超高層建筑結構設計要點分析

蘇琳

摘 要：近年來，建筑開始向高層和超高層的方向發展，這對于當時城市緊張的住房問題起到了一定的緩解作用，同時也給人們打造了舒適的生活環境。但超高層建筑由于其垂直高較大，層數較多，所以需要對其結構設計進行重視，確保超高層建筑結構不僅能夠滿足建筑的質量要求，同時還要確保建筑外形的美觀，為人們打造一個舒適、安全的生活和居住環境。文中從超高層建筑的特點出發，分析了超高層建筑結構方案確定的主導因素，并進一步對超高建筑結構類型中的混合結構設計進行了具體的闡述。

關鍵詞：超高層建筑；結構設計；結構類型；混合結構

前言

目前超高層建筑已成為城市的標志性建設，其不僅高度較大，而且外形美觀，有效的緩解了大中城市人口增長所帶來的用地緊張問題。超高層建筑對防震和消防設計具有較高的要求，需要具有緊固的基礎，所以在結構設計時需要針對超高層建筑的特點，確保結構的合理性。

1 超高層建筑的特點

（1） 超高層建筑需要設置避難層和設備層。超高層建筑對消防安全具有較高的要求，所以需要設置避難層，這樣一旦發生火災，則能夠有效的疏散人員并安全撒離。同時，超高層建筑中需要應用到較多的機電設備，所以還要進行設備層的設置。因此在超高層建設中，通常將設備層和避難層都放置在同一層。而對于對使用功能具有較高要求的超高層建筑，通常都是每隔15層則要設置一個避難層和兼設備層，同時還需要設有專門的機電設備層，通常可以將設備層或避免層設備為結構加強層，這樣可以有效的確保結構整體剛度的提高。

（2） 超高層建筑通常以方形或是近似方形為主，而且長寬比也不會超過2，這樣即使在地震大的扭轉效應下，超高層建設了具有較強的抗震性能，不易發生損壞。

（3） 在對超高層建筑地基選擇時，當其基巖埋深較淺時，則其基礎持力層則可以選擇天然地基，也可以采用筏基或是箱基，但對于基礎持力層較深的情況，則持力層則宜以樁基為主，復合地基的情況在超高層建筑地基中較少采用。

（4） 當超高層建筑超過150米時，不僅需要確保其具有良好的使用條件，同時還要使其能夠滿足風荷載作用下的舒適度的要求，在結構頂點需要有效的控制其最大加速度，使其能夠與相關的規范要求相符合。

（5） 超高層建筑設計時，對抗震性能具有較高的要求，所以需要進行抗震設防專項審查，而且在需要時還要進行專門的模型震動試驗，從而使工程的設計和建造更具合理性。

2 超高層建筑結構方案確定的主導因素

2.1 建筑方案應受到結構方案的制約

在對超高層建筑方案進行設計時，需要充分的考慮到結構方案，確保結構方案要對整體超高層建筑方案的設計充分的配合，而且在要超高層建筑結構方案設計時要確保結構方案的實施具有較好的可行性。同時在結構方案設計時還需要力求創新，這樣才能確保整體工程經濟效益和社會效益的實現。

2.2 結構類型的選擇應綜合考慮

（1）應考慮擬建場地的巖土工程地質條件

在進行超高層建筑中，如果擬建筑的場地基巖埋藏極淺時，在這種情況下，可以采用天然地基作為基礎支撐，這樣的場地類別也多為一類和二類，在抗震設防烈度也較低的情況下，則可以優先采用鋼筋混凝土結構。但對于在第四紀土層上的超高層建筑，當其抗震設防烈度需要達到七度或是八度區時，則宜采用結構自重較輕的混合結構或是鋼結構，這樣可以有效降低地震的作用。

