浅谈超高层建筑结构现状与未来

浅谈超高层建筑结构现状与未来

发表时间：2020-04-09T01:07:12.750Z 来源：《防护工程》2020年1期作者：穆晓燕

[导读] 而随着人们用钢结构代替钢筋混凝土结构进行建设，逐渐避免了之前存在的缺点，增加了超高层建筑的使用功能，使其更具实用功能。

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摘要：随着经济的快速发展以及社会人口的急剧增加，使得超高层类的建筑得以迅速发展，并逐渐成为一个国家或者是一座城市的地标性建筑，标志着其经济发展的成果。超高层建筑最初主要是以钢筋混领土结构为主，但是由于钢筋混领土自身所具有的体重较大、体积较大的弊端，让超高层建筑的实用功能受到了一定的制约。而随着人们用钢结构代替钢筋混凝土结构进行建设，逐渐避免了之前存在的缺点，增加了超高层建筑的使用功能，使其更具实用功能。

关键词：超高层；建筑结构；现状；发展

引言：

当前，超高层建筑在我国的发达城市中日益凸显，且有许多的超高层建筑已经在世界超高层建筑中名列前茅，这也体现出我国在经济和科技发展上的进步。超高层建筑在结构体系上的创新，不只是影响着超高层建筑的安全性与经济性，同时也对建筑空间形式以及使用功能的拓展上也具有非常重要的作用，其作为核心技术一直存在于超高层建筑设计和建造过程中。

1、超高层建筑的结构体系

我国建筑业在社会经济的推动下不断发展，数量急剧上升的同时，建筑技术也日趋成熟。在超高层建筑设计、施工中，结构体系设计将直接关系到整个建筑的安全性，接下来我们将详细分析建筑的框架结构、剪力墙体系、全剪力墙结构、避难层等结构组成部分。

1.1框架结构

由于框架结构在高度上存在较大的局限性，在高烈度地区进行规范限值时，容易出现过大的构建截面，既不方便使用造成浪费，又不符合国家规范多道设防的理念，继而衍生出了框架—剪力墙体系。剪力墙体系实现了多道设防的理念，在建筑物的高度上优于框架，对建筑的承载力、刚度以及延性有很大程度的提高，也具有使用价值。剪力墙体系只需选取建筑物的一处适当位置进行一定比例的剪力墙设置，以达到让结构不论是从竖向还是水平位置上都能具有合理的承载力和刚度的目的，更合理的满足规范的要求。

通常来说对空间使用功能有明确要求的建筑，比如说写字楼、车库等，在结构设计中，两个体系所扮演的角色存在明显的差异。剪力墙一般是起到承受水平方向剪力的作用，而框架主要是承受垂直荷载的作用。框架剪力墙体系中所表现出的位移形式属于弯剪形。在水平方向承担作用力，剪力墙和框架一般是依靠刚度较强的楼板以及连续梁相连接，从而构成结构体系。剪力墙在超高层建筑结构中所发挥的优势非常多，能够让结构整体的侧向高度提升，水平方向位移降低，框架承担的水平方向的剪力在很大程度上降低，同时竖向方向内力更加均匀。所以，框架剪力墙体系的建筑物的框架体系会在一定程度上低于建筑物的能建高度。

1.2剪力墙体系

我们知道，高层或者超高层建筑物的受力结构往往都是剪力墙结构来取代的，同时所有由此代替为剪力墙结构。在这些结构体系之内，单片剪力墙在建筑结构内所承担几乎全部水平方向的作用力和垂直方向的荷载作用力。因为剪力墙体系结构属于刚性，所以在位移过程中所产生的曲线形式属于弯曲型。剪力墙体系的自身优势非常明显，其具备良好的刚度和强度，延伸性能良好，能够均匀的进行力的传递，拥有一定的整体性，这一体系的建筑物出现坍塌的可能性非常的小，因此也被更加广泛的应用到高层或者超高层的建筑结构设计中，能建高度更大，超过框架剪力墙结构或者剪力墙结构体系。

1.3全剪力墙结构

全剪力墙结构自身承担的横向荷载以及竖向荷载皆为剪力墙，并无框架柱结构。全剪力墙建筑结构主要应用在高层建筑结构设计中，同时利用这种结构的建筑，楼层一般比框架剪力墙结构要高得多。但是全剪力墙结构的缺陷也比较明显，即是施工建设成本较高，内部空间无法随意的进行分隔。在实际的建筑工程设计过程中，设计人员应当对框架剪力墙结构充分而合理的进行考虑，如果框架剪力墙结构不能够符合建筑工程项目的需求，则可以选择全剪力墙结构。

