超高层建筑结构设计的关键性问题研究

刘闯 刘海洋

【摘要】高层与超高层建筑与多层建筑相比体积增大，结构更加复杂，因此对高层与超高层建筑的结构进行设计是非常必要的，直接影响着建筑物的质量。本文对高层及超高层建筑的结构设计进行了分析，以此提高建筑物的质量与功能。

【关键词】高层建筑;超高层建筑;结构分析

1、高层与超高层建筑结构设计的特点

1.1建筑物结构的水平荷载，防止地震力以及风载对建筑物造成影响。高层建筑与超高层建筑的自重以及楼面的荷载所引起的弯矩及轴力仅仅与建筑物总高度的一次方成正比。而建筑物的水平荷载所产生的力矩与轴力相对较大，与建筑物高度的二次方成正比另外，对于一定高度的建筑来讲竖直方向的荷载时一个固定值，而水平方向的荷载，由于受到地震以及风荷载的作用，会随着建筑物的结构特征的不同而发生较大的变化，可见水平方向的荷载作用力在结构设计中的重要性。

1.2建筑结构的轴向变形。在高层以及超高层建筑中，柱体会因为较大的竖向荷载而产生较大的轴向变形，此变形会严重影响到连续梁的弯矩大小，使得连续梁的中间支撑位置的负弯矩值变小，正弯矩值变大，两端的支撑位置处的负弯矩值也随之变大建筑中预制的构件长度要根据轴向的变形值进行调整与制作，因此建筑结构发生较大的轴向变形时，下料的长度会受到严重的影响另外，建筑结构发生轴向变形时还会对建筑构件的剪力以及侧移值的大小造成影响，使其产生影响到建筑物整体安全的结果。

1.3失稳是结构设计中的主要控制目标。与多层建筑相比，高层与超高层建筑对侧移的大小控制是尤为重要的，是建筑结构设计的关键之处。建筑物的高度越大，水平荷载作用下的结构侧移值会越来越大，对此进行控制是尤为重要的，要将侧移值控制在规定的安全范围内。

1.4对建筑结构的抗震性能化设计。使高层及超高层建筑和多层建筑的结构提高关键部位的抗震能力、变形能力，因此当发生地震或者是风荷载作用时发生变形的情况会更多、更严重。要想提高高层及超高层建筑的变形能力，使其在塑性变形后能力不减，避免在地震中发生房屋倒塌的现象，必须在对建筑的结构进行设计时，注意对结构延性的设计，采取相应的措施来提高结构的延性，最终达到提高建筑结构质量的目的。

2、高层与超高层建筑结构设计的主要控制因素

2.1 风载荷的影响。对于高层与超高层建筑结构的设计，由于其高层容易受到风载荷的影响，尤其是一些超高层建筑，其主要控制的因素就是风载荷。大楼设计过程中，不但参考当地的相关设计规范，而且还要进行相关的风洞试验，以提高建筑的抗风载能力。

2.2 地震力的影响。对于地震力的预测，当前的技术条件存在一定的限制，难以对之进行准确预算。即使对地震有深入研究的日本，以无法准确的预算地震的发生时间、地点。所以，高层建筑设计过程中尤其要注意抗地震力的设计。同时，还需要考虑建筑主楼、裙楼在地震力作用下的不同反应。

2.3 地基基础的影响。对于高层建筑与超高层建筑，地基基础发挥了十分重要的作用。在实际的施工过程中药根据不同的地基形态采取稳定性强的地基结构。例如，对于深厚的软地基，高层建筑地基必须选择使用桩筏基础或者桩箱基础。同时，可以根据实际的地质情况采取对应的基础措施：使用深度不大的年轻岩基，通过将现浇混凝土桩基深入岩层中的方式为建筑提供基础支撑;对于深度较大的岩层，例如在地面100m以下，可以利用岩层上层常见的层状冲积土，使用框格式的地下连续墙为建筑提供基础支撑;对于地下基层条件较好的地层，可以采用筏形基础即可。

2.4 建筑功能使用需求的影响。所有的建筑都是以满足其使用功能需要而建设的，因此建筑结构设计必须以此条件为基础，这是一个不能忽视的问题。在设计过程中，需要考虑到建筑的艺术性、使用功能需要以及经济性等多个方面的要求。同时，在设计时还必须保证所设计的结构能够在既有施工技术条件下实现，而且保证当前的建筑材料必须达到设计使用需求，这是建筑结构设计需要控制的一个重要因素。

3、高层与超高层建筑结构设计策略

3.1 合理减小框架中的柱距与梁距

主要是减小柱距，建筑框架是将梁、柱通过刚性连接的方式组合而成的刚性体系，整个结构体系的抗推刚度受梁、柱截面与数量的直接影响，通过减小柱距能够有效的提高整个结构体系的刚度。另外减小粱距，通过增加框架中梁的数量，不但可以减小框架在载荷作用下的总变形，而且还可以增加柱子在轴力作用下形成的力偶，使得其能够更好的抵抗结构体系的总力矩。

3.2 充分发挥梁柱的组合效果

通过简单的减小柱距、梁距，虽然能够在一定程度上达到提高框架体系抗推刚度的目的，但是不能从根本上改善框架的整体效能。这时结合增加梁、柱数量的方式，不但能有效增加框架的整体抗推刚度，而且还能够提高框架的抗风载荷能力。

3.3 采用弯一剪双重结构体系

弯一剪双重抗侧力结构体系，就是指通过采用弯曲型与剪切型两种不同变形性质的构件形成一个完整的结构体系。两种不同类型的构建通过在各个不同楼板中联系起来进行协同工作，明显减小了整个建筑结构的顶点位移与下部各楼层的层间位移。在水平力的作用下，单独的框架整体变形是典型的剪切变形，其上部层间侧移相对较小，而下部的层间侧移则较大。而单独的剪力墙则是弯曲型变形，其层间侧移为上部大、下部小。

3.4 合理设置刚臂

对于建筑平面是方形布置的高楼，当采用芯筒一框架体系时，因为大部分的侧向力是由芯筒来承担的，这使得整栋建筑的侧移曲线基本上是由芯筒的变形直接控制的。在水平载荷的作用下，芯筒以弯曲变形为主。同时，由于芯筒的平面尺寸还受到建筑的竖向服务性设施面积影响，直接造成了芯筒的高度与宽度比值较大的问题。为了达到减小建筑结构侧移的目的，可以在高层建筑中每相隔十来层布置一个设备层，在其中添加桁架，形成刚臂。这样将能够使得芯筒與外围的框架柱连接为一体，使得结构的外柱也可以参与到结构的整体抗弯体系中，有效的一直了芯筒各个水平截面，尤其是顶部截面的倾斜，有效减少了建筑各个岛层建筑结构的侧向位移。

4.结语

在高层与超高层建筑设计过程中，基于建筑混凝土整体结构设计的多项要求，提高建筑结构的整体稳定性。除此之外，还必须重视施工过程中的材料选择控制，还必须考虑施工现场的运输条件以及养护作业技术水平等，确保施工条件能够有效的支撑起建筑的结构设计体系，使得建筑结构体系达到对应的要求。

参考文献

[1]朱向东.深圳市供电局复杂超高层住宅结构设计[J].四川建筑科学研究，2010，36（3）.

[2]戴征志.对高层建筑转换层结构设计的探讨[J].现代企业文化2010（15）.