復雜高層與超高層建筑結構設計探析

王躍興

【摘要】隨著建筑事業(yè)的不斷發(fā)展與城市化進程的不斷加快，城市中出現了越來越多的復雜高層與超高層建筑，而對于這類建筑的結構設計一直都是一項重難點問題。本文首先分別介紹了復雜高層與超高層建筑的概念，然后結合實際對復雜高層與超高層建筑結構設計要點進行了分析，希望有助于促進我國復雜高層與超高層建筑結構設計水平的進步與發(fā)展。

【關鍵詞】復雜高層建筑;超高層建筑;建筑結構;結構設計

建筑結構日益復雜、建筑高度日益增加是現代建筑的鮮明發(fā)展趨勢，但復雜的建筑結構與更高的建筑高度，也給建筑結構設計帶來了更大難度。如果復雜高層與超高層建筑結構設計不夠科學與合理的話，那么將會給建筑埋下極大的質量安全隱患，乃至造成不可估計的損失與極其惡劣的社會影響。因此有必要加強對復雜高層與超高層建筑結構設計的研究。

1、復雜高層與超高層建筑的概念

1.1復雜高層建筑

復雜高層建筑是指平面和豎向不規(guī)則>2條的高層建筑，其中平面不規(guī)則主要包括凹凸不規(guī)則、扭轉不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等，豎向不規(guī)則主要包括側向剛度不規(guī)則、豎向構件承載力突變、豎向構件不連續(xù)等。

1.2超高層建筑

超高層建筑是指比普通高層建筑高度更高、層數更多的建筑，根據我國現階段對超高層建筑的定義標準，樓層數>40層或建筑高度>100m的建筑物可視為超高層建筑。

2、復雜高層與超高層建筑結構設計要點

2.1地基基礎設計

地基基礎設計的科學性與合理性與否，直接決定著復雜高層與超高層建筑結構的穩(wěn)定性與否，所以應當要重視地基基礎的設計。在實踐中，首先需做好設計前的地基勘察工作，包括勘察施工現場及周邊區(qū)域內是否存在不良地質問題、是否存在老河道、是否存在地下設施、地層結構情況、各巖土層的施工性質、周邊地下水文條件、抗震及設防區(qū)域內的土壤種類和場地類型等;其次需合理進行地基基礎埋深計算，在計算時一要充分考慮到建筑用途、基礎構造和形式、地下設施情況等，二要充分考慮到地基承受的荷載類型與大小，三要充分考慮到現場地質和水文等條件，四要充分考慮到周邊建筑物的基礎埋深度，五要充分考慮到地基土是否存在不良狀況或不良影響;再次需合理進行地基穩(wěn)定性計算和地基承載力計算，在計算時應嚴格依據我國《基礎設計規(guī)范GB50007-2011》中的相關內容，并采取科學的計算方法;最后需合理進行地基變形計算，在計算時應嚴格依據我國《基礎設計規(guī)范GB50007-2011》中的相關內容，并充分考慮到地基沉降量及沉降差、地基傾斜及局部傾斜等問題。例如，當復雜高層與超高層建筑遇到了軟地基時，多會采用樁箱、樁筏等基礎;當深層巖基深入地下不足100m時，多會利用地下連續(xù)墻來加強地基;當巖基較淺時，多會通過增設混凝土樁基的方式來增強基礎支撐。

