对超高层建筑中结构概念设计的理解

对超高层建筑中结构概念设计的理解提要：总结近年来设计实践中碰到的问题，比较分析超高层建筑结构设计的特点，说明在超高层建筑中结构概念设计的重要性，并从多个方面加以详细阐述。关键词：超高层建筑结构概念设计高层建筑概念设计多，尤其是需要抗震设防的超高层建筑结构部分的概念设计更多，除少数概念设计有定量指标外，大多数概念设计只有定性要求，如何合理地把握好结构概念设计的尺度，常常因建筑而异。本文笔者结合设计实践，从多方面阐述超高层建筑结构概念设计时需要注意的一些问题。1结构设计特点1.1重力荷载迅速增大随着建筑物高度的不断增加重力荷载呈直线上升，作用在竖向构件柱、墙上的轴压力增加，对基础承载力的要求也更加提高。1.2控制建筑物的水平位移成为主要矛盾1.2.1风作用效应加大风是引起结构水平位移的主要因素，决定风载标准值（WK=βzµSμZW0[1]）大小的各参数随着建筑物高度的增加发生如下变化：µS只与建筑物的平面形状有关基本不变；βz变化不大（总趋势随高度增加会减小，但变化幅度不大）；W0取值较普通结构增大许多（超高层建筑属于特别重要的结构，对风作用相当敏感，应按n=100年甚至n=200年的重现期采用）；μZ在梯度风高度范围内呈上升趋势（以地面粗糙程度C类为例，建筑物高度从100m增加到400m，μZ增大约1.84倍[2]），因此作用载建筑物上的风载沿高度方向呈倒三角形状或抛物线状（详附图1）。建筑物越高，风合力就越大、合力作用点位置就越高，对建筑物产生的作用效应（如建筑物底部总剪力、总弯矩、楼层层间位移角、顶层最大水平位移值等）也越大。1.2.2地震作用效应加大多遇地震下对建筑物进行弹性分析计算时，建筑物高度的增加使结构自重增加、重心位置提高，地震作用产生的水平剪力和竖向力增大、作用位置提高，整个结构内力增加；在罕遇地震作用下将导致薄弱部位的加速破坏。1.3PΔ效应成为不可以忽视的问题超高层建筑高宽在较大，侧向刚度相对较弱，水平位移量大（详附图2），重力与水平位移所产生的附加弯矩常常大于初始弯矩的10％，必须考虑重力二阶PΔ效应。1.4竖向构件产生的缩短变形差对结构内力的影响增大竖向构件的总压缩量主要由受力变形、干缩变形和徐变变形三部分组成，对于全钢结构仅需考虑受力变形产生的缩短影响，对于钢混结构、钢组合结构、混凝土结构必须考虑干缩缩短和徐变缩短的影响。一般受力变形瞬时完成，其变形量可用胡克定律（Δ＝NH/EA）作近似计算；干缩变形完成的时间较长，据资料统计约为总压缩量的30%[3]；徐变变形完成的时间更长，线性徐变可由公式（Δ＝Σ6×10-6(αcr)iσiHi[3]）简单计算；构件的总压缩量随着构件的高度H、平均压应力σ（σ＝N/A）的增加而加大。超高层建筑的竖向构件不但H和σ较大，而且构件之间的压应力差也较大，因此设计中除了通过控制轴压比使竖向构件之间的压应力较接近外，对钢筋混凝土结构采取逐步将各层柱顶找平后再进行下一道工序的施工办法来减少变形差；对钢结构采取预留柱、墙压缩量的办法来减少变形差；总体结构分析时采取模拟施工方法，减少变形差对内力计算的影响。1.5倾覆力矩增大，整体稳定性要求提高建筑物高度的增加使得侧向力引起的倾覆力矩增大，抗倾覆要求提高。实际工程中常常采取增加基础埋深、加大基础宽度或采用抗拔桩基等措施来满足整体稳定性要求。青1.6初臂防火、防灾的勒重要性凸现钉超高层建筑多昨采用钢混结构嘉和钢结构，而俘钢材耐热不耐盘火的特性更易轰加重某些次生屋灾害的发生，爹例美国世贸中晶心的倒塌。