超高層建筑結構設計中的關鍵性問題探究

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摘要：近些年來，在城市建筑中，超高層建筑數量不斷增加，超高層建筑的結構設計作為影響其安全的重要因素，得到越來越多的重視。超高層建筑的功能、受力、力傳遞途徑等與高層建筑、多層建筑有許多不同，其結構設計面臨的問題也更為復雜。本文就對超高層建筑結構設計中的關鍵性問題展開探討，以期提供超高層建筑結構設計水平，有力保障超高層建筑的安全。

關鍵詞：超高層建筑；結構設計；關鍵性問題；探討

隨著城市化進程的不斷加快，城市土地資源日益緊張，為提高建筑使用面積，只能不斷增加建筑高度，導致100m以上的超高層建筑越來越多。在建筑高度增加后，不僅垂直豎向荷載會成倍增加，其水平荷載也會對建筑結構安全產生極大影響，所以，在超高層建筑結構設計中，需要充分考慮各方面受力因素，在保證結構安全的基礎上，提高建筑舒適性。

一、超高層建筑結構概述

在超高層建筑中，常見的結構體系主要有框架結構、框剪結構、剪力墻接頭、框筒結構、束筒結構以及筒中筒結構中；結構設計的內容主要有鋼筋混凝土結構設計、型鋼混凝土結構設計、全鋼結構設計以及鋼管混凝土結構設計等。在超高層建筑材料中，應用最為普遍的是鋼筋混凝土材料，其原因是鋼筋混凝土具有良好剛度、耐久性，建設成本和維護費用都相對較低。

在超高層建筑結構設計中，首先要考慮結構的安全性，再根據高度、施工環境等，從多個設計方案中，選擇經濟性最佳的方案，這就需要了解結構體系的優缺點。其中，框架結構體系主要包括是利用梁、柱來承擔水平和豎向荷載，具有布置靈活、空間大等優點；剪力墻結構是通過橫向、縱向墻體來承擔水平和豎向荷載的，采用的多是鋼筋混凝土，能夠有效提高超高層建筑抗震性能；框剪結構綜合了框架結構、剪力墻結構的優點，結構布局靈活方便，抗側能力較佳，但如何做好剪力墻設置成為結構設計的重點[1]。

二、超高層建筑結構設計中的關鍵性問題分析

（一）基礎設計

在所有的建筑設計中，基礎設計都是最為基本、最為重要的設計內容，基礎設計的水平會直接影響整個超高層建筑結構的穩固與安全。超高層建筑基礎設計主要是埋置深度、地基承載力的設計，充分保證地基的穩固性，減少地基變形，預防建筑傾斜。

在超高層建筑基礎中，由于建筑高度較高，上部結構建筑荷載相對較大，對基礎的承載能力要求較高，需要采用樁基礎的設計方式，來提高基礎的承載值，樁基礎的深度需要根據承載力要求、地質條件等來確定，確保樁端深入到持力層中；同時，還要做好地基的處理，尤其是不良地基，需要通過排水固結、預壓加固等方式，提高地基的密實度，降低地基含水率，控制地基變形和沉降，使其發揮良好的基礎作用。

（二）嵌固端問題

在超高層結構設計中，為提高地下空間利用率，通常會設置兩層或以上的地下室，如此以來，超高層的嵌固端只能選擇在地下室頂板上。在設計嵌固端時，需要保證埋置深度的合理，滿足建筑結構整體穩定的要求，同時起到減輕地震反應的作用，預防嵌固端設計不合理造成的設計變更，影響超高層建筑結構的安全。

（三）超高承重問題

超高承重問題是超高層建筑設計中常見的問題，其發生原因主要是忽視了結構類型改變。在我國超高層建筑相關設計規范中，對超高層建筑抗震能力、高度等都作出了明確規定，因此，在超高層建筑結構設計時，需要加強審核，確保設計方案符合相關規范的要求，避免超高承重問題發生。

（四）扭轉問題

在超高層建筑結構設計中，剛度中心、幾何形心、結構重心是設計的關鍵點，必須保持三心的重合，才能有效保證建筑結構的穩定、可靠，一旦出現三心不重合情況，在水平壓力作用下，超高層建筑就會發生扭轉問題，危及建筑本身的安全。因此，在超高層建筑設計中，需要做好平面布局的合理分布，確保剛度中心、幾何形心、結構重心重合在一起[2]。

