浅谈超高层建筑结构的特点及其设计要点

浅谈超高层建筑结构的特点及其设计要点

发表时间：2016-07-29T14:27:43.150Z 来源：《基层建设》2016年9期作者：杜嘉斌[导读] 随着我国经济的迅速发展和科学技术的进步，超高层建筑在全国各地特别是沿海地区如雨后春笋般涌现。

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摘要：随着我国经济的迅速发展和科学技术的进步，超高层建筑在全国各地特别是沿海地区如雨后春笋般涌现。超高层建筑更因其土地利用率高、可提升城市形象等优势越来越受到市场的欢迎。与此同时，超高层建筑的大量出现也给结构设计提出了新的挑战。本文结合结构设计的基本知识，粗浅地分析了高层、超高层建筑结构的特点及设计要点。

关键词：高层建筑结构；超高层建筑结构；结构体系；设计要点

0引言

高层建筑是近代经济发展和科技进步的产物。快速城市化，用地紧张及商业竞争的激烈化，促使了高层建筑、超高层建筑的出现和发展。但是，高层建筑显现了其较普通建筑更为强大的使用功能外，也对其结构提出了更高的要求。所以，在下文中笔者将从超高层建筑的结构特点的角度，谈谈设计中要坚持的一些原则，以及在结构设计中常遇到的问题及设计要点。

一、超高层建筑结构设计的主要控制因素

1.风荷载：是空气流动对工程结构所产生的压力。地面以上的建筑无一例外将受到风荷载的作用。随着建筑高度的增加，建筑受到风荷载作用的影响愈加明显。在低地震烈度的地区，风荷载作用往往成为水平力的主要控制因素。目前大多采用风洞试验来研究风荷载对建筑的影响。

2.地震作用：在地震区，地震作用必须考虑。对于超高层建筑来说，抗震更是重中之重。在科学技术发展迅猛的今天，地震仍然难以预测。在工程实践中，大多采用振动台试验模拟地震作用，以便研究建筑物在地震作用下的状态。此外，隔振和消能减震等技术的应用，也给抗震提供了新的方向。

3.地基基础：随着建筑高度的不断增加，竖向荷载和水平荷载产生的作用于基础上的荷载极大。例如，金茂大厦，总荷载超过了30万吨，混凝土巨型柱荷载为1万多吨。这样的荷载显然对于地基基础的要求很高。可见，超高层建筑的基础设计也是结构设计中的一个重要的内容。

4.业主的要求：业主往往对建筑在艺术、功能、经济上有很高的要求。如何既能实现建筑的美学要求、满足建筑的功能、符合业主的经济目标，是结构设计师在设计过程中必须考虑的问题。

二、超高层建筑结构体系的特点分析

为满足上述的控制因素，首当其冲的就是结构体系的选择。好的体系既能满足受力要求，也能达到经济合理的要求。下面结合一些实际例子，对超高层建筑结构体系的特点进行分析。

超高层建筑结构体系的体系主要有框架结构、剪力墙、框架-剪力墙体系。随着建筑高度的增加，这些传统的结构体系已经难以满足需求。目前超高层建筑结构体系最常采用的是支撑-筒体结构（核心筒+外围支撑结构）。随着对超高层结构的研究的不断深入，支撑-筒体结构已变化出很多不同的组合。

1.从支撑结构区分

基本上每个超高层建筑都有一个核心筒，建筑功能或是设备使用都需要它，结构也需要利用核心筒，可见从各个工种来说核心筒是非常有用的，因此多数的超高层建筑都有核心筒在中间。在周边就配上支撑结构，支撑结构以框架、巨型框架和外框筒居多。框架-核心筒结构最为简单，也最常采用。近年来，巨型框架结构得到了结构师的青睐，上海中心（632m），深圳平安中心（648m），天津高银117 大厦（597m）都采用了巨型框架的结构。采用外筒的结构形式也正在逐渐增多。例如广州西塔，外筒采用的是斜交网格。外筒抗力是非常强的，无论是抗扭、抗震，以至于抗震能力比它的内筒还强，而且它抗扭的能力非常好。

2.从是否设置水平支撑体系区分

上文提到的框架-核心筒，巨型框架-核心筒，外筒-核心筒的结构形式，结构的刚度是逐渐递增的，然而随着结构高度不断的增加，高宽比越来越大，这样的基本结构还不能满足规范对于刚度的要求，这时，往往需要在这个基础上增加一个补强的措施，就是增加水平的伸臂桁架和腰桁架（称为加强层）。伸臂桁架和腰桁架可以分别设置，也可以同时设置，可以设置单个的，也可以是多个的，根据结构刚度适度选择。需要注意的是，伸臂桁架和腰桁架将会造成结构的刚度突变，应遵循能不能就不设，能少设就少设的原则。

