超高層建筑結(jié)構(gòu)及設計

張 強，劉 磊

（1.錦州市建筑設計研究院，錦州 121001；2.錦州市園林管理處，錦州 121001）

1 超高層建筑的認定

高層建筑物的普通意思是指具有較多層數(shù)、高度較高的建筑，但是具體達到何種程度算作高層，不同國家有不同的規(guī)定。

聯(lián)合國經(jīng)濟事務部在1974年國際高層建筑會議將高層建筑按高度分為4類：9～16層（最高到50m）；17～25層（最高到75m）；26～40層（最高到100m）；40層以上（建筑總高100m 以上，即超高層建筑）。日本建筑大辭典將5～6層至14～15層的建筑定義為高層建筑，15層以上定義為超高層建筑。我國《民用建筑設計通則》（JG 37—87）將住宅建筑依層數(shù)劃分為：1～3層為低層；4～6層為多層；7～9層為中高層；10層及以上為高層建筑。公共建筑及綜合性建筑總高度超過24m 的為高層建筑，但是高度超過24m 的單層建筑不算高層建筑，超過100m 的民用建筑為超高層建筑。

目前世界最高的高層建筑是位于迪拜的哈里發(fā)塔，169層，高828m。其后依次為臺北市的臺北101大樓，101層，508m；上海的環(huán)球金融中心，101層，492m；香港的環(huán)球貿(mào)易廣場，118層，484m；吉隆坡的佩重納斯雙子大廈，88層，452m；南京的紫峰大廈，89層，450m。

超高層建筑的建造之所以如此之快，除有的城市為有一個高大的形象建筑之外，主要還是超高層建筑能在有效面積的土地上，得以發(fā)揮最大的使用效益。盡管建造超高層建筑需要的費用比一般高層建筑高出很多，但在我國的城市建設中，隨著日益快速發(fā)展的需要、土地使用率的提高，必然會使超高層建筑以更快的速度發(fā)展。

2 我國的高層結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展

2.1 鋼材的國產(chǎn)化

國內(nèi)鋼鐵企業(yè)根據(jù)我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計標準的要求，制訂我國第1部高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的鋼材標準《高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板》（YB 4104—2000），比目前仍在實施的《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》（GB／T 1591—94）又前進了一步，其性能指標優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)設計國產(chǎn)化

國家標準《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》（JGJ 99—98）和《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）等有關高層建筑最大高度和最大高寬比的規(guī)定，在一般情況下，應遵守規(guī)范的規(guī)定，否則應進行專項論證或試驗研究。建設部第111號令《超限高層建筑工程抗震設防管理規(guī)定》和建質(zhì)［2003］46號文《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，對加強高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計質(zhì)量控制意義重大，具有可操作性。

2.3 高層及超高層結(jié)構(gòu)體系

對于高層建筑的劃分，建筑設計規(guī)范、建筑抗震設計規(guī)范、建筑防火設計規(guī)范沒有一個統(tǒng)一規(guī)定，一般認為建筑總高度超過24m 為高層建筑，建筑總高度超過100m 為超高層建筑。

對于結(jié)構(gòu)設計來講，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及擬建場地的抗震、防裂需要結(jié)合經(jīng)濟、合理、安全、可靠的設計原則，選擇相應的結(jié)構(gòu)體系。一般分為6大類：框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框－筒結(jié)構(gòu)體系、筒中筒結(jié)構(gòu)體系、束筒結(jié)構(gòu)體系。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設計方面的原則

3.1 選用適當?shù)挠嬎愫唸D

結(jié)構(gòu)計算建立在計算簡圖的基礎之上，合理的計算簡圖是結(jié)構(gòu)安全的前提條件，若計算簡圖選擇得不合理，輕則造成結(jié)構(gòu)設計不經(jīng)濟，重則產(chǎn)生嚴重的安全事故，因此必須根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，正確選擇計算簡圖。計算簡圖還應依靠與之相應的構(gòu)造措施，以使實際構(gòu)造形式盡量滿足計算假定。

3.2 選擇合適的基礎方案

結(jié)構(gòu)基礎的設計受多方因素的影響，如工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)形式，荷載分布特點，相鄰建筑物之間的相互影響以及施工條件等。設計時應綜合考慮多方面因素，充分發(fā)揮地基承載力，保證基礎方案的經(jīng)濟合理。對于一般建筑物，一般以地基承載力作為設計依據(jù)，對于重要性等級較高的建筑物，還應進行地基變形驗算?；A設計應建立在詳盡的地勘報告基礎之上，且勘探點應滿足相應要求。當?shù)乜眻蟾嫣峁┑牡刭|(zhì)資料不夠詳盡時應進行現(xiàn)場查看，并參考附近已有建筑資料，必要時還需進行補充勘測。一般來說，對同一結(jié)構(gòu)單元應采用同一種基礎類型，當受客觀條件影響無法滿足時，應提供可靠性計算及采取相應的構(gòu)造及加強措施。

