【结构设计】超限高层结构设计优化要点汇总(干货!)

超限高层结构设计优化要点汇总（干货！）
随着经济的发展,我国的高层建筑越来越多,越来越高,各大城市的地标建筑也多以超高层建筑为主.然而,超限高层建筑的专项审查工作往往占据了设计阶段的大量时间,且其直接奠定了后期的结构造价.在此分享关于超限高层项目的优化要点.
超限高层建筑工程是指超出国家规范、规定所规定的适用高度和适用结构类型的高层建筑工程,体型特别不规则的高层建筑工程,以及有关规范、规程规定应当进行抗震专项审查的高层建筑工程.
具体判别标准详见《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》建质【2015】67号.
需要注意的是,对于一些处于超限与否边界附近的建筑工程最好提前与审图机构,审查专家提前沟通好是否需要进行超限审查,以免造成时间上的延误.
（1）结构体系
结构体系的选取需经过严格比选.常见的各种结构体系优缺点如下表所示：
结构体系优点缺点
混凝土框架+核心筒造价经济、施
工方便自重大、截面大、浪费空间
型钢混凝土框架+核心筒结构抗震性能
优良
造价高
钢管混凝土柱+核心筒延性延性好；柱截
面较小
造价高于型钢混凝土最终采用何种体系可综合考虑时间成本、施工成本、经济效益等方面.
（2）风速剖面与风振分析
《高规》4．2.7条规定：房屋高度大于200m或有下列情况之一时,宜进行风洞试验判断确定建筑物的风荷载：
I.平面形状或立面形状复杂；
II.立面开洞或连体建筑
III.周围地形和环境较复杂.
超限高层建筑分为高度超限和不规则性超限,所以往往需要进行风洞试验.
由于风具有明显的地域性,且其强度和方向具有显著的方向性,利用这些特点可以有效降低结构和幕墙的造价.对于高度超过300~400m的超高层建筑,风沿高度方向变化的特性对结构设计影响很大,因此针对具体工程确定适用的最优风速剖面,而不仅依赖于《荷载规范》提供的指数变化曲线,能够有效降低风力作用,取得显著的经济效益.
（3）设计地震动参数
依据《防震减灾法》：“地震安全性评价单位应当对地震安全性评价报告的质量负责”.
一般来说,安评报告提供的结构设计地震动参数往往偏大,将导致结构成本明显增加.通常小震应全部采用安评参数或全部用规范参数,对二者的基底剪力加以比较,按不利情况采用.中、大震计算一般采用规范参数.从而在保证结构安全的同时节约结构造价.
此外,采用规范参数时需注意在不同类别场地分界附近的设计特征周期内插,如下图所示.
之前笔者参与的北京某超限高层办公项目,8度区Ⅲ类场地,设计地震分组第一组,小震规范谱特征周期Tg=0.45s.因工程场地等效剪切波速接近分界线值,经内插特征周期减小为0.42s,地震作用约降低8%.
（4）长周期结构的剪重比
在2010版超限审查要求中对剪重比的规定比较严格,在2015版进行了放松,其规定如下：
“结构总地震剪力以及各层的地震剪力与其以上各层总重力荷载代表值的比值,应符合抗震规范的要求,Ⅲ、Ⅳ类场地时尚宜适当增加.当结构底部计算的总地震剪力偏小需调整时,其以上各层的剪力、位移也均应适当调整.
基本周期大于6s的结构,计算的底部剪力系数比规定值低20%以内,基本周期3.5～5s的结构比规定值低15%以内,即可采用规范关于剪力系数最小值的规定进行设计.基本周期在5～6s 的结构可以插值采用.
6度（0.05g）设防且基本周期大于5s的结构,当计算的底部剪力系数比规定值低但按底部剪力系数0.8%换算的层间位移满足规范要求时,即可采用规范关于剪力系数最小值的规定进行抗震承载力验算.”
此时,通常来讲可以满足要求.如果还是不能达到最小地震剪力要求,可以通过修改反应谱曲线的方法来使结构达到一定的设计剪重比,或通过位移值来控制结构变形.
（5）周期折减系数
《高规》4.3.17条对周期折减系数做了具体规定,但对于超高层建筑,若拘泥于规范给定的数值范围很可能造成巨大的浪费.一定要根据工程实际情况,隔墙的布置数量、隔墙材料等综合取值.
例如,还是前述笔者说的北京某超限办公项目,框架-核心筒结构,规范给定的数值是0.7~0.8,但考虑到该工程隔墙较少,将
周期折减系数取为0.90~0.95,地震作用约降低15%！
（6）设计材料的选取
I.混凝土
高强混凝土：目前国内规范的混凝土最高强度等级为Ｃ8０,实际可生产的最高等级为C150,因此在设计上对于超高层建筑优先考虑高强度混凝土,既能节省材料,又能节省空间.
II.钢材
高层建筑结构用钢板：与普通结构用钢相比,各项指标均能满足要求,同时具有良好的机械性能与焊接性.
在实际工程中可根据构件的重要性和具体部位选取合适钢材,以求达到最优的经济效果.
（7）施工模拟
可通过调整施工顺序人为控制结构的内力生成,将高内力消除,改善结构合理性,降低用钢量.
（8）性能目标的合理设置
性能目标的设置能够使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡,并由业主选择性能目标；对结构的抗震性能睡着进行深入的分析,并通过专家的评估论证.
但是在实际的操作过程中往往发现好多工程的性能目标设置过于严格,类似于“有钱就是任性”,但实际上并不合适,只是白白带来了浪费.
上述的无论采取何种措施或方法,最好都要事先向审查专家进行沟通交流,以避免在最终的审查中出现通不过或二次审查的情况.。