大和过小都不经济。梁截面高度（h）可根据梁跨度（L）来估算，一般h=（1/15～1/10）L。梁宽b=（1/3～1/2）h，但不宜小于200mm。柱截面高度一般不宜小于300mm（矩形截面）或350mm（圆形截面），柱截面的高宽比不大于3。
（2）纯剪力墙体系。
纯剪力墙体系是指该体系中竖向承重结构全部由一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙所组成，如图9-7所示。剪力墙不仅承受重力荷载作用，而且还要承受风、地震等水平荷载的作用，该体系侧向刚度大、侧移小，属于刚性结构体系。
从理论上讲，该体系可建造上百层的民用建筑（如朝鲜平壤的柳京大厦），但从技术经济的角度来看，地震区的剪力墙体系一般控制在35层、总高110m以内为宜。由于剪力墙的间距比较小，一般为3～6m，所以建筑平面布置不够灵活，使用受到限制。像高层公寓、高层宾馆等空间要求较小、分隔墙较多的建筑比较适合采用这种体系。近年来，随着结构水平的不断提高，剪力墙的间距逐步扩大为6～8m，从而使剪力墙体系在高层住宅、高层办公建筑中也获得更多的应用。
剪力墙宜双向布置，在抗震设计中则必须沿双向布置，应避免仅单向有墙的结构布置形式。剪力墙宜自下而上连续布置，避免刚度突变。剪力墙上的门窗洞口宜上下对齐，成列布置，尽量避免不规则洞口的出现。
图9-6 纯框架体系分类
（a）横向框架承重；（b）纵向框架承重；（c）纵横向框架承重
图9-7 纯剪力墙体系
纯剪力墙结构布置中根据剪力墙的方向可分为横向布置剪力墙、纵向布置剪力墙及纵横向布置剪力墙。横向布置剪力墙结构刚度好，但空间小，多用于高层住宅和旅馆；纵向布置剪力墙可以获得较大的空间，但结构刚度差；纵横向布置剪力墙结构整体刚度均匀，具有更强的适应力。
（3）筒体体系。
筒体体系由框架或剪力墙合成竖向井筒，并以各层楼板将井筒四壁相互连接起来，形成一个空间构架。筒体体系比纯框架体系或纯剪力墙体系的空间刚度大得多，在水平荷载作用下，整个筒体就像一根粗壮的拔地而起的悬臂梁把水平力传至地面。筒体体系不仅能承受竖向荷载，而且能承受很大的水平荷载。另外，筒体体系所构成的内部空间较大，建筑平面布局灵活，因而能适应多种类型的建筑。
筒体可分为实腹式筒体和空腹式筒体，由剪力墙围合成的筒体称为实腹式筒体，或称墙式筒体（墙筒），由密集立柱围合成的筒体则称为空腹式筒体，或框架式筒体（框筒）。
单个筒体很少独立使用，一般是多个筒体相互嵌套或积聚成束使用（如筒中筒结构、束筒结构等），或者是与框架等结构结合使用（如框架-筒体结构），如图9-8所示。
筒体结构布置要点：筒体结构常用的平面形状有圆形、方形和矩形，也有椭圆形、三角形和多边形等。在矩形框筒体系中，长、短边长度比值不宜大于1.5。框筒柱距不宜大于3m，个别可扩大到4.5m，但一般不应大于层高。横梁高度为0.6～1.5m。在筒中筒结构中，为保证外框筒的整体性，开窗面积不宜大于50%，不得大于60%。为保证内外筒共同工作，内筒长度不应小于外筒长度的1/3；同样，内筒宽度也不应小于外筒宽度的1/3。
（4）体系组合。
根据建筑功能的需要和结构受力的特点，可将上述基本体系重新组合，形成框支剪力墙、框架-剪力墙、框架-筒体、筒中筒、束筒等结构体系。
图9-8 筒体体系分类
（a）方形外筒内框架；（b）矩形内筒外框架；（c）圆形筒中筒；（d）三角形内筒外剪力墙；（e）多边形筒中筒
①框支剪力墙体系。