3.3 合理選擇結(jié)構(gòu)方案

一個合理的設計必然涉及到結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟合理性，即結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系應切實可行，便于實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)應具有明確的受力構(gòu)件和合理的傳力路徑。尤其在進行結(jié)構(gòu)抗震設計時，還應保證結(jié)構(gòu)平面和空間布置盡量簡單，當結(jié)構(gòu)布置復雜時應盡量劃分為單獨的、簡單的結(jié)構(gòu)。合理的結(jié)構(gòu)方案必然是在綜合考慮工程要求、材料供應情況、工程所處地質(zhì)條件、施工條件等因素的基礎上，通過與建筑、水電、暖通等專業(yè)充分溝通協(xié)商后得到的。

3.4 正確分析計算結(jié)果

隨著計算機技術的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設計計算越來越依賴計算機。但由于市場上各種計算軟件種類繁多，且各自有各自的適用范圍和條件，因此結(jié)構(gòu)工程師在選用軟件之前一定要對其進行全面了解。對于計算機的計算結(jié)果，鑒于各種主客觀因素，如參數(shù)輸入錯誤、計算假定與實際情況的差異以及軟件本身的缺陷等，結(jié)構(gòu)工程師對電算結(jié)果應仔細分析，以做出合理的判斷。必要時還應采用不同的計算軟件相互驗證，而不應不分青紅皂白盲目采用。只有這樣做，才是對結(jié)構(gòu)物負責，也是對自己負責。

3.5 采取相應的構(gòu)造措施

結(jié)構(gòu)設計始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓弱拉”原則，注意構(gòu)件的延性性能，加強薄弱部位。注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執(zhí)行段錨固長度，考慮溫度應力的影響力。在《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》和《建筑結(jié)構(gòu)抗震設計規(guī)范》中都對相應構(gòu)造措施有明確的要求，應當嚴格遵守。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點

4.1 水平荷載成為決定因素

一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的1次方成正比，而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力是與樓房高度的2次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

4.2 軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小、跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；還會對預制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整；另外也會對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與構(gòu)件豎向變形相對照比較，從而進一步進行調(diào)整校對。

4.3 側(cè)移成為控制指標

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應被控制在某一限度之內(nèi)。

4.4 結(jié)構(gòu)延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔軟一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當?shù)拇胧﹣肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

5 高層建筑結(jié)構(gòu)的相關問題分析

5.1 結(jié)構(gòu)的超高問題

在抗震規(guī)范和高規(guī)范中，對結(jié)構(gòu)的總高度有著嚴格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A 級高度以外，還增加了B 級高度，處理措施與設計方法都有較大改變。在實際工程設計中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略此類問題，導致施工圖審查時未通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當巨大。

5.2 短肢剪力墻的設置問題

在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制。因此，在高層建筑設計中，結(jié)構(gòu)工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

5.3 嵌固端的設置問題

由于高層建筑一般都帶有2層或2層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置。因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計算時嵌固端的設置、結(jié)構(gòu)抗震縫設置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

5.4 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題

新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案”。因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

5.5 結(jié)構(gòu)材料選用

更輕、更強、更具有延性的材料是超高層建筑結(jié)構(gòu)材料的首選。鋼筋混凝土、型鋼混凝土、鋼管混凝土和純鋼材料都可作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要材料；而外墻維護多采用玻璃幕墻、鋁合金幕墻鋼塑復合板材等；內(nèi)部隔墻多為輕質(zhì)隔斷；樓層面常選用壓型鋼板加混凝土面層，并在裸露的鋼承重構(gòu)件表面加涂防火涂料。其實，隨著這么多年超高層建筑的蓬勃發(fā)展，中國的超高層設計技術已經(jīng)走在了世界前沿。

6 結(jié)語

在今后的工作中，建筑結(jié)構(gòu)設計人員需要重新認識自己工作的重要性，明確自己的責任，提高對結(jié)構(gòu)設計質(zhì)量安全問題的辨別能力，積累結(jié)構(gòu)設計的工作經(jīng)驗，使建筑結(jié)構(gòu)設計工作逐步進入正軌，使建筑物的設計更安全、更合理。

［1］梅洪元，付本臣.中國高層建筑創(chuàng)作理論發(fā)展研究［R］.高層建筑與智能建筑國際學術研討會，2002.

［2］于險峰.高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點及其體系［J］.建筑技術，2009（6）.

［3］肖 峻.高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設計［J］.中化建設，2008（12）.