超高層建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)想和設(shè)計(jì)

劉偉

（天津市長(zhǎng)城建筑設(shè)計(jì)有限公司，天津 300041）

根據(jù)我國(guó)法律規(guī)定：建筑高度超過(guò)100m時(shí)，不論住宅及公共建筑均為超高層建筑。超高層建筑的建造之所以發(fā)展速度快，是因?yàn)楦邔咏ㄖ茉谟行娣e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(fèi)用較高，但在我國(guó)的城市建設(shè)中，隨著城市化日益快速發(fā)展的需要，為土地使用率的提高，必然會(huì)使超高層建筑快速發(fā)展。

1 超高層建筑的不同之處

超高層建筑與一般高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異

1.1 從房屋高度上，超高層建筑的房屋高度在100m以上直至有幾百米，而一般高層建筑的房屋高度則是在100m以下。

1.2 超高層建筑由于消防的要求，須設(shè)置避難層，以保證遇到火災(zāi)時(shí)人員疏散的安全。對(duì)于這些安放有設(shè)備設(shè)計(jì)除考慮實(shí)際的荷載之外，更需考慮設(shè)備的振動(dòng)對(duì)相鄰樓層使用的影響。同時(shí)，這些樓層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，可用來(lái)設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。

1.3 超高層建筑的結(jié)構(gòu)類型選擇上相對(duì)要廣，除了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外，還有全鋼結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。而一般高層建筑結(jié)構(gòu)除了特殊條件需要者外，多為鋼筋 混凝土結(jié)構(gòu)。

1.4 超高層建筑的平面形狀多為方形或近似，對(duì)于矩形平面其長(zhǎng)寬比也是在2以內(nèi)，尤其抗震設(shè)防的高烈度地區(qū)更應(yīng)采用規(guī)則對(duì)稱平面。否則，在地震作用時(shí)由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大，易受到損壞。而一般高層建筑平面形狀選擇余地要大。

1.5 超高層建筑的基礎(chǔ)形式除等厚板筏基和箱基外，由于平面為框架.核心筒或筒中筒，同時(shí)，由于基底壓力大要求地基承載力很高，除了基巖埋藏較淺可選擇天然地基外，一般均采用樁基。

1.6 房屋高度超過(guò)150m的超高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，既要滿足舒適度，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度的控制也要滿足相關(guān)規(guī)定要求，但是高層建筑設(shè)計(jì)不需要考慮上述問(wèn)題。

1.7 只有經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)專家的評(píng)估和論證，必要時(shí)還須進(jìn)行振動(dòng)模型試驗(yàn)，才能確保工程的安全。而一般高層建筑的房屋高度多在規(guī)范容許高度范圍并已有大量的科研成果和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，除非是特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，是不需要進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查的。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)方案

2.1 抗震設(shè)防烈度是超高層結(jié)構(gòu)體系選用首要考慮因素《抗規(guī)》中規(guī)定，對(duì)于房屋高度超過(guò)100m的高層建筑，不同的抗震設(shè)防烈度，房屋高度也是不相同的。顯然，抗震設(shè)防烈度6度最有利于建造超高層建筑。因?yàn)榈卣鹱饔锰?，要滿足三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防性能目標(biāo)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸大，用材指標(biāo)很高，并導(dǎo)致工程造價(jià)也相當(dāng)高。

2.1.1 超高層建筑方案應(yīng)受到結(jié)構(gòu)方案的制約，建筑專業(yè)是民用建筑設(shè)計(jì)中的龍頭專業(yè)，一個(gè)具有較強(qiáng)建筑方案能力和有經(jīng)驗(yàn)的建筑師在建筑方案時(shí)應(yīng)考慮到建筑結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)方案具有可實(shí)施性。 而對(duì)于超高層建筑方案更應(yīng)首先就要考慮結(jié)構(gòu)方案的可行性，保證居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

2.1.2 超高層建筑結(jié)構(gòu)體系中結(jié)構(gòu)類型的選擇，應(yīng)該根據(jù)擬建場(chǎng)地的巖土工程地質(zhì)條件和抗震性能目標(biāo)的確定及經(jīng)濟(jì)的合理性綜合考慮。擬建場(chǎng)地的巖土工程地質(zhì)條件，是合理選擇超高層建筑的結(jié)構(gòu)類型時(shí)要考慮的因素之一。

2.2 抗震設(shè)計(jì)時(shí)，所確定的抗震性能目標(biāo)是超高層建筑結(jié)構(gòu)選型應(yīng)考慮的另一因素。一般而言，超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍存在結(jié)構(gòu)超限。一般抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)要求豎向構(gòu)件承載力達(dá)到中震不屈服或剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)達(dá)到抗剪中震彈性，受彎及框架柱 達(dá)到中震不屈服。