（五）受力性能問題

受力性能是超高層建筑結構設計的重要因素，對于超高層建筑來說，主要需要有風荷載設計、結構抗側力設計以及抗震設計，設計方法為：

1.風荷載設計

在風荷載設計時，需要對建筑物表面風壓進行風洞模擬試驗，確定風荷載設計的參數。其中，風洞模擬試驗的內容主要有：（1）調試大氣邊界層，確保風洞試驗使用的邊界層達到荷載規范的相關規定；（2）建立試驗模型，根據建筑項目實際情況，以一定比例，建立對應的項目精細模型，布置位置、數量適宜的測點，進行群體風洞試驗，測試風壓分布情況；（3）風壓測試與計算：從0°風險開始，以15°為間隔，共進行24個風向的風壓測試，計算圍護結構承受風壓值。（4）試驗結果：通過風洞試驗，可以得到超高層建筑塔樓外表面、女兒墻表面以及裙樓里面的最高正綜合和最低負綜合風壓值、對應的風向角以及部位等。

根據風洞試驗的風壓測試結果，對超高層建筑結構進行風振計算，可以得到結構頂層在X向、Y向的加速度峰值，再通過等效靜風荷載，可以得到基底傾覆力矩與風向角之間的對應關系，確定等效基底傾覆力矩最大值，作為超高層建筑風荷載設計的參照值。

2.結構抗側力設計

在超高層建筑結構設計中，為提高結構抗側力，通常采取外圍環狀框架鋼梁連接內圍鋼管混凝土柱的方式，具體連接方式有剛性連接和鉸連接，其中，剛性連接能夠起到增強結構整體側向剛度、減少結構層間位移角和水平位移的作用，但設計和施工較為困難，施工成本也相對較高；鉸連接設計較為簡單，施工成本也低，但結構抗側力也會相應降低，結構層間位移角、水平位移會增大。因此，為提高超高層建筑結構設計，應當采用剛接方式，將外圍環狀框架鋼梁與鋼管混凝土柱連接起來。

此外，伸臂結構也是提高超高層建筑結構抗側力的有效方式，是通過在建筑結構中選擇一定層數，設置伸臂構件，利用伸臂構件的高強度特征，對外柱起到一定拉伸或壓縮作用，有效限制結構位移；同時，伸臂構件還可以對內筒起到反向約束作用，降低內筒的彎矩，從而減小側移。但是，伸臂結構也存在一些負面影響，主要體現為結構高度方向上的內力突變，不利于柱體結構荷載以及建筑整體抗震[3]。

3.抗震設計

對于超高層建筑而言，地震水平作用的影響尤為明顯，做好結構抗震設計十分必要。在超高層建筑結構設計中，抗震設計要以性能化設計為基礎，按照抗震性能水準和目標的要求，在保證承載力、變形能力滿足結構安全要求的前提下，通過對關鍵構件、部分位置或者整個結構的加固或增強，達到預期的抗震性能目標，實現建筑結構整體抗震設計安全的目標。

在超高層建筑結構抗震設計中，需要先按照相關規范要求，確定框架梁、核心筒剪力墻、核心筒剪力墻連梁、外圍框架柱等關鍵構件的抗震設計與其性能目標，通過彈性計算分析，依次復核設計值、標準值以及極限值，來分析關鍵構件的抗剪、抗彎承載力是否能夠達到相應要求，然后對各項不規則進行一一審查，確保建筑結構抗震的科學、合理、可靠，保證建筑結構的安全。

結語：

綜上所述，在現代建筑行業當中，超高層建筑占據的比重不斷加大，對城市經濟發展起著十分重要的作用，做好超高層建筑結構設計、提高超高層建筑的安全性，是一項至為重要的工作。因此，必須對超高層建筑結構有深刻了解，掌握其常用的結構體系，做好結構體系的選擇，通過對結構設計關鍵性問題的控制，提高建筑結構設計的水平，充分保障超高層建設的施工質量和整體安全。

參考文獻：

[1]郭懷祥.淺談超高層建筑結構設計的關鍵性問題[J].中華民居（下旬刊），2014，09：357-358.

[2]羅郁.復雜高層與超高層建筑結構設計的重點[J].現代裝飾（理論），2015，02：224.

[3]徐春卯.超高層建筑結構設計的關鍵性問題思考[J].科技創新與應用，2015，13：243.