淺談超高層建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與未來(lái)

陳可瀚

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及社會(huì)人口的急劇增加，使得超高層類的建筑得以迅速發(fā)展，并逐漸成為一個(gè)國(guó)家或者是一座城市的地標(biāo)性建筑，標(biāo)志著其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的成果。超高層建筑最初主要是以銅筋混領(lǐng)土結(jié)構(gòu)為主，但是由于鋼筋混領(lǐng)土自身所具有的體重較大、體積較大的弊端，讓超高層建筑的實(shí)用功能受到了一定的制約。而隨著人們用銅結(jié)構(gòu)代替鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，逐漸避免了之前存在的缺點(diǎn)，增加了超高層建筑的使用功能，使其更具實(shí)用功能。

關(guān)鍵詞：超高層；建筑結(jié)構(gòu)；現(xiàn)狀；發(fā)展

當(dāng)前，超高層建筑在我國(guó)的發(fā)達(dá)城市中日益凸顯，且有許多的超高層建筑已經(jīng)在世界超高層建筑中名列前茅，這也體現(xiàn)出我國(guó)在經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展上的進(jìn)步。超高層建筑在結(jié)構(gòu)體系上的創(chuàng)新，不只是影響著超高層建筑的安全性與經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也對(duì)建筑空間形式以及使用功能的拓展上也具有非常重要的作用，其作為核心技術(shù)一直存在于超高層建筑設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中。

一、超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

我國(guó)建筑業(yè)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)下不斷發(fā)展，數(shù)量急劇上升的同時(shí)，建筑技術(shù)也日趨成熟。在超高層建筑設(shè)計(jì)、施工中，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到整個(gè)建筑的安全性，接下來(lái)我們將詳細(xì)分析建筑的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻體系、全剪力墻結(jié)構(gòu)、避難層等結(jié)構(gòu)組成部分。

（一）框架結(jié)構(gòu)

由于框架結(jié)構(gòu)在高度上存在較大的局限性，在高烈度地區(qū)進(jìn)行規(guī)范限值時(shí)，容易出現(xiàn)過(guò)大的構(gòu)建截面，既不方便使用造成浪費(fèi)，又不符合國(guó)家規(guī)范多道設(shè)防的理念，繼而衍生出了框架一剪力墻體系。剪力墻體系實(shí)現(xiàn)了多道設(shè)防的理念，在建筑物的高度上優(yōu)于框架，對(duì)建筑的承載力、剛度以及延性有很大程度的提高，也具有使用價(jià)值。剪力墻體系只需選取建筑物的一處適當(dāng)位置進(jìn)行一定比例的剪力墻設(shè)置，以達(dá)到讓結(jié)構(gòu)不論是從豎向還是水平位置上都能具有合理的承載力和剛度的目的，更合理的滿足規(guī)范的要求。

通常來(lái)說(shuō)對(duì)空間使用功能有明確要求的建筑，比如說(shuō)寫(xiě)字樓、車(chē)庫(kù)等，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，兩個(gè)體系所扮演的角色存在明顯的差異。剪力墻一般是起到承受水平方向剪力的作用，而框架主要是承受垂直荷載的作用?？蚣芗袅w系中所表現(xiàn)出的位移形式屬于彎剪形。在水平方向承擔(dān)作用力，剪力墻和框架一般是依靠剛度較強(qiáng)的樓板以及連續(xù)梁相連接，從而構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系。剪力墻在超高層建筑結(jié)構(gòu)中所發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)非常多，能夠讓結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向高度提升，水平方向位移降低，框架承擔(dān)的水平方向的剪力在很大程度上降低，同時(shí)豎向方向內(nèi)力更加均勻。所以，框架剪力墻體系的建筑物的框架體系會(huì)在一定程度上低于建筑物的能建高度。

（二）剪力墻體系

我們知道，高層或者超高層建筑物的受力結(jié)構(gòu)往往都是剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)取代的，同時(shí)所有由此代替為剪力墻結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)體系之內(nèi)，單片剪力墻在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)所承擔(dān)幾乎全部水平方向的作用力和垂直方向的荷載作用力。因?yàn)榧袅w系結(jié)構(gòu)屬于剛性，所以在位移過(guò)程中所產(chǎn)生的曲線形式屬于彎曲型。剪力墻體系的自身優(yōu)勢(shì)非常明顯，其具備良好的剛度和強(qiáng)度，延伸性能良好，能夠均勻的進(jìn)行力的傳遞，擁有一定的整體性，這一體系的建筑物出現(xiàn)坍塌的可能性非常的小，因此也被更加廣泛的應(yīng)用到高層或者超高層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，能建高度更大，超過(guò)框架剪力墻結(jié)構(gòu)或者剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

（三）全剪力墻結(jié)構(gòu)

全剪力墻結(jié)構(gòu)自身承擔(dān)的橫向荷載以及豎向荷載皆為剪力墻，并無(wú)框架柱結(jié)構(gòu)。全剪力墻建筑結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同時(shí)利用這種結(jié)構(gòu)的建筑，樓層一般比框架剪力墻結(jié)構(gòu)要高得多。但是全剪力墻結(jié)構(gòu)的缺陷也比較明顯，即是施工建設(shè)成本較高，內(nèi)部空間無(wú)法隨意的進(jìn)行分隔。在實(shí)際的建筑工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)框架剪力墻結(jié)構(gòu)充分而合理的進(jìn)行考慮，如果框架剪力墻結(jié)構(gòu)不能夠符合建筑工程項(xiàng)目的需求，則可以選擇全剪力墻結(jié)構(gòu)。