2.2.1 采用合理的結(jié)構(gòu)類型，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性。通常從工程造價(jià)上比較，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最低，其次是混合結(jié)構(gòu)，最高則是全鋼結(jié)構(gòu)。一般混合結(jié)構(gòu)的采用應(yīng)考慮有利于降低工程造價(jià)。另外，超高層建筑結(jié)構(gòu)中的豎向承重構(gòu)件由于截面積大而會(huì)使建筑有效的使用面積減小。

2.2.2 超高層建筑結(jié)構(gòu)類型的選用，施工的合理性應(yīng)是考慮的又一因素 超高層建筑的房屋高度多在150m以上。房屋高度愈高，施工難度愈大，施工周期也愈長(zhǎng)。一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑出地面以上的樓層施工進(jìn)度慢，施工難度很大。所以，不同結(jié)構(gòu)類型，施工進(jìn)度各不相同。因此，設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同的房屋高度和業(yè)主對(duì)工程施工進(jìn)度的要求，綜合考慮以選擇合理的結(jié)構(gòu)類型。

2.3 超高建筑結(jié)構(gòu)類型中的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用型鋼混凝土梁，粱的縱筋要穿越柱的腹板或焊接在設(shè)置于型鋼柱翼緣的鋼牛腿上，而型鋼柱的箍筋除穿越柱腹板外還要穿越型鋼梁的腹板。它與全鋼結(jié)構(gòu)相比，即使加上鋼筋用量后總用鋼量也要低，相應(yīng)總的工程費(fèi)用也低。同 時(shí)，由于混合結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)構(gòu)件是鋼筋混凝土核心筒，其抗側(cè)剛度大于鋼支撐，這就是混合結(jié)構(gòu)目前廣泛用于超高層建筑結(jié)構(gòu)的主要原因。

2.4 超高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

超高層建筑一般多設(shè)二層或更多層的地下室，其基礎(chǔ)的埋置深度均能滿足穩(wěn)定要求。而對(duì)于基巖埋藏較淺無(wú)法建造多層地下室不能滿足埋置深度要 求的，則可設(shè)置嵌巖錨桿來(lái)滿足穩(wěn)定要求。

2.4.1 天然地基基礎(chǔ)。對(duì)于基底砌置在砂、卵石層的建筑，多是采用等厚板筏形基礎(chǔ)。但也有工程采用箱形基礎(chǔ)。

2.4.2 樁基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。超高層建筑的樁基礎(chǔ)，由于基底壓力大，要求的單樁豎向承載力較高，因此，均采用大直徑鉆孔灌注樁或有條件的工程場(chǎng)地采用大直徑人工挖孔擴(kuò)底灌注樁。樁端持力層的選擇應(yīng)考慮層厚較大和密實(shí)的砂、卵石層或中風(fēng)化、微風(fēng)化基巖，以減少樁端沉降變形。

3 超高層建筑的技術(shù)及措施

3.1 連廊弱連接支座留足連廊兩端活動(dòng)空間確保不出現(xiàn)下墜，采用抗拉鉸接萬(wàn)向支座，并用側(cè)面限位器固定，確保水平荷載直接傳遞到塔樓主結(jié)構(gòu)。支承連廊的框架柱抗震等級(jí)提高為一級(jí)，以確保安全性。

3.2 連廊及頂部塔樓結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施。連廊采用空間鋼結(jié)構(gòu)桁架，鋼筋混凝土樓板的形式，并進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。頂部蓮花座高度較高且外形復(fù)雜，采用將芯筒適度上升，外復(fù)鋼結(jié)構(gòu)形成蓮花座外形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能極大地減輕自重保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而有效克服鞭梢效應(yīng)，且施工方便。

3.3 平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則抗震加強(qiáng)措施。主要采取調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置，使質(zhì)心與剛心盡量重合，并加大結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，以減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)各樓層的位移比限制在規(guī)定范圍之內(nèi)。

結(jié)語(yǔ)

超高層建筑雙塔結(jié)構(gòu)是一種非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)超高層建筑結(jié)構(gòu)已成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。超高層建筑應(yīng)采用合理的計(jì)算模型，通過(guò)多種分析進(jìn)行比較，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的，因此設(shè)計(jì)者要足夠重視抗震設(shè)計(jì)。

[1]秦榮.高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]范躍虹，黃宗襄，林振聲.超高層和大型公共建筑設(shè)計(jì)、施工與研究[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

[3]王有為，王清勤，葉青.超高層住宅建筑發(fā)展研究[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.