淺談超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

余彬彬

【摘要】我國是超高層建筑大國，當(dāng)前超高層建筑已經(jīng)成為城市建設(shè)發(fā)展的熱點(diǎn)，各地超高層建筑項(xiàng)目眾多。因超高層建筑高度超高、造型新奇，其對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提出了更高的要求，本文對超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述，希望能為超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)要點(diǎn)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.07.027

1、我國超限高層建筑發(fā)展概述

自21世紀(jì)以來，伴隨著我國改革開放的深入和綜合國力的增強(qiáng)，高層建筑在我國迅猛發(fā)展。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2020年，全球350米以上的超高層建筑共72座，其中中國大陸占31座，表1中列出了我國部分超高層建筑數(shù)據(jù)，可見中國已經(jīng)成為超高層建筑的大國。同時(shí)超高層建筑的分布區(qū)域也進(jìn)一步擴(kuò)大，從一線及沿海地區(qū)，擴(kuò)展到二、三線城市。隨著超高層建筑在我國的蓬勃發(fā)展，建筑高度不斷刷新、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜程度提升，這就對超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜性主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是高度超限，其次是結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，主要體現(xiàn)在平面布置不規(guī)則和豎向布置不規(guī)則。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注并重視設(shè)計(jì)中關(guān)鍵性的問題，才能保障設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

2、注重結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

由于超限高層自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，方案階段的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)對整個(gè)設(shè)計(jì)過程有著十分重要的影響，選擇合適合理的結(jié)構(gòu)體系，對后期的初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)具有極大的幫助。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該重視方案階段的概念設(shè)計(jì)，同時(shí)要與建筑師積極配合、理解建筑師的意圖，提出并選擇傳力清晰、能夠高效利用材料效率的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)應(yīng)注重以下幾點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的整體性和合理的耗能機(jī)制，二是盡可能保障結(jié)構(gòu)的規(guī)則性（包括平面和豎向）和均勻性，三是選擇合適的抗側(cè)力體系，宜形成多道抗震防線，充分保障結(jié)構(gòu)安全性。

3、選擇合適的結(jié)構(gòu)體系

選擇合適的結(jié)構(gòu)體系才能夠保證結(jié)構(gòu)發(fā)揮出最佳功能，結(jié)構(gòu)體系選擇需要綜合考慮多方位因素，包括建筑功能需求、施工條件、經(jīng)濟(jì)等因素。高層建筑中通常采用的結(jié)構(gòu)形式包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)等。我國的超高層建筑大多數(shù)采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，并且使用混合結(jié)構(gòu)和組合構(gòu)件成為主流。每一種結(jié)構(gòu)體系都有自身的受力特點(diǎn)和適用條件，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)項(xiàng)目情況，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。通常，框架-核心筒體系適用于300米以下超高層，300米以上超高層則需要選用筒中筒、巨型結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)體系。建筑不同高度常用的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系如表2所示，其中高度超過200米以上的結(jié)構(gòu)常用體系如圖1所示。

眾所周知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有可塑性強(qiáng)、造價(jià)較低等優(yōu)勢，但有自重大、結(jié)構(gòu)延性低、施工速度慢等缺點(diǎn);鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、延性良好等優(yōu)點(diǎn)，但其造價(jià)高、防火性能差。兩種結(jié)構(gòu)體系的不足都限值其應(yīng)用的范圍。當(dāng)前，混合結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)成為了超高層建筑主流形式;據(jù)統(tǒng)計(jì)，已混合結(jié)構(gòu)為主的超高層建筑占總量的95%以上，但需要關(guān)注混合結(jié)構(gòu)的阻尼比、結(jié)構(gòu)整體的協(xié)調(diào)工作性能等方面。

4、合理控制結(jié)構(gòu)自重

對高度超過250米以上的超高層統(tǒng)計(jì)分析表明，其平均質(zhì)量大約為13至21kN/m，平均質(zhì)量隨著高度的增加而增大，對于400米以上建筑，其平均質(zhì)量大約分布在17至21 kN/m。設(shè)計(jì)中選擇合適的輕質(zhì)材料，可以有效降低結(jié)構(gòu)自重、提高施工速度。

5、荷載的選取

5.1地震荷載

地震荷載的正確選取，對結(jié)構(gòu)分析具有至關(guān)重要的作用。確定地震荷載需要

關(guān)注以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）由于超限高層高度往往較高，結(jié)構(gòu)自身“較柔”，其結(jié)構(gòu)自振周期往往較大，處于規(guī)范中地震影響系數(shù)曲線的下降段后的直線段，甚至超過規(guī)范曲線的最大值6秒，達(dá)到接近9秒。此時(shí)國內(nèi)專家建議可在規(guī)范基礎(chǔ)上直接將直線下降段延伸至10秒。

