淺談超高層建筑結構的設計要點

余彬彬

【摘要】我國是超高層建筑大國，當前超高層建筑已經成為城市建設發展的熱點，各地超高層建筑項目眾多。因超高層建筑高度超高、造型新奇，其對結構設計工作提出了更高的要求，本文對超高層建筑結構設計過程中的一些設計要點進行了闡述，希望能為超高層建筑結構設計提供一些參考。

【關鍵詞】超高層建筑;結構設計;設計要點

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.07.027

1、我國超限高層建筑發展概述

自21世紀以來，伴隨著我國改革開放的深入和綜合國力的增強，高層建筑在我國迅猛發展。根據統計，截止2020年，全球350米以上的超高層建筑共72座，其中中國大陸占31座，表1中列出了我國部分超高層建筑數據，可見中國已經成為超高層建筑的大國。同時超高層建筑的分布區域也進一步擴大，從一線及沿海地區，擴展到二、三線城市。隨著超高層建筑在我國的蓬勃發展，建筑高度不斷刷新、結構體系復雜程度提升，這就對超高層建筑結構設計提出了更高的要求。

超限高層建筑的結構設計復雜性主要體現在以下三個方面：一是高度超限，其次是結構布置不規則，主要體現在平面布置不規則和豎向布置不規則。結構設計人員需要關注并重視設計中關鍵性的問題，才能保障設計的質量和效率。

2、注重結構的概念設計

由于超限高層自身結構的復雜性，方案階段的結構概念設計對整個設計過程有著十分重要的影響，選擇合適合理的結構體系，對后期的初步設計和施工圖設計具有極大的幫助。結構設計人員應該重視方案階段的概念設計，同時要與建筑師積極配合、理解建筑師的意圖，提出并選擇傳力清晰、能夠高效利用材料效率的結構體系。結構概念設計應注重以下幾點：一是結構應具有良好的整體性和合理的耗能機制，二是盡可能保障結構的規則性（包括平面和豎向）和均勻性，三是選擇合適的抗側力體系，宜形成多道抗震防線，充分保障結構安全性。

3、選擇合適的結構體系

選擇合適的結構體系才能夠保證結構發揮出最佳功能，結構體系選擇需要綜合考慮多方位因素，包括建筑功能需求、施工條件、經濟等因素。高層建筑中通常采用的結構形式包括框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構、筒體結構和巨型結構等。我國的超高層建筑大多數采用框架-核心筒結構，并且使用混合結構和組合構件成為主流。每一種結構體系都有自身的受力特點和適用條件，設計人員應該根據項目情況，選擇合適的結構體系。通常，框架-核心筒體系適用于300米以下超高層，300米以上超高層則需要選用筒中筒、巨型結構等其他結構體系。建筑不同高度常用的結構抗側力體系如表2所示，其中高度超過200米以上的結構常用體系如圖1所示。

眾所周知，鋼筋混凝土結構和鋼結構都有其各自的優缺點：鋼筋混凝土結構具有可塑性強、造價較低等優勢，但有自重大、結構延性低、施工速度慢等缺點;鋼結構具有強度高、延性良好等優點，但其造價高、防火性能差。兩種結構體系的不足都限值其應用的范圍。當前，混合結構、組合結構成為了超高層建筑主流形式;據統計，已混合結構為主的超高層建筑占總量的95%以上，但需要關注混合結構的阻尼比、結構整體的協調工作性能等方面。

4、合理控制結構自重

對高度超過250米以上的超高層統計分析表明，其平均質量大約為13至21kN/m，平均質量隨著高度的增加而增大，對于400米以上建筑，其平均質量大約分布在17至21 kN/m。設計中選擇合適的輕質材料，可以有效降低結構自重、提高施工速度。

5、荷載的選取

5.1地震荷載

地震荷載的正確選取，對結構分析具有至關重要的作用。確定地震荷載需要

關注以下幾點內容：

（1）由于超限高層高度往往較高，結構自身“較柔”，其結構自振周期往往較大，處于規范中地震影響系數曲線的下降段后的直線段，甚至超過規范曲線的最大值6秒，達到接近9秒。此時國內專家建議可在規范基礎上直接將直線下降段延伸至10秒。