一似般紧急情况下悬高楼所需要的橡疏散时间较长驾，从顶层飞机桂救援的行动也译常会受到各方草面因素的制约嘴使得实施比较基困难，因此防械火、防灾的设赏计更为重要，本目前关于防灾思方面的具体要畏求我国还没有侦相应的规程可让循。事1.7伤建筑物的重要扩性等级提高城超高层建筑常书作为当地的标昏志性建筑，资吊金投入大，在储政治、经济、贩文化中所起的智作用重大，若拢破坏影响较大袋、波及范围较筋广，故不论其挽建筑类别均属背于重要建筑，矿因此结构设计嫌的可靠度要提织高，一般情况喇下重要性系数赛取责1.亿1牵，特殊情况下孩也可绩取抗1.闭2凶。于1.8砌钻控制风振加速烈度符合人体舒蕉适度要求阀超高层建筑风喊振作用效应明现显，风作用下漆的顶层加速度隐直接影响到室印内人体的舞舒适度，实现我良好的使用条下件要求必须控旅制顶层的最大迅加速度满足规露范劫[2昏]嫩的限值，同时德还要控制牙由风振引起的恰扭转加速度，克一般不宜超紫过剖0.001r贤ad/s狼2[3]播把。押1.9伍赏围护结构必须滥进行抗风设计蠢建筑物高度的添增加使得垂直道于围护结构表游面上的风载标脑准值也迅没速增大，因此吴必须对物围护结构进行堆抗风设计。如述采用撒玻璃景幕墙围护则其零风载更大（鱼W蜻0始取值时刷将粥1汽0齐分钟平均分速桃，转换棚为蛮3翼秒钟阵风风速饭计算骨[4]捎），须寨采用结构玻璃摸满足强度要求炒、铝合金龙骨暖满足变形要求恩。始2均左结构设计方法沃2.1恢恨减轻自重，减们少地震作用狱采用高强轻质迈材料（如全钢始结构、幕墙围义护、轻质隔断乖等），减轻结累构自重，减少驾地震作用。侦2.2削浙降低风作用水莲平力完炒磨令减小迎风面积黎正方形平面形怨式，横向迎风惑面最小；如计只算对角线方向件的迎风面宽，挎则圆形平面最搞小；在立面上闲适当位置开洞救泄风（如上海哪环球金融中心售大厦洽[5]悄），风力降低闻更直接。腹愁祸蓝降低风力形心植采用下大上小桌的立面体型，款既减小高风压竟在高处的迎风研面积，又降低延风作用中心，疾使建筑物底部朗的倾覆总弯矩蒜减少。同时下窃大上小的立面撇体型对建筑底敲部来说增大了始抵抗矩、提高伐了稳定性，如箱巴黎的埃菲尔衰铁塔。唇为御盈选用体型系数搜较小的建筑平副面形状脱体型系数从小乎到大可选用下协列平面顺序：赵圆形平码面纤―看正多边形平敏面赏―倡正方形平面，灌采用流线光滑果的外形、避免奋凹凸多变的建携筑形式，减少膀整体和局部风鼓压的体型系数团。瓦2.3爱庄减少振动，般耗散输入能量位采用阻尼装置馆或加大阻尼比守，减少振动影押响，如台北国弦际金融中心大凝厦梳[5]拳。俘选用耗能、减努振的结构体系筝，如采用偏心反支撑的钢结构愤具有耗能的水末平段，采用橡阶胶支座可以减生振等。兴2.4珠北加强抗震措施啊涝竹肃选用规则结构浊使建筑物具有融明确的计算简拴图、合理的地粥震作用传递途爪径蓝[6]野如采用圆形、畅正多边形、正妥方形等平面形后状，可以使整木体结构具有多线向同性，避免樱强弱轴的抗力休不同和变形差泉异。功能复杂怠的建筑常常是姐多种结构体系部的综合，具体膏设计时应注意斤一些问题：小第一：结构平岗面形状尽可能喝对称。由于地糠震作用的方向揭具有随机性，燥风作用虽有主办导方向，但最浙大值也具有随顾机性，因此选猴用具有对称性颂、多向同性布灵置的抗侧力结物构体系，有利孤于形心和刚心疮的重合。隶第二：竖向构余件尽可能连续斤，避免抗侧力家构件的间断，叶从而形成薄弱日层、薄弱部位源，对抗震不利解。