超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(fā)展，這對于當(dāng)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(huán)境。但超高層建筑由于其垂直高較大，層數(shù)較多，所以需要對其結(jié)構(gòu)設(shè)計進行重視，確保超高層建筑結(jié)構(gòu)不僅能夠滿足建筑的質(zhì)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(huán)境。文中從超高層建筑的特點出發(fā)，分析了超高層建筑結(jié)構(gòu)方案確定的主導(dǎo)因素，并進一步對超高建筑結(jié)構(gòu)類型中的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)類型；混合結(jié)構(gòu)

前言

目前超高層建筑已成為城市的標(biāo)志性建設(shè)，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(shè)計具有較高的要求，需要具有緊固的基礎(chǔ)，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要針對超高層建筑的特點，確保結(jié)構(gòu)的合理性。

1 超高層建筑的特點

（1） 超高層建筑需要設(shè)置避難層和設(shè)備層。超高層建筑對消防安全具有較高的要求，所以需要設(shè)置避難層，這樣一旦發(fā)生火災(zāi)，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(yīng)用到較多的機電設(shè)備，所以還要進行設(shè)備層的設(shè)置。因此在超高層建設(shè)中，通常將設(shè)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(shè)置一個避難層和兼設(shè)備層，同時還需要設(shè)有專門的機電設(shè)備層，通常可以將設(shè)備層或避免層設(shè)備為結(jié)構(gòu)加強層，這樣可以有效的確保結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)效應(yīng)下，超高層建設(shè)了具有較強的抗震性能，不易發(fā)生損壞。

（3） 在對超高層建筑地基選擇時，當(dāng)其基巖埋深較淺時，則其基礎(chǔ)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(chǔ)持力層較深的情況，則持力層則宜以樁基為主，復(fù)合地基的情況在超高層建筑地基中較少采用。

（4） 當(dāng)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(fēng)荷載作用下的舒適度的要求，在結(jié)構(gòu)頂點需要有效的控制其最大加速度，使其能夠與相關(guān)的規(guī)范要求相符合。

（5） 超高層建筑設(shè)計時，對抗震性能具有較高的要求，所以需要進行抗震設(shè)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(shè)計和建造更具合理性。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)方案確定的主導(dǎo)因素

2.1 建筑方案應(yīng)受到結(jié)構(gòu)方案的制約

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

2.2 結(jié)構(gòu)類型的選擇應(yīng)綜合考慮

（1）應(yīng)考慮擬建場地的巖土工程地質(zhì)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(chǔ)支撐，這樣的場地類別也多為一類和二類，在抗震設(shè)防烈度也較低的情況下，則可以優(yōu)先采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。但對于在第四紀(jì)土層上的超高層建筑，當(dāng)其抗震設(shè)防烈度需要達到七度或是八度區(qū)時，則宜采用結(jié)構(gòu)自重較輕的混合結(jié)構(gòu)或是鋼結(jié)構(gòu)，這樣可以有效降低地震的作用。

（2）應(yīng)考慮抗震性能目標(biāo)

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

（3）應(yīng)考慮經(jīng)濟上的合理性

超高層建筑工程為了實現(xiàn)效益的最大化，則需要控制好工程造價。針對各種結(jié)構(gòu)特點，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性最好，然后是混合結(jié)構(gòu)，而全鋼結(jié)構(gòu)則造成較高。所以在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件，而且還能夠確保結(jié)構(gòu)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(dāng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，也可以在高框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼來確保柱截面的減小，確保經(jīng)濟效益的最大化。

3 超高建筑結(jié)構(gòu)類型中的混合結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計中，混合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼骨含鋼率中都是由構(gòu)造控制，目前國內(nèi)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和技術(shù)規(guī)程的規(guī)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(qū)別的一個指標(biāo)。在混合結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當(dāng)中，設(shè)計者可根據(jù)計算結(jié)果來設(shè)計柱縱筋和箍筋，并設(shè)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(shè)置

在地震作用或風(fēng)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(nèi)設(shè)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(nèi)設(shè)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(shè)防的高烈度區(qū)，剪力墻底部加強區(qū)的抗震性能目標(biāo)要按中震彈性或中震不屈服設(shè)計，其地震作用下剪力、彎矩很大，更需在墻體內(nèi)設(shè)置型鋼柱。否則，內(nèi)筒邊緣構(gòu)件配筋面積太大，增加了設(shè)計和施工的難度。通過設(shè)置型鋼柱，可取代邊緣構(gòu)件內(nèi)的縱筋。

3.3 關(guān)于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度問題

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

在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了確保結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度能夠更好的滿足變形的要求，則可以通過設(shè)置環(huán)狀桁架或是水平伸臂桁架，這樣可以有效的確保結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和扭轉(zhuǎn)剛度增大，確保能夠更好的滿足結(jié)構(gòu)變形的要求。

4 結(jié)束語

通過科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以更好的將建筑外觀的美感和內(nèi)部空間的良好性體現(xiàn)出來，所以在設(shè)計時需要將建筑表現(xiàn)和結(jié)構(gòu)方案的統(tǒng)一性較好的體現(xiàn)出來，加強建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的有效配合，確保結(jié)構(gòu)總體和結(jié)構(gòu)分體之間的協(xié)調(diào)性，使結(jié)構(gòu)受力更加科學(xué)、合理，從而確保整體建筑的安全性。

參考文獻

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