该体系在高层旅馆、高层综合楼中运用较多。它们共同的特征就是建筑上部为客房、住宅等小空间；底部为商场、门厅、地下车库等大空间。因此建筑上部采用剪力墙结构，下部采用框架体系来满足建筑功能对空间使用的要求。
该体系上部刚度大、底部刚度小，上下刚度在交接处产生突变。在设计时，应注意增加底部框架的刚度和承载力，缩小建筑上下的刚度差距。通常将上部结构中的一部分剪力墙延伸至底部大空间，以增加下部结构的刚度。为了方便建筑平面布置，落地剪力墙可集中布置在大空间区域的两端或形成较为独立的区域。
工程实例：中国大饭店（图9-9、图9-10），总建筑面积约9.5万平方米，地上21层，地下2层，高76m。该建筑为东西长117m、南北宽21m的弧形建筑，底层层高为6m，标准层层高为2.95m。该大楼按8度抗震设防。主体结构采用框支剪力墙体系，4层以上为钢筋混凝土横向剪力墙体系，3层以下为框架-剪力墙体系，第4层楼板为转换层楼盖，并在房屋的两端各设置两道加厚的钢筋混凝土落地墙。
②框架-剪力墙体系。
框架-剪力墙体系是在框架体系的基础上增设一定数量的纵、横向剪力墙，并与框架连接而形成的结构体系。建筑的竖向荷载由框架柱和剪力墙共同承担，水平荷载则主要由刚度较大的剪力墙来承担。该体系将框架体系和剪力墙体系结合起来，融为一体，取长补短，使整个结构体系的刚度适当，并能为建筑设计提供较大的自由度。所以，在高层建筑的各种结构体系中，该体系经济有效、应用范围广。与框架结构相比，它能用于层数更多的高层建筑。(www.xing528.com)
在框架-剪力墙体系中，框架结构的布置方法和纯框架结构相同，剪力墙的布置应符合以下原则。
a.剪力墙是该体系中的主要抗震构件，应沿建筑平面的两个主轴方向布置，保证可以承担来自任何方向的水平地震作用。
图9-9 中国大饭店结构平面图（单位：mm）
b.剪力墙的数量要适当。剪力墙过多，刚度太大，不经济；剪力墙过少，刚度不足，不符合设计要求。
c.每个方向剪力墙的布置均应尽量做到分散、均匀、周边、对称四准则。
图9-10 中国大饭店实景图
工程实例：上海华亭宾馆（图9-11、图9-12），主楼建筑面积达8万余平方米，地下1层，地上29层，总高度90m。其平面形式为由两段弯曲方向相反的圆弧所组成的S 形，抗震设防烈度为6度，主楼6层以上为客房，5层为技术设备层，4层以下为公用部分。主体结构采用以纵、横承重墙为主，纵向框架为辅的框架-剪力墙体系。
③框架-筒体体系。
由筒体和框架共同组成的结构体系称为框架-筒体体系。筒体是一个立体构件，具有很大的抗侧移刚度和承载力，并是该体系的主要抗侧力构件，承担了绝大部分的水平荷载，而框架主要承担重力荷载。从建筑平面布置来看，通常将所有服务用房和公用设施都集中布置于筒体内，以保证框架大空间的完整性，从而有效地提高建筑平面的利用率。
根据筒体的数量和位置，可将框架-筒体体系分为核心筒-框架体系和多筒-框架体系两类。
核心筒-框架体系：指将筒体布置在建筑的核心部分，并在外围布置框架的结构体系，如图9-13所示。
多筒-框架体系：两个端筒+框架形式，如图9-14（a）所示；核心筒+端筒+框架形式，如图9-14（b）所示；核心筒+角筒+框架形式，如图9-14（c）所示。前一类型的特点是可以在建筑中部获得开敞大空间，中间类型适用于平面形状比较狭长的高层建筑，后一类型适用于平面尺寸较大的各种多边形高层建筑。
图9-11 上海华亭宾馆结构平面图（单位：mm）
（a）建筑平面；（b）标准层结构平面；（c）1～4层结构平面
图9-12 上海华亭宾馆实景图