职第三：设置多唇道抗震防线，夫满举足兼“昼大震不吗倒玩”钥的抗震设防要泡求。悦第四：增加超涂静定次数，增鄙加重要构件的饲传力线路，提个高结构的抗震就能力。赘余度逆的增多，可以老使结构有更多自的部位有机会诱形成塑性铰，稳吸收更多的地迈震能量。爪第五：在满足预强度、刚度要玩求的前提下，税选择具有较好稻延性的结构材才料，增加总体岗变形能力，增窄加结构耗能。救材料延性从大兴到小的次序为压：亚钢恢―慧钢混凝辟土虚―栽钢筋混凝土。涛第六：建立整针体屈服机制，盆避免失稳破坏散。并做到强柱够弱梁、强剪弱树弯、强节点弱拨构件、强埋件宵弱连接设计；局对容易失稳的交结构，做到强遵支撑；对受弯亲构件，做到强下压弱拉等。探虎昏颜采用多个权威回程序（址如纹SATW纪E冠、陶TA思T鞭、单SAP200腾0治等）进行计算议比较，通过动贿力时程分析，县验证薄弱部位秧；对重要构件弊补充有限元分惊析计算。从而揭使计算的结论享更为完整，结浙果更为可靠。分旗般些进行小模型风程洞试验，获取峡有关风载作用耻参数；通过振片动台试验，获希取有关地震作虽用参数。妄纵葛采用智能化设卡计，提高结构必的可控性。应数用传感器、质封量驱动装置、终可调刚度体系辆等和计算机共腿同组成主动控远制体系，提供求可变侧向刚度蓝，控制结构的及地震反应等。号仍佣掏提高节点连接汁的可靠度。如穷钢结构节点的耐焊接处理，钢阀混结构中型钢榜、钢板与混凝润土的连接等。海3龟结构材料选用赚更轻、更强、蓄更具有延性的蝶材料是超高层常建筑结构材料造的首选。钢筋里混凝土、型钢复混凝土、钢管逆混凝土和纯钢悠材料都可作为蚀结构构件的主详要材料；而外躁墙围护多采用纲玻璃幕墙、铝傲合金幕墙、钢背塑复合板材等撕；内部隔墙多背为轻质隔断；役楼屋面常选用予压型钢板加混灵凝土面层，并扣在裸露的钢承袖重构件表面加埋防火涂料。沟4振结构体系选用否更具整体性、滴更具多道抗震肉防线、更具延筝性的结构体系惕是超高层建筑帖结构体系的首焰选，工程中常直用的结构体系催有：迷内筒外框或内钱筒外框并带角窜部小筒体（或移角形墙）的结钓构体系，如深纳圳彭年广场（程酒店部分）分，虑H拢＝超222m机。凡内束筒外框架院（巨型柱）并淋带多个加强层银的结构体系，桶如台北国际金振融中心大厦盼[5]蛛，趁H乒＝肺508m落（含塔尖部分爪）。橡筒中筒结构体贫系，一般外筒闭为密柱筒，如孔前纽约世贸中乓心三，悠H框＝脊412m辣。名谢内筒外巨型框维架加外斜撑结躺构体系，如上由海环球金融中虫心大厦础[5]变，喝H阵＝漠492m抚。突束筒结构体系秆，如美国西尔描斯大厦己，擦H纪＝挤443m姥。棉巨型框架、巨陵型桁架结构体遣系，如新加坡愚华侨银行样，款4扎5房层。康悬挂结构和悬迫挑结构，由于军其侧向刚度仅所由内筒贡献，英体型上大下小听，抗风抗震不唇利，因此建筑家物高度受到限盏制。如香港汇穴丰银行大楼争，弱H恩＝雹175m撞（悬挂）；贯长沙黄兴路综享合大楼想，皆H革＝富115.6m耀（悬挑）。5结束语澡对一个超评高层建筑来说蚀，与建筑相适县应的结构体系屿、结构布置等锋概念设计不是假绝对的，但合赚理的结构设计抱应该是唯一的纺。我们所要做挤的工作就是把僚一些互相制约懂的因素统一协资调，以满足建萌筑物的安全性界、适用性和耐霜久性的要求。参考文献：顺[1]GB室50009松-多2001贩缘玻建筑结构荷载寻规范乞.性北京：中国建发筑工业出版社何，及2001.2优4库[2]JG勇J3-200皇2胖限高层建筑混凝抖土结构技术规董程融.摇北京：中国建你筑工业出版