超高层建筑结构设计要点分析

苏琳

摘 要：近年来，建筑开始向高层和超高层的方向发展，这对于当时城市紧张的住房问题起到了一定的缓解作用，同时也给人们打造了舒适的生活环境。但超高层建筑由于其垂直高较大，层数较多，所以需要对其结构设计进行重视，确保超高层建筑结构不仅能够满足建筑的质量要求，同时还要确保建筑外形的美观，为人们打造一个舒适、安全的生活和居住环境。文中从超高层建筑的特点出发，分析了超高层建筑结构方案确定的主导因素，并进一步对超高建筑结构类型中的混合结构设计进行了具体的阐述。

关键词：超高层建筑；结构设计；结构类型；混合结构

前言

目前超高层建筑已成为城市的标志性建设，其不仅高度较大，而且外形美观，有效的缓解了大中城市人口增长所带来的用地紧张问题。超高层建筑对防震和消防设计具有较高的要求，需要具有紧固的基础，所以在结构设计时需要针对超高层建筑的特点，确保结构的合理性。

1 超高层建筑的特点

（1） 超高层建筑需要设置避难层和设备层。超高层建筑对消防安全具有较高的要求，所以需要设置避难层，这样一旦发生火灾，则能够有效的疏散人员并安全撒离。同时，超高层建筑中需要应用到较多的机电设备，所以还要进行设备层的设置。因此在超高层建设中，通常将设备层和避难层都放置在同一层。而对于对使用功能具有较高要求的超高层建筑，通常都是每隔15层则要设置一个避难层和兼设备层，同时还需要设有专门的机电设备层，通常可以将设备层或避免层设备为结构加强层，这样可以有效的确保结构整体刚度的提高。

（2） 超高层建筑通常以方形或是近似方形为主，而且长宽比也不会超过2，这样即使在地震大的扭转效应下，超高层建设了具有较强的抗震性能，不易发生损坏。

（3） 在对超高层建筑地基选择时，当其基岩埋深较浅时，则其基础持力层则可以选择天然地基，也可以采用筏基或是箱基，但对于基础持力层较深的情况，则持力层则宜以桩基为主，复合地基的情况在超高层建筑地基中较少采用。

（4） 当超高层建筑超过150米时，不仅需要确保其具有良好的使用条件，同时还要使其能够满足风荷载作用下的舒适度的要求，在结构顶点需要有效的控制其最大加速度，使其能够与相关的规范要求相符合。

（5） 超高层建筑设计时，对抗震性能具有较高的要求，所以需要进行抗震设防专项审查，而且在需要时还要进行专门的模型震动试验，从而使工程的设计和建造更具合理性。

2 超高层建筑结构方案确定的主导因素

2.1 建筑方案应受到结构方案的制约

在对超高层建筑方案进行设计时，需要充分的考虑到结构方案，确保结构方案要对整体超高层建筑方案的设计充分的配合，而且在要超高层建筑结构方案设计时要确保结构方案的实施具有较好的可行性。同时在结构方案设计时还需要力求创新，这样才能确保整体工程经济效益和社会效益的实现。

2.2 结构类型的选择应综合考虑

（1）应考虑拟建场地的岩土工程地质条件

在进行超高层建筑中，如果拟建筑的场地基岩埋藏极浅时，在这种情况下，可以采用天然地基作为基础支撑，这样的场地类别也多为一类和二类，在抗震设防烈度也较低的情况下，则可以优先采用钢筋混凝土结构。但对于在第四纪土层上的超高层建筑，当其抗震设防烈度需要达到七度或是八度区时，则宜采用结构自重较轻的混合结构或是钢结构，这样可以有效降低地震的作用。

（2）应考虑抗震性能目标

在对超高层建筑进行抗震设计时，通常情况下需要达到中震不屈服，这就需要竖向构件具有较高的承载力。同时剪力墙底部加强区也需要具有抵抗中震的弹性。在这种情况下，钢筋混凝土结构就无法满足在抗震设防烈度七度或是八度区的条件，因为在竖向构件截面计算中，需要配筋的量较大，这就会导致钢筋无处放置，而如果单纯增大构件截面也会导致结构自重加大，这样地震作用下，结构内力也会增加，同时截面配筋率也无法实现有效的控制，所以通常情况下，会考虑采用混合结构或是钢结构，这样地震作用下构件产生剪力和拉力多由型钢来承担，这对于地震作用下结构构件的内力减小具有极为重要的意义。

（3）应考虑经济上的合理性

超高层建筑工程为了实现效益的最大化，则需要控制好工程造价。针对各种结构特点，钢筋混凝土结构经济性最好，然后是混合结构，而全钢结构则造成较高。所以在超高层结构设计时，需要对造价的合理性进行有效控制，同时还要对竖向承重构件的截面积进行控制，确保建筑有效使用面积的增加。通常情况下，为了提高结构柱的承载能力，可以在超高层建筑中采用型钢混凝土柱或是钢管混凝土柱作为主要承重构件，而且还能够确保结构具有较好的延性，柱截面比相对也较小，有利于建筑有效使用面积的增加。当采用钢筋混凝土结构时，也可以在高框架柱内设置型钢来确保柱截面的减小，确保经济效益的最大化。

3 超高建筑结构类型中的混合结构设计

3.1 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即可。

3.2 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。

3.3 关于结构的抗侧刚度问题

超高层建筑混合结构的钢筋混凝土核心筒体是整个结构的主要抗侧构件，所以筒体的墙厚尤其是外侧墙厚，主要是由抗侧刚度要求决定。因此，外框柱截面的设计除满足承载力和轴压比要求外，其刚度在整体结构刚度设计中应予以充分考虑。

在超高层建筑结构设计中，为了确保结构抗侧刚度能够更好的满足变形的要求，则可以通过设置环状桁架或是水平伸臂桁架，这样可以有效的确保结构抗侧刚度和扭转刚度增大，确保能够更好的满足结构变形的要求。

4 结束语

通过科学、合理的结构设计，可以更好的将建筑外观的美感和内部空间的良好性体现出来，所以在设计时需要将建筑表现和结构方案的统一性较好的体现出来，加强建筑师和结构工程师的有效配合，确保结构总体和结构分体之间的协调性，使结构受力更加科学、合理，从而确保整体建筑的安全性。

参考文献

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[2]徐至钧，赵锡宏.超高层建筑结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]汪大绥，周建龙，包联进.超高层建筑结构经济性探讨[J].建筑结构，2012.