在该体系中，由于筒体的存在，它的刚度大大加强，能抵抗更大的侧向力的作用。同时，该体系能充分有效地利用建筑面积，具有良好的技术经济指标。其中，核心筒-框架体系主要用于平面形状比较规整，并采用核心式建筑平面布置的方案。而多筒-框架体系有多个筒体，适应力更强，但平面利用率也会因有多个筒体而有所降低。
图9-13 南京金陵饭店及标准层结构平面图（单位：mm）
（a）实景图；（b）标准层结构平面图
图9-14 多筒-框架体系结构平面图示例（单位：mm）
（a）兰州工贸大厦标准层结构平面图；（b）深圳北方大厦标准层结构平面图；（c）深圳中国银行大厦标准层结构平面图
④筒中筒体系。
由两个及两个以上的筒体内外嵌套所组成的结构体系称为筒中筒体系。根据筒体嵌套数量的不同，筒中筒体系又分为二重筒体系、三重筒体系等。在钢筋混凝土高层建筑中，核心筒一般布置成辅助房间和交通空间，多采用实腹墙筒，外筒一般都采用由密柱深梁型框架围成的空腹框筒，以满足建筑设计的需要。
筒中筒结构形成的内部空间较大，加上其抗侧力性能好，特别适用于建造办公、旅馆等多功能的超高层建筑。一般情况下，该体系用于30层以下的建筑是不经济的，也是不必要的。因筒中筒体系是几重筒体共同作用，故它比单筒的抗侧力性能要好得多。一般来讲，外圈的框筒具有很大的整体抗弯能力，但它的抗剪能力不高；内圈的墙筒抗弯能力比框筒小，但它的抗剪能力很强。二者配合，相得益彰。其结构设计的要点是加强几重筒体之间的协同作用。
工程实例：广东国际大厦主楼（图9-15），采用方形平面，地下2层，地上62层，高196m。内筒为实腹墙筒、外筒为空腹框筒。角柱采用八字形截面，加强了角部的整体性。楼板采用220mm厚无黏结预应力平板，层高仅为3m。
图9-15 广东国际大厦主楼及其标准层结构平面图（单位：mm）
⑤束筒体系。
束筒体系是由两个及两个以上框筒并列连接在一起的结构体系，束筒中的每一个框筒单元，可以是圆形、方形、矩形、三角形、梯形、弧形或其他任何形状，而且每一个单筒都可以根据实际需要，在任何高度处终止，而不影响整个结构体系的完整性，如图9-16所示。
图9-16 束筒体系结构平面图示例
和框筒体系相比，束筒体系在抗弯能力、抗剪能力和抗侧移刚度方面均得到了较大提高。而且，束筒体系建筑设计更加灵活多变，应用范围也更广。一方面，它适用于各种平面形式，而框筒体系一般要求平面形状具有双对称轴，所以平面形状以圆形、方形、正多边形为主。另一方面，它对形体的制约也较少，例如在框筒体系中，矩形平面长边和短边之比应不大于1.5，并且边长不大于45m，而束筒体系则没有此限制，而且它的立面开洞率比框筒体系要大，这就为建筑造型创造了更好的条件。一般来说，束筒体系可用于高烈度区110层以下的高层建筑。
工程实例：美国芝加哥西尔斯大厦（图9-17），108层，高443m，建筑底层平面尺寸为68.6m×68.6m，高宽比为6.5。
图9-17 西尔斯大厦实景图及结构示意图
该建筑所采用的束筒体系的构成是：在外圈大框筒的内部，按井字形沿纵、横两个方向分别设置密柱型框架，将一个大框筒分隔成9 个并联的子框筒，每个子框筒的平面尺寸均为22.9m×22.9m，内、外框架的柱距均为4.57m。按照各楼层使用面积向上逐渐减少的要求，到第51层时，减去对角线上的两个子框筒；到第67层时，再减去另一对角线上的两个子框筒；在第91层以上，再减去三个子框筒，仅保留两个子框筒到顶。
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