超高层建筑结构设计要点分析

摘 要：本文结合实际案例，分别从经济性和结构安全性两个方面对超高层建筑设计要点进行研究。结果表明：与局部十字梁分隔和局部“”字梁分隔方法相比，方向次梁分隔的设置方法造价更低。作为外框架柱的框架-核心筒结构，普通钢筋混凝土柱不仅能满足结构安全需求，与型钢混凝土材料设计方案和钢管混凝土柱、楼面钢梁和外框架方案相比，地震剪力和位移角还更小。

关键词：方向次梁；框架-核心筒；地震荷载；地震剪力；位移角

中图分类号：TU 97" 文献标志码：A

高层建筑的设计过程非常复杂，需要考虑建筑的综合功能以及特殊设备的经济效益。设计时不仅要关注建筑物的使用功能和结构受力特性，还要从社会价值的角度出发，追求最佳的综合效益。本文针对稳定可靠框架-筒体机构进行分析，给出了不同设计方案对比分析结果，阐述了结合高层建筑特点进行选型分析的思路和方向。

1 超高层建筑设计方案

1.1 建筑案例

某塔楼位于用地西北角，总高度为199.8m，建筑面积为104742.29㎡。其中办公建筑面积为100130.14㎡，可容纳5940人，商业建筑面积为4612.15㎡。该建筑共有地下4层和地上50层，除了19层和35层作为避难层，其余楼层均为高级写字楼。地下部分为停车库。

主体结构采用混凝土框架-核心筒结构体系，楼面采用钢板混凝土组合楼板体系。该建筑的抗震等级为一级。建筑平面的使用性质包括办公、商业和避难所。G层北侧为办公大堂，西侧局部为商业入口，南侧与G层商业相连，首层南侧为办公大堂，西侧为商业入口，二层至四层为商业区，五层及以上为办公区。

竖向设计中，低区、中区和高区以避难层为界。G层和首层各有五部高速客梯通往各区，高速电梯不下至地下室。此外，还有两部消防电梯从地下三层至顶层。G层和首层之间有两部自动扶梯连接。两部办公消防楼梯分别位于首层和G层，并通向屋顶。二层至四层的商业区有3部独立的疏散楼梯。此外，还有3部普通客梯从地下四层至四层，施工平面图如图1所示。

1.2 框架-核心筒结构设计方案

本节重点对框架-核心筒结构中外框架柱的材料选型进行对比分析，拟采用以下3种方案。① 普通钢筋混凝土框架核心筒结构：该方案使用普通钢筋混凝土作为外框架柱的材料。这种材料具有应用面广、施工便利、成本较低等优点。但在抗震性能和自重方面相对较弱[1-2]。② 型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构：该方案采用型钢与混凝土相结合的形式，外框架柱的材料是型钢。这种结构可以充分发挥型钢的高抗拉性能，提高整体的抗震性能。同时，钢筋混凝土核心筒提供了良好的纵向刚度和稳定性。③ 钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构：该方案在外框架柱中采用钢管混凝土。钢管混凝土结构具有较高的抗震性能和承载力，还具有较好的耐久性和施工效率。但是材料成本较高，可能会增加总体建设成本。

2 经济性对比

通过观察混凝土工程量，本文对方案的经济性进行简单分析。主要关注型钢用量和标准层钢筋用量两个方面，并通过比较这两个方面来评估结构的经济性。以下是这3种方案的初步分析。

2.1 方案一（方向次梁分隔法）

单向次梁分隔是一种在建筑结构中使用的分隔方式。它通过在结构中添加次梁来达到分隔效果。次梁是平行于主梁的辅助梁，用来提高结构的刚度和承载能力。该方案次梁设计具体数据：主梁长度为10m，次梁间距为1.5m，次梁宽度为0.3m，次梁高度为0.6m或0.8m。

2.2 方案二（局部十字梁分隔法）

局部十字梁分隔是一种在建筑结构中使用的分隔方式。它通过在结构中添加十字梁来达到分隔效果。十字梁是一种具有十字形状的横梁，用来提高结构的刚度和承载能力[3]。具体数据：主梁长度为8m，十字梁跨度为2m，十字梁宽度为0.4m，十字梁高度为0.8m或1.0m。

2.3 方案三（局部“”字梁分隔）的设置方法

局部“”字梁分隔是一种在建筑结构中使用的分隔方式。它通过在结构中添加“”字形状的横梁来达到分隔效果。“”字梁可以提供结构的刚性和承载能力。具体数据：主梁长度为12m，“”字梁跨度为1.2m，“”字梁宽度为0.5m，“”字梁高度为0.9m或1.1m。

对这3个方案的标准层梁板用钢量进行统计，并将方案一的单位面积用钢量作为基准，给出其他几种方案用钢量的变化情况。表1中列出了具体数值，其中正值表示用钢量比方案一多，负值表示用钢量比方案一少。

根据表1的数据，可以观察到方案二和方案三的用钢量都有所增加，但增加的幅度是有限的。最主要的问题是梁高增加了200mm，而楼层净高度减少较多。因此方案一是最佳的梁布置方案，不建议采用方案二或方案三。另外，由于方案二楼板厚度增加，因此导致部分墙体需要加厚。