（四）避難層的設(shè)置

對(duì)高層建筑火車(chē)超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，避難層的設(shè)計(jì)是十分重要的，因?yàn)槿绻邔咏ㄖ蛘叱邔咏ㄖl(fā)生火災(zāi)之后，人們能夠前往避難層，因?yàn)楸茈y層一般來(lái)說(shuō)空間范圍較大，通風(fēng)性能良好。一般情況之下，如果建筑物的高度超過(guò)了100m，就應(yīng)當(dāng)在建筑物中設(shè)置避難層，有助于消防安全。避難層的設(shè)置應(yīng)當(dāng)遵循嚴(yán)格的規(guī)定，第一層和避難層之間的層數(shù)應(yīng)當(dāng)盡可能的控制在十五層之內(nèi)，避難層的面積設(shè)計(jì)必須要符合高層建筑人員避難要求，應(yīng)當(dāng)在避難層位置設(shè)置好消防電梯口，避難層應(yīng)當(dāng)配置完善的消防設(shè)備等。

（五）簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)選擇抗側(cè)力構(gòu)建，簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)建筑體系所包含的形式非常豐富，比如說(shuō)有單簡(jiǎn)體形式、筒中筒形式以及簡(jiǎn)體框架形式等。簡(jiǎn)體體系主要囊括了實(shí)體以及空腹兩種，是空間式的承力構(gòu)件。實(shí)腹筒是一種三維豎向的結(jié)構(gòu)單體，主要是由曲面或者平面墻構(gòu)成，空腹筒通常是由密排柱和開(kāi)孔形式的鋼筋混凝土外墻組成，或者是密排柱和窗裙梁構(gòu)成。簡(jiǎn)體體系的剛度以及強(qiáng)度相對(duì)較大，其中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力非常均勻，抗震性能以及抗風(fēng)性能非常強(qiáng)，該結(jié)構(gòu)一般是應(yīng)用到超高層建筑或者跨度較大的建筑中。

二、超高層建筑結(jié)構(gòu)分析

（一）超高層建筑材料分析

混凝土是最常用的建筑材料，在超高層建筑應(yīng)用上也不例外。鋼材具有強(qiáng)度高、自重輕、彎曲變形量大，施工方便快捷等特點(diǎn)，但因?yàn)殇摬氖軣岷髲?qiáng)度將大幅下降等，限制了純鋼材結(jié)構(gòu)的建筑高度。將鋼與混凝土結(jié)合可以發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，并使它們的缺點(diǎn)得到互補(bǔ)。

（二）抗風(fēng)優(yōu)化

1、平面形狀

平面形狀是承受風(fēng)荷載能力的重要方面。研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平面為圓形、橢圓形、三角形、Y形、月牙形的建筑相對(duì)于矩形平面的建筑而言，對(duì)于風(fēng)荷載作用力的抵抗效果更為出色。此外，通過(guò)將建筑物頂部拐角變?yōu)榈菇?、削角或者圓形化的措施也有助于抗風(fēng)。

2、變截面

隨著高度的增加改變界面的形式也可以有助抗風(fēng)，一般變截面的形式有兩種：①錐形化立面與階梯縮進(jìn)平面；②隨著高度的變化來(lái)改變平面的樣式。研究表明，隨著高度的增加，錐形化立面與階梯縮進(jìn)平面的平面寬度會(huì)逐漸減小，并且產(chǎn)生渦激共振的臨界風(fēng)速也減小。而邊界層內(nèi)的風(fēng)剖面表明，風(fēng)速與高度是成正比的，這就有效地降低了渦激共振給建筑物帶來(lái)的危害。

3、改變局部形態(tài)

在建筑物上適當(dāng)?shù)牧粲卸纯?、附加擾流翼、以及設(shè)計(jì)復(fù)雜的塔冠形態(tài)。研究表明，合適的開(kāi)洞位置，附加擾流翼和復(fù)雜的塔冠形態(tài)都能夠有效的減小風(fēng)致影響。

（三）耗能減震技術(shù)研究

為增加結(jié)構(gòu)抗震，通常把在結(jié)構(gòu)上添加一些能夠減弱機(jī)能，在發(fā)生地震時(shí)能夠吸收所產(chǎn)生的能量從而能夠消能減震，保護(hù)建筑物的結(jié)構(gòu)稱為耗能減震結(jié)構(gòu)。耗能減震結(jié)構(gòu)中所使用的耗能部件按照相關(guān)性可以分為位移相關(guān)性耗能部件和速度相關(guān)性耗能部件。

三、結(jié)語(yǔ)

超高層建筑數(shù)量不斷增加，分布地區(qū)由長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)向全國(guó)其他區(qū)域擴(kuò)展，環(huán)渤海地區(qū)以及部分二線城市超高層建筑發(fā)展迅速。

隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，巨型框架和巨型支撐應(yīng)用較多，鋼—凝土混合結(jié)構(gòu)在超高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。

超高層建筑土建工程造價(jià)約占建筑造價(jià)的30%—40%，隨著塔樓高度的增加，土建造價(jià)將有所提高。

將合適的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化方法，在超高層建筑中通過(guò)具體的建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以同時(shí)達(dá)到減小建筑的風(fēng)致響應(yīng)與保證建筑形態(tài)優(yōu)美的目的。

結(jié)構(gòu)高度越高，長(zhǎng)周期振型越多；超高層建筑總動(dòng)力響應(yīng)中，長(zhǎng)周期模態(tài)的基底剪力占結(jié)構(gòu)地震總響應(yīng)的50%以上；長(zhǎng)周期模態(tài)的傾覆力矩占地震總響應(yīng)的90%以上。長(zhǎng)周期地震作用對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)影響顯著。

耗能減震技術(shù)可有效降低結(jié)構(gòu)的地震作用響應(yīng)，提高超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，是未來(lái)超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展力一向。