2.2結構抗側力設計

在復雜高層與超高層建筑結構設計中，需充分考慮到各層不同結構抗側力體系的不同作用，根據實際作用進行優(yōu)化設計。通過合理的結構抗側力設計，不但能保障建筑結構的穩(wěn)定性與安全性，并且還能夠將結構中的不同抗側力構件融合形成一個整體。常見的結構抗側力體系主要有4種：①框架結構體系：由梁+柱構成的框架來承受建筑大部分荷載，自重輕、用材少、剛度強、整體性好、空間分隔靈活、易于標準化和定型化，經合理設置斜撐和矩形框架等后，可用于低烈度區(qū)的復雜高層與超高層建筑;②剪力墻結構體系：充分利用隔墻的豎向與水平承載力，幾何特征和受力形態(tài)獨特，厚度較小、高度與寬度較大，外形美觀、承載力大、剛度強、用鋼量少，以及可承受較強的建筑重力荷載、可抵抗風荷載與地震作用、可同時承受雙向力的作用，缺點是空間布置不夠靈活，多用于復雜高層與超高層住宅、公寓建筑中;③框架-剪力墻結構體系：兼具框架結構體系與剪力墻結構體系的特點和優(yōu)勢，剛度適宜、穩(wěn)定性強、抗震性能好、空間布置較靈活，在低烈度區(qū)的復雜高層與超高層建筑中應用較廣泛;④核心筒結構體系：外圍由梁+柱構成框架、中間由電梯井等作為筒體，抗側力性能佳，有時需另設伸臂桁架與環(huán)帶桁架來增強結構剛度、滿足變形要求，在復雜高層與超高層建筑中應用十分廣泛。在實踐中，應當要根據復雜高層與超高層建筑的實際情況，合理進行結構抗側力體系的選擇。

2.3結構抗震設計

復雜高層與超高層建筑由于建筑高度高、層數多、結構復雜以及人群密度大，所以當遇到地震災害時，受到的威脅極大，而若想最大限度地減輕地震作用對建筑結構的破壞及保護人們的人身財產安全，必須要進行科學的結構抗震設計。在實踐中，首先需結合實際情況和相關規(guī)范合理確定建筑的抗震設防類別，例如有的復雜高層與超高層建筑塔樓1-5層的抗震設防類別為乙類、6層及以上樓層的抗震設防類別為丙類;其次需合理確定抗震性能化設計參數，包括抗震設防烈度、地震動放大系數、小震地震影響系數、水平地震影響系數、罕遇地震影響系數等等，均需按照相關規(guī)范取值;再次需合理確定抗震性能目標，復雜高層與超高層建筑結構構件主要分為三類，分別是普通豎向構件（如裙房高度的框架柱、非底部加強區(qū)的剪力墻）、關鍵構件（如底部加強區(qū)的剪力墻）、耗能構件（如剪力墻連梁、框架梁），應先對其抗震設防類別、震后損失、震后修復難度、成本等問題進行綜合考慮后，再確定抗震性能目標;最后還需進行準確的抗震性能分析和驗算，包括動力彈塑性分析和驗算、基底剪力分析和驗算、彈塑性層間位移角分析和驗算以及連梁、剪力墻的非線性分析和驗算等，注意在多遇地震作用下的結構抗震性能分析和驗算中需采用彈性反應譜分析法和時程分析法、在設防地震作用下的結構抗震性能分析和驗算中需采用彈性反應譜分析法、在罕遇地震作用下的結構抗震性能分析和驗算中需采用彈塑性時程分析法。

2.4幕墻體系設計

復雜高層與超高層建筑中常用的幕墻體系有：金屬幕墻、石材幕墻、玻璃幕墻等。其中玻璃幕墻的應用范圍最為廣泛，因為玻璃幕墻可以增強建筑采光效果、完善結構整體設計、增強結構可靠性、提高建筑節(jié)能效果等。為了進一步優(yōu)化玻璃幕墻的整體性能，可優(yōu)先選用新型節(jié)能玻璃和中空玻璃。另外在幕墻龍骨的安裝中，通常需要進行后錨固，以確保外邊梁高度滿足相關要求。

結語：

綜上所述，復雜高層與超高層建筑均是現代化城市中的常見建筑類型，它們的共同特點是都對建筑結構設計要求很高，因為建筑結構設計關系著建筑質量與安全。在復雜高層與超高層建筑結構設計的實踐中，重點應關注地基基礎設計、結構抗側力設計、結構抗震設計以及幕墻體系設計等問題。

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