3.从材料利用上区分

高层建筑结构发展到了今天，传统的钢筋混凝土结构已不能满足发展的需求了，钢材的利用，使得结构的自重减轻，强度增加，被大量运用于（超）高层建筑结构中。传统的钢筋混凝土核心筒承担了85%的水平地震力，很快因为开裂、压碎而导致刚度及延性退化，不利于能量的消耗。由此发展起了一种新型的抗侧力体系—钢板剪力墙。钢板剪力墙具有重量轻，延性好，制作安装时间短等优点。核心筒除了承担水平力外，还承担了相当大的重力荷载，轴压比的限值使得核心筒往往过于笨重，由此发展出钢管混凝土剪力墙，钢管的加入，能使剪力墙的轴压比大大降低，而且由于钢管的约束作用，剪力墙的抗压弯能力，延性等得到了较大的提高，有着广阔的应用前景。除了核心筒应用了新的材料外，外框采用钢框架则是更加普遍的做法。近年，外框的形式已经不局限于传统的框架了，如斜交网络，编制网络，巨型框架等等支撑体系的出现，极大的延伸了超高层建筑的发展空间。

三、超高建筑结构设计中的几个要点

1.型钢混凝土和圆钢管混凝土柱钢骨含钢率的控制

一般设计中，混合结构构件的钢骨含钢率中都是由构造控制，目前国内相关的设计规范和技术规程的规定各不相同，但有一个共同点是框柱中钢骨的含钢率不宜小于4%，这是型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱区别的一个指标。在混合结构设计过程当中，设计者可根据计算结果来设计柱纵筋和箍筋，并设置大于4%的含钢率的型钢截面。

2.钢筋混凝土核心筒的型钢柱的设置

在地震作用或风荷载作用下，钢筋混凝土核心筒一般要承受85%以上的水平剪力；同时筒体外墙还要承受近楼层面积一半的竖向荷载。所以，在筒体外墙内设置型钢柱既可保证筒体与型钢混凝土外框柱有相同的延性，还可以减小两者之间竖向变形差异。同时，筒体墙内设置型钢柱，可使剪力墙开裂后承载力下降幅度不大。尤其在抗震设防的高烈度区，剪力墙底部加强区的抗震性能目标要按中震弹性或中震不屈服设计，其地震作用下剪力、弯矩很大，更需在墙体内设置型钢柱。否则，内筒边缘构件配筋面积太大，增加了设计和施工的难度。通过设置型钢柱，可取代边缘构件内的纵筋。

3.关于伸臂桁架和腰桁架的设置

上文提到在超高层建筑结构设计中，结构抗侧刚度有时不能满足变形要求，需要利用避难层或设备层设置水平伸臂桁架或腰桁架的加强层。加强层有效地使外框架或外框筒与核心筒协同起来，大大增大结构的抗侧刚度和扭转刚度，满足结构的变形（层间位移）要求。设置加强层后，造成结构沿高度方向刚度不均匀，刚度突变带来内力突变，因此在加强层及上下相邻层构件的内力会出现较大的改变，设置是方向性的改变，加强层的刚度越大，内力突变的程度也越大，这种突变会产生薄弱层效应。而在抗震设计的结构中，应尽可能的减小出现薄弱层形成的不利效应，因此可以不设置加强层时，就不必设置加强层，需要设置加强层时，也应该遵循适度的原则，不宜采用刚度过大的伸臂和腰桁架，以避免出现过大的刚度突变。研究表明，多道伸臂桁架减小侧移的效果优于一道伸臂桁架，但是伸臂结构数量也不是越多越好，当设置四道以上的伸臂桁架时，减小侧移的效果就不再明显。而且加强层的数量多了，影响建筑的功能，施工困难也增加了。伸臂设置的位置不同，其减小侧移的效果也不相同，根据高层建筑在水平力作用下的受力特点，当沿高度仅设置一个加强层时，设置在结构的0.6H附近；设置两个加强层时，设置在H、0.5H处较合适；当设置3个或以上加强层时，宜沿竖向从顶层向下均匀设置。一般的高层结构设计中，伸臂桁架设置位置需要做敏感性分析，以便找到最合适的位置、数量。

四、结束语

超高层建筑是现代社会发展的必然产物，是建筑功能、成本、美学等综合因素的承载者。其结构体系的选择是否合理将对实用性、经济性等产生极大的影响。通过对目前流行的超高层建筑结构体系的分析，归纳了设计中遇到的一些问题及要点，有利于从概念上把握超高层建筑结构的设计。

参考文献：

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[2]JGJ3―2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]；

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[4]徐培福，傅学怡等.复杂高层建筑结构设计[M].中国建筑工业出版社，2005.2 第一版；