（2）注意核實項目是否有安評要求。根據《地震安全性評價管理條例》（2017年修正），對于國家重大建設工程，省、自治區、直轄市認為對本行政區域有重大價值或者有重大影響的其他建設工程須進行地震安全評價。對于須進行安評的項目，地震動有關參數須執行安評結果，對于安評結果小于抗震規范的，宜按抗規執行。

（3）注意地震波的選取。超限高層往往需要進行時程分析，抗規中規定對于高度超限的建筑應采用時程分析法進行多遇地震的補充分析，高規中規定對于高度超過200米的建筑，應采用彈塑性時程分析法。時程分析是將實際地震實測得到的地震加速度數據輸入結構，根據結構動力學方程求解結構的地震響應;因此選取地震波是時程分析的首要步驟，同時確定合適的輸入地震波是保證結構時程分析結果準確性的重要前提。目前，結構分析軟件大部分都自帶地震波庫，如國產商業化軟件PKPM，YJK，可以比較便捷地進行選波;另外美國太平洋地震工程研究中心Pacific Earthquake Engineering Research Center（簡稱PEER地震波數據庫）中提供了大量的世界各地的地震記錄，也可根據實際需求在其中選取合適的地震波。地震波選取過程需要注意以下幾點：

①地震波的有效持續時間一般為結構基本周期的5-10倍;有效持續時間從首次到達該時程曲線最大峰值的10%算起，到最后一點達到最大峰值的10%為止。

②數量要求：一般可選用3條地震波或7條地震波，其中實際強震記錄的數量不少于總數量的2/3。

③統計意義上相符：多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜發所采用的地震影響系數曲線相比，在對應結構主要振型的周期點上相差不大于20%。

④基底剪力：每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。計算結果也不能太大，每條地震波輸入計算不大于135%，平均不大于120%。

5.2風荷載

超限高層屬于剛度小柔性大的結構，對于風荷載敏感，以此抗風設計也是超

高層建筑結構設計的重要方面。隨著建筑高度的增加，風荷載有可能成為結構的控制水平荷載;對于高度超過300米、體型復雜及高寬比>6的建筑，風荷載往往是控制水平荷載。超高層建筑的風荷載主要包括靜態荷載（即平均風荷載）和動態風荷載（包含脈動風湍流荷載和風致結構振動引起的慣性力加速度）。抗風設計除了應關注風荷載作用下的承載力設計，還應該關注正常使用狀態下的舒適度要求。對于風荷載的確定時應注意，《工程結構通用規范》GB55001-2021中指出，體型復雜、周邊干擾效應明顯或風敏感的重要結構應進行風洞試驗。利用風洞試驗等方法，可以得到更為精確的結構風荷載數值。由于超限高層的高度較高，正常使用時，結構在風荷載作用下可能會產生較大擺動，會影響人們使用時的舒適感，因此對于風作用下的舒適度控制也十分必要。通常結構是通過增大抗側剛度來滿足舒適度要求，但對于超高層建筑往往不經濟，另一種方式是通過設置減振裝置，如調諧質量阻尼器TMD、調諧液體阻尼器TLD等。上海中心大廈、臺幣101大廈都設置了調諧質量阻尼器TMD，廣州電視塔和蘇州國金中心巧妙將消防水箱設計用于調諧液體阻尼器TLD，此類抗風阻尼器可以有效減小結構在風荷載作用下的風致加速度，抵抗強風荷載，保證結構的舒適度。

6、重視對分析結果合理性的判斷

目前結構分析可采用的軟件比較多，如國產軟件PKPM系列、YJK系列，國際通用軟件ETABS、SAP2000、MIDAS、ABAQUS等。對于軟件分析結果，不能盲目采納，應進行分析判斷，確認其合理、有效后才能作為設計的依據。對于超限高層建筑通常需要采用至少兩種不同力學模型的結構進行整體分析，并相互校核。超高層建筑設計均需進行抗震性能化設計，對于確定的性能目標，需要一一判斷結構是否滿足小震、中震、大震下的抗震性能目標，從而保證結構的抗震安全性。