（2）注意核實(shí)項(xiàng)目是否有安評要求。根據(jù)《地震安全性評價(jià)管理?xiàng)l例》（2017年修正），對于國家重大建設(shè)工程，省、自治區(qū)、直轄市認(rèn)為對本行政區(qū)域有重大價(jià)值或者有重大影響的其他建設(shè)工程須進(jìn)行地震安全評價(jià)。對于須進(jìn)行安評的項(xiàng)目，地震動(dòng)有關(guān)參數(shù)須執(zhí)行安評結(jié)果，對于安評結(jié)果小于抗震規(guī)范的，宜按抗規(guī)執(zhí)行。

（3）注意地震波的選取。超限高層往往需要進(jìn)行時(shí)程分析，抗規(guī)中規(guī)定對于高度超限的建筑應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震的補(bǔ)充分析，高規(guī)中規(guī)定對于高度超過200米的建筑，應(yīng)采用彈塑性時(shí)程分析法。時(shí)程分析是將實(shí)際地震實(shí)測得到的地震加速度數(shù)據(jù)輸入結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程求解結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng);因此選取地震波是時(shí)程分析的首要步驟，同時(shí)確定合適的輸入地震波是保證結(jié)構(gòu)時(shí)程分析結(jié)果準(zhǔn)確性的重要前提。目前，結(jié)構(gòu)分析軟件大部分都自帶地震波庫，如國產(chǎn)商業(yè)化軟件PKPM，YJK，可以比較便捷地進(jìn)行選波;另外美國太平洋地震工程研究中心Pacific Earthquake Engineering Research Center（簡稱PEER地震波數(shù)據(jù)庫）中提供了大量的世界各地的地震記錄，也可根據(jù)實(shí)際需求在其中選取合適的地震波。地震波選取過程需要注意以下幾點(diǎn)：

①地震波的有效持續(xù)時(shí)間一般為結(jié)構(gòu)基本周期的5-10倍;有效持續(xù)時(shí)間從首次到達(dá)該時(shí)程曲線最大峰值的10%算起，到最后一點(diǎn)達(dá)到最大峰值的10%為止。

②數(shù)量要求：一般可選用3條地震波或7條地震波，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不少于總數(shù)量的2/3。

③統(tǒng)計(jì)意義上相符：多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜發(fā)所采用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%。

④基底剪力：每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。計(jì)算結(jié)果也不能太大，每條地震波輸入計(jì)算不大于135%，平均不大于120%。

5.2風(fēng)荷載

超限高層屬于剛度小柔性大的結(jié)構(gòu)，對于風(fēng)荷載敏感，以此抗風(fēng)設(shè)計(jì)也是超

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方面。隨著建筑高度的增加，風(fēng)荷載有可能成為結(jié)構(gòu)的控制水平荷載;對于高度超過300米、體型復(fù)雜及高寬比>6的建筑，風(fēng)荷載往往是控制水平荷載。超高層建筑的風(fēng)荷載主要包括靜態(tài)荷載（即平均風(fēng)荷載）和動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載（包含脈動(dòng)風(fēng)湍流荷載和風(fēng)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的慣性力加速度）?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)除了應(yīng)關(guān)注風(fēng)荷載作用下的承載力設(shè)計(jì)，還應(yīng)該關(guān)注正常使用狀態(tài)下的舒適度要求。對于風(fēng)荷載的確定時(shí)應(yīng)注意，《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》GB55001-2021中指出，體型復(fù)雜、周邊干擾效應(yīng)明顯或風(fēng)敏感的重要結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。利用風(fēng)洞試驗(yàn)等方法，可以得到更為精確的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載數(shù)值。由于超限高層的高度較高，正常使用時(shí)，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下可能會(huì)產(chǎn)生較大擺動(dòng)，會(huì)影響人們使用時(shí)的舒適感，因此對于風(fēng)作用下的舒適度控制也十分必要。通常結(jié)構(gòu)是通過增大抗側(cè)剛度來滿足舒適度要求，但對于超高層建筑往往不經(jīng)濟(jì)，另一種方式是通過設(shè)置減振裝置，如調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD、調(diào)諧液體阻尼器TLD等。上海中心大廈、臺(tái)幣101大廈都設(shè)置了調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD，廣州電視塔和蘇州國金中心巧妙將消防水箱設(shè)計(jì)用于調(diào)諧液體阻尼器TLD，此類抗風(fēng)阻尼器可以有效減小結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)致加速度，抵抗強(qiáng)風(fēng)荷載，保證結(jié)構(gòu)的舒適度。

6、重視對分析結(jié)果合理性的判斷

目前結(jié)構(gòu)分析可采用的軟件比較多，如國產(chǎn)軟件PKPM系列、YJK系列，國際通用軟件ETABS、SAP2000、MIDAS、ABAQUS等。對于軟件分析結(jié)果，不能盲目采納，應(yīng)進(jìn)行分析判斷，確認(rèn)其合理、有效后才能作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。對于超限高層建筑通常需要采用至少兩種不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，并相互校核。超高層建筑設(shè)計(jì)均需進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，對于確定的性能目標(biāo)，需要一一判斷結(jié)構(gòu)是否滿足小震、中震、大震下的抗震性能目標(biāo)，從而保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性。

