廣州某超高層結構體系分析

陳航

【摘要】隨著我國城市化進程的加快，大量高層、超高層建筑涌現，以滿足人口居住及社會需求。同時，隨著科學技術的不斷進步，超高層建筑設計技術與理念不斷更新，需要建筑設計人員依據科學的結構工程原理，利用先進的結構設計技術，合理設計、判斷建筑結構體系，滿足超高層建筑需求。本文主要對超高層建筑結構體系進行概述，并結合工程案例具體分析超高層結構體系設計。

【關鍵詞】超高層建筑；結構體系；混凝土框架

隨著高層建筑技術日益完善，超高層結構理論、技術不斷創新，為超高層建筑設計、建設提供保障。近幾年，大城市人口不斷增長，用地緊張，而超高層建筑有效緩解了這一局面，并為人們提供良好、舒適的生活、工作環境，且憑借美觀外形、高度高而成為地區標志建筑，推動城市發展[1]。在超高層建筑建設中，由于體量、高度的增加使建筑自重增加，施工存在一定困難，需要設計者全面考慮施工條件、結構安全性、結構布局等因素，選擇合理的結構體系，確保建筑安全。

一、超高層建筑結構體系設計標準

按照建筑材料的不同，超高層建筑結構形式主要分為三種類型，即鋼結構、鋼筋混凝土結構、鋼-混凝土結構，其中鋼筋混凝土結構是我國目前常采用的建筑結構形式。同時，根據不同結構體系，可分為剪力墻結構、框架剪力墻結構、核心筒結構、筒中筒結構等[2]。在具體超高層建筑設計中，應根據建筑具體高度、功能要求、投資數額、建筑功能要求等因素，按照安全、經濟、可靠、合理等原則選擇合適的結構體系，確保建筑整體結構具有足夠的剛性、承載力、抗震性能。

分析超高層建筑結構的受力特點可知，在建筑高度增加的情況下，結構水平位移與高度的四次方呈正比例上升關系，且結構承受彎矩也隨之增加。因此，結構具體設計中，地震力、水平風力設計的核心因素。超高層建筑結構設計標準包括：1）結構延性是重要設計指標，由于超高層建筑比較低建筑更柔，其在地震作用下更容易變形，且變形更大。為了確保結構具有較強的變形能力，在設計時，增強結構延性，避免倒塌。2）軸向變形至關重要，超高層建筑具有較大的豎向荷載數值，較大的軸向變形在柱中產生，影響連續梁彎矩，減少連續梁中間支座的負彎矩值。3）水平荷載是決定因素，在超高層建筑結構中，水平荷載對其產生傾覆力矩，并在豎構件中產生軸力，因此，水平荷載的增加、分布不均將直接影響機構的穩定性[3]。4）側移是控制指標，超高層建筑結構設計的關鍵因素是結構側移，隨著建筑高度的增加，側移變形增加，所以，在設計中，應經側移控制在一定限度范圍內。

二、廣州某超高層建筑工程概述

該項目位于廣州市天河區，是集商業、辦公、五星級酒店功能為一體的綜合大樓。地塊面積23419m2，項目總建筑面積42萬m2，由三個塔樓和一個裙樓組成。地下4層，高度為21.38m，其中負一層和負二層有局部夾層，面積110010 m2；地上部分裙樓5層高24.0m，面積28556 m2，西塔17層高65.0m，面積51408 m2，南塔55層高280.0m，面積面積102764 m2、北塔46層高200.0m，面積102764 m2。同時，該施工地土層為人工填土層、沖積層，殘積層，結構體系設定為：西塔—鋼筋混凝土框支剪力墻結構，地下室及裙樓—鋼筋混凝土框架結構，南北塔—鋼筋混凝土核心筒結構。此外，本工程要求結構安全等級為二級，裙樓及其上二層塔樓的抗震設防類型為乙類，其余塔樓樓層為丙類。

