超高層建筑的結構構想和設計

劉偉

（天津市長城建筑設計有限公司，天津 300041）

根據我國法律規定：建筑高度超過100m時，不論住宅及公共建筑均為超高層建筑。超高層建筑的建造之所以發展速度快，是因為高層建筑能在有效面積的土地上，得以發揮最大的使用效益。盡管建造超高層建筑需要的費用較高，但在我國的城市建設中，隨著城市化日益快速發展的需要，為土地使用率的提高，必然會使超高層建筑快速發展。

1 超高層建筑的不同之處

超高層建筑與一般高層建筑結構設計的差異

1.1 從房屋高度上，超高層建筑的房屋高度在100m以上直至有幾百米，而一般高層建筑的房屋高度則是在100m以下。

1.2 超高層建筑由于消防的要求，須設置避難層，以保證遇到火災時人員疏散的安全。對于這些安放有設備設計除考慮實際的荷載之外，更需考慮設備的振動對相鄰樓層使用的影響。同時，這些樓層的結構設計，為提高結構的整體剛度，可用來設置結構加強層。

1.3 超高層建筑的結構類型選擇上相對要廣，除了鋼筋混凝土結構外，還有全鋼結構和混合結構。而一般高層建筑結構除了特殊條件需要者外，多為鋼筋 混凝土結構。

1.4 超高層建筑的平面形狀多為方形或近似，對于矩形平面其長寬比也是在2以內，尤其抗震設防的高烈度地區更應采用規則對稱平面。否則，在地震作用時由于扭轉效應大，易受到損壞。而一般高層建筑平面形狀選擇余地要大。

1.5 超高層建筑的基礎形式除等厚板筏基和箱基外，由于平面為框架.核心筒或筒中筒，同時，由于基底壓力大要求地基承載力很高，除了基巖埋藏較淺可選擇天然地基外，一般均采用樁基。

1.6 房屋高度超過150m的超高層建筑結構應具有良好的使用條件，既要滿足舒適度，結構頂點最大加速度的控制也要滿足相關規定要求，但是高層建筑設計不需要考慮上述問題。

1.7 只有經過國內專家的評估和論證，必要時還須進行振動模型試驗，才能確保工程的安全。而一般高層建筑的房屋高度多在規范容許高度范圍并已有大量的科研成果和實際工程經驗，除非是特別不規則結構，是不需要進行抗震設防專項審查的。

2 超高層建筑結構方案

2.1 抗震設防烈度是超高層結構體系選用首要考慮因素《抗規》中規定，對于房屋高度超過100m的高層建筑，不同的抗震設防烈度，房屋高度也是不相同的。顯然，抗震設防烈度6度最有利于建造超高層建筑。因為地震作用太大，要滿足三個水準的設防性能目標，其結構構件截面尺寸大，用材指標很高，并導致工程造價也相當高。

2.1.1 超高層建筑方案應受到結構方案的制約，建筑專業是民用建筑設計中的龍頭專業，一個具有較強建筑方案能力和有經驗的建筑師在建筑方案時應考慮到建筑結構，使得結構方案具有可實施性。 而對于超高層建筑方案更應首先就要考慮結構方案的可行性，保證居民的生命和財產安全。

2.1.2 超高層建筑結構體系中結構類型的選擇，應該根據擬建場地的巖土工程地質條件和抗震性能目標的確定及經濟的合理性綜合考慮。擬建場地的巖土工程地質條件，是合理選擇超高層建筑的結構類型時要考慮的因素之一。

2.2 抗震設計時，所確定的抗震性能目標是超高層建筑結構選型應考慮的另一因素。一般而言，超高層建筑結構設計普遍存在結構超限。一般抗震設計的性能目標要求豎向構件承載力達到中震不屈服或剪力墻底部加強區達到抗剪中震彈性，受彎及框架柱 達到中震不屈服。

2.2.1 采用合理的結構類型，應考慮經濟上的合理性。通常從工程造價上比較，鋼筋混凝土結構最低，其次是混合結構，最高則是全鋼結構。一般混合結構的采用應考慮有利于降低工程造價。另外，超高層建筑結構中的豎向承重構件由于截面積大而會使建筑有效的使用面積減小。

2.2.2 超高層建筑結構類型的選用，施工的合理性應是考慮的又一因素 超高層建筑的房屋高度多在150m以上。房屋高度愈高，施工難度愈大，施工周期也愈長。一般鋼筋混凝土結構高層建筑出地面以上的樓層施工進度慢，施工難度很大。所以，不同結構類型，施工進度各不相同。因此，設計應根據不同的房屋高度和業主對工程施工進度的要求，綜合考慮以選擇合理的結構類型。

2.3 超高建筑結構類型中的混合結構設計

采用型鋼混凝土梁，粱的縱筋要穿越柱的腹板或焊接在設置于型鋼柱翼緣的鋼牛腿上，而型鋼柱的箍筋除穿越柱腹板外還要穿越型鋼梁的腹板。它與全鋼結構相比，即使加上鋼筋用量后總用鋼量也要低，相應總的工程費用也低。同 時，由于混合結構的主要抗側構件是鋼筋混凝土核心筒，其抗側剛度大于鋼支撐，這就是混合結構目前廣泛用于超高層建筑結構的主要原因。

2.4 超高層建筑結構的基礎設計

超高層建筑一般多設二層或更多層的地下室，其基礎的埋置深度均能滿足穩定要求。而對于基巖埋藏較淺無法建造多層地下室不能滿足埋置深度要 求的，則可設置嵌巖錨桿來滿足穩定要求。

2.4.1 天然地基基礎。對于基底砌置在砂、卵石層的建筑，多是采用等厚板筏形基礎。但也有工程采用箱形基礎。

2.4.2 樁基基礎的設計。超高層建筑的樁基礎，由于基底壓力大，要求的單樁豎向承載力較高，因此，均采用大直徑鉆孔灌注樁或有條件的工程場地采用大直徑人工挖孔擴底灌注樁。樁端持力層的選擇應考慮層厚較大和密實的砂、卵石層或中風化、微風化基巖，以減少樁端沉降變形。

3 超高層建筑的技術及措施

3.1 連廊弱連接支座留足連廊兩端活動空間確保不出現下墜，采用抗拉鉸接萬向支座，并用側面限位器固定，確保水平荷載直接傳遞到塔樓主結構。支承連廊的框架柱抗震等級提高為一級，以確保安全性。

3.2 連廊及頂部塔樓結構抗震加強措施。連廊采用空間鋼結構桁架，鋼筋混凝土樓板的形式，并進行專門設計。頂部蓮花座高度較高且外形復雜，采用將芯筒適度上升，外復鋼結構形成蓮花座外形的結構設計，能極大地減輕自重保證結構強度，從而有效克服鞭梢效應，且施工方便。

3.3 平面扭轉不規則抗震加強措施。主要采取調整抗側力構件的布置，使質心與剛心盡量重合，并加大結構的扭轉剛度，以減小結構扭轉效應，使結構各樓層的位移比限制在規定范圍之內。

結語

超高層建筑雙塔結構是一種非常復雜的結構體系，如何科學合理地設計超高層建筑結構已成為一個急需解決的問題。超高層建筑應采用合理的計算模型，通過多種分析進行比較，證明結構設計是可行的，因此設計者要足夠重視抗震設計。

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