7、其他需要關(guān)注的問題

（1）關(guān)注復(fù)雜結(jié)構(gòu)部分（連體結(jié)構(gòu)、大懸挑結(jié)構(gòu)）豎向地震作用效應(yīng);對于大跨度懸挑、連體部分需要考慮豎向地震作用的影響。

（2）關(guān)注大跨度樓板、大懸挑結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)舒適度。樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度，高規(guī)中規(guī)定樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3Hz，并給出了豎向振動(dòng)加速度峰值限值;對于大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)，其豎向自振頻率較低，與人行走頻率比較接近，容易產(chǎn)生樓面共振，引起人的不適，因此需要關(guān)注此類結(jié)構(gòu)的樓板振動(dòng)舒適度問題。

（3）基于超限高層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，往往會(huì)出現(xiàn)比較復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)，對于這些局部節(jié)點(diǎn)，整體分析模型通常無法計(jì)算分析，需要將這些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)行分析或進(jìn)行節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證其可靠性和安全性。

（4）對于高度>400米的或結(jié)構(gòu)形式特別復(fù)雜的超限高層可以利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果來判斷計(jì)算模型是否準(zhǔn)確合理、所采取的抗震措施是否能達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)也可以通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)來測定模型在小震、中震、大震下的阻尼比。例如，天津高銀117大廈進(jìn)行了1：40整體模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得到預(yù)期地震下的響應(yīng)，從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性和抗震性能。

（5）考慮施工過程影響，進(jìn)行施工模擬分析。超限高層豎向構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生較大的豎向變形，同時(shí)由于內(nèi)外豎向構(gòu)件（如核心筒和外框架柱）之間剛度差異較大引起的豎向變形差，會(huì)導(dǎo)致連接的水平構(gòu)件產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，因此需要根據(jù)施工過程進(jìn)行合理的施工模擬分析，才能得到真實(shí)的構(gòu)件內(nèi)力。超高層建筑的混凝土收縮徐變造成的豎向變形占總變形的30%-40%，應(yīng)引起足夠的重視。對于一些復(fù)雜關(guān)鍵構(gòu)件可采用延遲安裝技術(shù)來減緩構(gòu)件的附加內(nèi)力。例如CCTV新臺(tái)址主樓因結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜（塔樓傾斜、空間連體及大懸臂），施工過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形復(fù)雜，因此對施工過程進(jìn)行了全程跟蹤模擬分析，并對大懸臂與塔樓相連部位的關(guān)鍵構(gòu)件采取了延遲安裝措施，有效的減小其成型后的內(nèi)力。

（6）合理運(yùn)用消能減震裝置。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過增加結(jié)構(gòu)剛度來抵抗地震作用，利用結(jié)構(gòu)自身來耗散地震能量，容易造成結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重;減震技術(shù)是通過合理設(shè)置耗能減震裝置來耗散地震能量、降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。2021年國務(wù)院頒布的《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》規(guī)定，位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)等需要按國家有關(guān)規(guī)定采取隔震減震等技術(shù)，這將進(jìn)一步推動(dòng)減震技術(shù)在超高層中的運(yùn)用實(shí)踐。例如，位于8度（0.2g）的云南省昆明市滇池會(huì)展中心（結(jié)構(gòu)高度299.7m）組合運(yùn)用速度相關(guān)性阻尼器和位移相關(guān)性阻尼器，在多遇地震下通過速度阻尼器耗散能量，設(shè)防和罕遇地震下，速度阻尼器耗能能力降低，位移阻尼器開始逐步發(fā)揮作用;各類阻尼器分階段發(fā)揮作用，有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。

（7）合理運(yùn)用高性能材料減輕結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前隨著高強(qiáng)度混凝土泵送技術(shù)也不斷進(jìn)步，C60以上高強(qiáng)度混凝土已經(jīng)廣泛應(yīng)用于超高層建筑;高性能鋼材也不斷應(yīng)用于超限高層，如Q390，Q420，Q460鋼材已成功應(yīng)用于CCTV新臺(tái)址主樓。

（8）合理利用BIM等創(chuàng)新技術(shù)輔助超高層設(shè)計(jì)及施工。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法信息化和可視化水平均不高，而超高層的設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工難度大，BIM技術(shù)作為現(xiàn)代建筑領(lǐng)域的新方式，可以通過高度可視化、可模擬等等優(yōu)點(diǎn)，可以減少各專業(yè)之間的沖突、盡早發(fā)現(xiàn)并解決問題，輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工。

結(jié)語：

綜上所述，本文對超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述，由于超高層建筑具有超高、造型新奇、功能復(fù)雜等特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)人員對各方面因素進(jìn)行充分考慮，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目特點(diǎn)落實(shí)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，從而保證超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

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