三、超高層建筑結構體系選用分析

（一）、裙樓地下室—混凝土無梁樓蓋結構

無梁樓蓋結構指的是不設主梁與次梁，直接通過樓板傳導平面荷載至柱上的結構體系。在具體設計中，為滿足車庫建筑凈高、設備管道布設等因素，需嚴格控制樓蓋結構凈空，考慮普通梁板框架結構滿足建筑條件情況下，其經濟效益和結構性能已不能滿足具體工程需要，故裙樓地下室選用鋼筋混凝土無梁樓蓋結構。通過實際計算對比，整體樓蓋厚度控制于400mm內，對比框架結構的800mm梁高情況多出400mm的凈空。柱與柱間通過板內設置暗梁的方式，保證結構體系的整體性及穩定性，平衡柱端彎矩。同時，于板柱連接位置設置柱帽，增強樓板抗沖切性能， 示意圖如1所示。

圖1 無梁樓蓋示意圖

（二）、西塔（公寓）— 鋼筋混凝土框支剪力墻結構

框支剪力墻結構即下層為框架、上層為剪力墻的結構體系，在該結構中，因建筑要求部分剪力墻不能落地，需要直接落在下層框架梁上，然后荷載有從框架梁轉移到框架柱上[4]。例如，在本工程中，標準層墻體無法落地，故西塔采用鋼筋混凝土框支剪力墻結構，并在合適位置設置轉換層。由于建筑的抗震能力直接受轉換層位置的影響，因此，其位置宜低不宜高，若過高將影響接結構內力傳遞，造成墻體裂縫。在西塔17層結構設計中，在8層處設置轉換層，并采用梁式轉換結構，并在建設中強化轉換層下部框柱、剪力墻剛度，避免在轉換梁上一層墻體上設置門洞[5]。同時，由于轉換層即是下層結構的封頂，又是上層結構的基礎，這樣，轉換層的存在使上下傳力構建無法連續傳遞，轉化層主結構承載豎向傳力，需要對主梁配置加強筋構造，以此提高主梁承受力。

（三）、南北塔樓（辦公室、酒店）—框架核心筒結構

框架核心筒結構體系即由外圍的稀柱框架、鋼筋混凝土核心筒所組成的結構。在本工程中，因塔樓功能需要，樓內凈空及室內空間要求較大，而建筑高度限制了結構梁高。故本工程中，南北塔采用框架核心筒結構。外圍柱距為10m～12m左右，采用鋼管柱，其截面尺寸遠比同等情況下混凝土柱截面尺寸小。同時，主梁采用空心鋼管寬扁梁，配合核心筒墻帽構件共同工作，將梁高壓縮至450mm，既保證整體結構抗震性能，又能滿足建筑使用凈空需要。在具體設計中，由于地下室使用空間需要，塔樓外框柱并不能落于基礎內，經過分析及實際計算對比，最后定于首層對兩根鋼管砼柱進行轉換。

四、結束語

隨著社會經濟的快速發展，建筑將會逐漸向超高層結構發展，超高層建筑的結構體系選擇、設計問題越來越突出。在超高層建筑設計中，設計人員需要全面考慮建筑功能需求、抗震要求、樓層整體結構等特點選擇合適的結構體系，并科學施工，提高工程質量，確保超高層建筑的安全、穩定。

參考文獻：

[1]袁輝.某超高層結構設計與分析[J].建筑工程技術與設計，2014，（13）：149，154.

[2]李亞明，張暉，郝安民等.超高層建筑筒中筒結構體系之探討[J].結構工程師，2013，29（6）：49-53.

[3]孟煥陵，黃維綱.新型混合結構體系在超高層建筑的應用研究[J].地震工程與工程振動，2010，30（1）：69-76.

[4]任萌.超高層建筑結構體系的選擇分析[J].中華民居，2014，（15）：147.

[5]曹瓏芳.超高層建筑結構體系及選型[J].低溫建筑技術，2011，33（12）：52-54.