7、其他需要關注的問題

（1）關注復雜結構部分（連體結構、大懸挑結構）豎向地震作用效應;對于大跨度懸挑、連體部分需要考慮豎向地震作用的影響。

（2）關注大跨度樓板、大懸挑結構的豎向振動舒適度。樓蓋結構應具有適宜的舒適度，高規中規定樓蓋結構的豎向振動頻率不宜小于3Hz，并給出了豎向振動加速度峰值限值;對于大跨度、大懸挑結構，其豎向自振頻率較低，與人行走頻率比較接近，容易產生樓面共振，引起人的不適，因此需要關注此類結構的樓板振動舒適度問題。

（3）基于超限高層結構的復雜性，往往會出現比較復雜的節點，對于這些局部節點，整體分析模型通常無法計算分析，需要將這些復雜節點單獨進行分析或進行節點試驗研究，驗證其可靠性和安全性。

（4）對于高度>400米的或結構形式特別復雜的超限高層可以利用振動臺試驗來驗證結構的抗震性能，通過振動臺試驗結果來判斷計算模型是否準確合理、所采取的抗震措施是否能達到預期效果，同時也可以通過振動臺試驗來測定模型在小震、中震、大震下的阻尼比。例如，天津高銀117大廈進行了1：40整體模型振動臺試驗，得到預期地震下的響應，從而驗證結構的合理性和抗震性能。

（5）考慮施工過程影響，進行施工模擬分析。超限高層豎向構件會產生較大的豎向變形，同時由于內外豎向構件（如核心筒和外框架柱）之間剛度差異較大引起的豎向變形差，會導致連接的水平構件產生較大的附加內力，因此需要根據施工過程進行合理的施工模擬分析，才能得到真實的構件內力。超高層建筑的混凝土收縮徐變造成的豎向變形占總變形的30%-40%，應引起足夠的重視。對于一些復雜關鍵構件可采用延遲安裝技術來減緩構件的附加內力。例如CCTV新臺址主樓因結構體系復雜（塔樓傾斜、空間連體及大懸臂），施工過程中結構的內力和變形復雜，因此對施工過程進行了全程跟蹤模擬分析，并對大懸臂與塔樓相連部位的關鍵構件采取了延遲安裝措施，有效的減小其成型后的內力。

（6）合理運用消能減震裝置。傳統設計是通過增加結構剛度來抵抗地震作用，利用結構自身來耗散地震能量，容易造成結構損傷嚴重;減震技術是通過合理設置耗能減震裝置來耗散地震能量、降低結構響應，從而保護主體結構。2021年國務院頒布的《建設工程抗震管理條例》規定，位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區等需要按國家有關規定采取隔震減震等技術，這將進一步推動減震技術在超高層中的運用實踐。例如，位于8度（0.2g）的云南省昆明市滇池會展中心（結構高度299.7m）組合運用速度相關性阻尼器和位移相關性阻尼器，在多遇地震下通過速度阻尼器耗散能量，設防和罕遇地震下，速度阻尼器耗能能力降低，位移阻尼器開始逐步發揮作用;各類阻尼器分階段發揮作用，有效地保護了主體結構，實現結構的抗震性能目標。

（7）合理運用高性能材料減輕結構自重、提高結構強度。目前隨著高強度混凝土泵送技術也不斷進步，C60以上高強度混凝土已經廣泛應用于超高層建筑;高性能鋼材也不斷應用于超限高層，如Q390，Q420，Q460鋼材已成功應用于CCTV新臺址主樓。

（8）合理利用BIM等創新技術輔助超高層設計及施工。傳統設計方法信息化和可視化水平均不高，而超高層的設計復雜、施工難度大，BIM技術作為現代建筑領域的新方式，可以通過高度可視化、可模擬等等優點，可以減少各專業之間的沖突、盡早發現并解決問題，輔助優化設計、施工。

結語：

綜上所述，本文對超高層建筑結構設計的一些設計要點進行了闡述，由于超高層建筑具有超高、造型新奇、功能復雜等特點，需要設計人員對各方面因素進行充分考慮，根據實際項目特點落實到結構設計中，從而保證超高層建筑結構設計的質量。

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