1.4避难层的设置

对高层建筑火车超高层建筑的结构设计来说，避难层的设计是十分重要的，因为如果高层建筑或者超高层建筑发生火灾之后，人们能够前往避难层，因为避难层一般来说空间范围较大，通风性能良好。一般情况之下，如果建筑物的高度超过了100m，就应当在建筑物中设

置避难层，有助于消防安全。避难层的设置应当遵循严格的规定，第一层和避难层之间的层数应当尽可能的控制在十五层之内，避难层的面积设计必须要符合高层建筑人员避难要求，应当在避难层位置设置好消防电梯口，避难层应当配置完善的消防设备等。

1.5筒体结构

筒体结构一般来说选择抗侧力构建，筒体结构建筑体系所包含的形式非常丰富，比如说有单筒体形式、筒中筒形式以及筒体框架形式等。筒体体系主要囊括了实体以及空腹两种，是空间式的承力构件。实腹筒是一种三维竖向的结构单体，主要是由曲面或者平面墙构成，空腹筒通常是由密排柱和开孔形式的钢筋混凝土外墙组成，或者是密排柱和窗裙梁构成。筒体体系的刚度以及强度相对较大，其中的结构构件受力非常均匀，抗震性能以及抗风性能非常强，该结构一般是应用到超高层建筑或者跨度较大的建筑中。

2、超高层建筑结构分析

2.1超高层建筑材料分析

混凝土是最常用的建筑材料，在超高层建筑应用上也不例外。钢材具有强度高、自重轻、弯曲变形量大，施工方便快捷等特点，但因为钢材受热后强度将大幅下降等，限制了纯钢材结构的建筑高度。将钢与混凝土结合可以发挥二者的优势，并使它们的缺点得到互补。

2.2抗风优化

2.2.1平面形状

平面形状是承受风荷载能力的重要方面。研究对比发现，平面为圆形、椭圆形、三角形、Y形、月牙形的建筑相对于矩形平面的建筑而言，对于风荷载作用力的抵抗效果更为出色。此外，通过将建筑物顶部拐角变为倒角、削角或者圆形化的措施也有助于抗风。

2.2.2变截面

随着高度的增加改变界面的形式也可以有助抗风，一般变截面的形式有两种：①锥形化立面与阶梯缩进平面；②随着高度的变化来改变平面的样式。研究表明，随着高度的增加，锥形化立面与阶梯缩进平面的平面宽度会逐渐减小，并且产生涡激共振的临界风速也减小。而边界层内的风剖面表明，风速与高度是成正比的，这就有效地降低了涡激共振给建筑物带来的危害。

2.2.3改变局部形态

在建筑物上适当的留有洞口、附加扰流翼、以及设计复杂的塔冠形态。研究表明，合适的开洞位置，附加扰流翼和复杂的塔冠形态都能够有效的减小风致影响。

2.3耗能减震技术研究

为增加结构抗震，通常把在结构上添加一些能够减弱机能，在发生地震时能够吸收所产生的能量从而能够消能减震，保护建筑物的结构称为耗能减震结构。耗能减震结构中所使用的耗能部件按照相关性可以分为位移相关性耗能部件和速度相关性耗能部件。

3、结论及展望

超高层建筑数量不断增加，分布地区由长三角、珠三角地区向全国其他区域扩展，环渤海地区以及部分二线城市超高层建筑发展迅速。

随着建筑结构高度的增加，巨型框架和巨型支撑应用较多，钢—凝土混合结构在超高层建筑结构中应用广泛。

超高层建筑土建工程造价约占建筑造价的30%一40%，随着塔楼高度的增加，土建造价将有所提高。

将合适的空气动力学优化方法，在超高层建筑中通过具体的建筑与结构设计来实现，可以同时达到减小建筑的风致响应与保证建筑形态优美的目的。

结构高度越高，长周期振型越多；超高层建筑总动力响应中，长周期模态的基底剪力占结构地震总响应的50%以上；长周期模态的倾覆力矩占地震总响应的90%以上。长周期地震作用对超高层建筑结构影响显著。

耗能减震技术可有效降低结构的地震作用响应，提高超高层建筑结构抗震性能，是未来超高层建筑结构抗震的发展力一向。

参考文献：

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