3 地震响应对比分析

地震是威胁超高层建筑稳定性的关键荷载，因为超高层建筑自身高度远大于建筑宽度和长度，且超高层建筑有多次分层，所以在地震荷载下极易产生失稳现象。根据《抗震性态设计通则》的规定，考虑具体工程所处位置可能出现的地震特征，因此选取天然波作为计算地震波[4-5]。

图2为地震荷载作用下，不同层间X方向和Y方向的剪力。由图2中可以看出超高层建筑底部在上部荷载作用下剪力值最大，且随着楼层增加，楼层间剪力逐渐变小。不同超高层建筑设计方案中随着楼层层数增加，地震剪力降低速率不断增加。

在3种方案中，不同方向剪力差别不大，除方案二外，方案一和方案三的X方向地震剪力大于Y方向。本文超高层建筑X向宽度要小于Y向长度，柔性系数更大，因此更容易出现变形，地震剪力也更大。对同一种方向剪力来说，方案一的地震剪力最小。对X向地震剪力来说，方案一的最大地震剪力为15000kN，是方案二最大地震剪力的75%，方案三的最大地震剪力的66.7%。随着超高层建筑层数增加，3种方案X向地震剪力逐渐接近，对顶层地震剪力来说，因为3种设计方案的差异性只在一层建筑上体现，差距较小，所以地震剪力基本相同。

对Y向地震剪力来说，方案一的最大地震剪力为13000kN，是方案二最大地震剪力的72.2%，方案三的最大地震剪力的56.5%。随着楼层升高，不同方案地震剪力差距并未明显缩小。与X向地震剪力类似，49层至50层间地震剪力基本一致，约为500kN。通过对比分析不同方向的地震剪力可知，方案一高层设计方案的地震剪力比其他方案更小，稳定系数更高。对X向地震剪力来说，方案三的安全系数为1.33，方案二的安全系数为1.50，方案一的安全系数为2.0。对Y向地震剪力来说，方案三的安全系数为1.30，方案二的安全系数为1.67，方案一的安全系数为2.30。

在地震荷载作用下，下部楼层约束效应更显著，上部楼层仅靠重力和相邻楼层连接作用进行固定，不同楼层之间会因变形不一致而出现位移角。高层建筑必须将位移角控制在极值范围之内，防止出现楼层坍塌[6]。图3为不同方向层间位移角对比分析，本文超高层建筑案例的层间位移角极值为0.00166。

对比图2中不同方向层间位移角可知，由于超高层建筑底部楼层受地基约束，而上部建筑受力自由，因此层间转角随着楼层高度增加，位移角呈现先增后减的变化趋势。超高层建筑第一层受地基约束，因此基本不发生位移，层间位移角接近为0。随着楼层增加，基础约束效应不断减少，因此层间位移角不断增加。而随着楼层继续增加，基础约束效应逐渐降至可忽略程度。此时高层建筑顶部没有约束，属于自由状态，层间接近整体变形，因此层间位移角不断变小。由图2可知位移角最大值约在20层～30层出现，该位置大致在楼层中部，下部受基础约束影响显著，上部受楼层顶部自由变形影响显著。

不同方案不同方向的位移角均小于位移角极值，因此3种方案均可以保证超高层建筑的稳定性。从不同方向的位移角对比结果可知，方案一的位移角小于方案二和方案三。对X方向位移角来说，方案一的最大位移角出现在第20层，为方案二最大位移角的66.7%（出现在第20层），方案三的最大位移角的60%（出现在第20层）。

对Y方向位移角来说，方案一的最大位移角出现在30层，为方案二最大位移角的66.7%（出现在第30层），方案三的最大位移角的57%（出现在第30层）。通过不同方向地震位移角对比分析可知，方案一高层设计方案地震位移角比其他方案更小，稳定系数更高。对X向地震位移角来说，方案三的安全系数为1.49，方案二的安全系数为1.66，方案一的安全系数为2.49。对Y向地震位移角来说，方案三的安全系数为1.41，方案二的安全系数为1.66，方案一的安全系数为2.49。

4 结论

本文针对超高层建筑设计方案进行论述和对比分析，可以得到以下结论。1）与局部十字梁分隔和局部“”字梁分隔方法相比，方向次梁分隔的设置方法在保证稳定性的基础上，更节省单位面积钢材料和投资。2）采用普通钢筋混凝土柱作为外框架柱的框架-核心筒结构，在地震荷载作用下，抗震剪力和地震位移角均小于其他方案，是一种安全超高层建筑设计方式。框架-核心筒结构方案是一种可靠实用的结构方式。

参考文献

[1]肖志秋. 基于性能目标的框架-核心筒超高建筑抗震性能研究[D].绵阳： 西南科技大学，2023.

[2]贺映候. 基于结构健康监测系统的强台风下超高层建筑动力响应研究[D]. 武汉：华中科技大学，2020.

[3]郭小飞. 超高层建筑结构风荷载数值模拟及风振响应研究[D]. 石家庄：石家庄铁道大学，2020.

[4]韩亚洲. 某超高层建筑结构变形监测方法研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2020.

[5]张延泰. 超高层建筑结构地震动强度指标及倒塌安全储备研究[D]. 大连：大连理工大学，2019.

[6]葛林林. 超高层建筑结构剪重比影响因素及抗震性能分析[D]. 太原：太原理工大学，2018.