（2）應考慮抗震性能目標

在對超高層建筑進行抗震設計時，通常情況下需要達到中震不屈服，這就需要豎向構件具有較高的承載力。同時剪力墻底部加強區也需要具有抵抗中震的彈性。在這種情況下，鋼筋混凝土結構就無法滿足在抗震設防烈度七度或是八度區的條件，因為在豎向構件截面計算中，需要配筋的量較大，這就會導致鋼筋無處放置，而如果單純增大構件截面也會導致結構自重加大，這樣地震作用下，結構內力也會增加，同時截面配筋率也無法實現有效的控制，所以通常情況下，會考慮采用混合結構或是鋼結構，這樣地震作用下構件產生剪力和拉力多由型鋼來承擔，這對于地震作用下結構構件的內力減小具有極為重要的意義。

（3）應考慮經濟上的合理性

超高層建筑工程為了實現效益的最大化，則需要控制好工程造價。針對各種結構特點，鋼筋混凝土結構經濟性最好，然后是混合結構，而全鋼結構則造成較高。所以在超高層結構設計時，需要對造價的合理性進行有效控制，同時還要對豎向承重構件的截面積進行控制，確保建筑有效使用面積的增加。通常情況下，為了提高結構柱的承載能力，可以在超高層建筑中采用型鋼混凝土柱或是鋼管混凝土柱作為主要承重構件，而且還能夠確保結構具有較好的延性，柱截面比相對也較小，有利于建筑有效使用面積的增加。當采用鋼筋混凝土結構時，也可以在高框架柱內設置型鋼來確保柱截面的減小，確保經濟效益的最大化。

3 超高建筑結構類型中的混合結構設計

3.1 型鋼混凝土和圓鋼管混凝土柱鋼骨含鋼率的控制

一般設計中，混合結構構件的鋼骨含鋼率中都是由構造控制，目前國內相關的設計規范和技術規程的規定各不相同，但有一個共同點是框柱中鋼骨的含鋼率不宜小于4%，這是型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土柱區別的一個指標。在混合結構設計過程當中，設計者可根據計算結果來設計柱縱筋和箍筋，并設置大于4%的含鋼率的型鋼截面即可。

3.2 鋼筋混凝土核心筒的型鋼柱的設置

在地震作用或風荷載作用下，鋼筋混凝土核心筒一般要承受85%以上的水平剪力；同時筒體外墻還要承受近樓層面積一半的豎向荷載。所以，在筒體外墻內設置型鋼柱既可保證筒體與型鋼混凝土外框柱有相同的延性，還可以減小兩者之間豎向變形差異。同時，筒體墻內設置型鋼柱，可使剪力墻開裂后承載力下降幅度不大。尤其在抗震設防的高烈度區，剪力墻底部加強區的抗震性能目標要按中震彈性或中震不屈服設計，其地震作用下剪力、彎矩很大，更需在墻體內設置型鋼柱。否則，內筒邊緣構件配筋面積太大，增加了設計和施工的難度。通過設置型鋼柱，可取代邊緣構件內的縱筋。

3.3 關于結構的抗側剛度問題

超高層建筑混合結構的鋼筋混凝土核心筒體是整個結構的主要抗側構件，所以筒體的墻厚尤其是外側墻厚，主要是由抗側剛度要求決定。因此，外框柱截面的設計除滿足承載力和軸壓比要求外，其剛度在整體結構剛度設計中應予以充分考慮。

在超高層建筑結構設計中，為了確保結構抗側剛度能夠更好的滿足變形的要求，則可以通過設置環狀桁架或是水平伸臂桁架，這樣可以有效的確保結構抗側剛度和扭轉剛度增大，確保能夠更好的滿足結構變形的要求。

4 結束語

通過科學、合理的結構設計，可以更好的將建筑外觀的美感和內部空間的良好性體現出來，所以在設計時需要將建筑表現和結構方案的統一性較好的體現出來，加強建筑師和結構工程師的有效配合，確保結構總體和結構分體之間的協調性，使結構受力更加科學、合理，從而確保整體建筑的安全性。

參考文獻

[1]呂西林.超限高層建筑工程抗震設計指南[M].上海：同濟大學出版社，2005.

[2]徐至鈞，趙錫宏.超高層建筑結構設計與施工[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]汪大綏，周建龍，包聯進.超高層建筑結構經濟性探討[J].建筑結構，2012.