超高層建筑結構設計關鍵性問題

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摘要：隨著我國經濟的不斷發(fā)展，我國建筑業(yè)也在不斷的發(fā)展，城市中一些高層建筑越來越多，在一些高層建筑物中又不乏一些超高層的建筑物。隨著時代的不斷發(fā)展，在超高層建筑結構設計方面有了很大的變化，雖然我國在超高層建筑結構設計方面取得了一定的成就，但是在具體的發(fā)展過程中仍然存在一些問題，現如今超高層建筑結構設計成為了高層建筑設計的核心內容，由此可見超高層建筑結構設計的重要性，如果不及時的解決在超高層建筑結構設計中的一些問題就會嚴重阻礙超高層建筑的發(fā)展。本文從超高層建筑結構的特點入手，分析了超高層建筑結構體系的選擇，對超高層建筑結構設計的問題和對策進行了分析。

關鍵詞：超高層建筑；結構設計；關鍵性問題；對策

1前言

在超高層建筑結構設計過程中需要用到很多先進的知識和技術，因此要保證設計師具有先進的思想觀念，因為建設超高層建筑是一個非常復雜的過程，在結構設計的過程中不僅要保證超高層建筑結構的安全性，還要保證建筑的實用性。由于超高層的建筑一般都是用來當做寫字樓或者是居民用房，因此人流比較密集，只有保證擁有科學合理的結構設計才能夠實現超高層建筑的正常使用，在超高層建筑設計過程中有很多關鍵性的問題都是要注意的。

2超高層建筑結構的特點

超高層建筑結構設計的重點和核心內容是通過抗側構件提高整體結構的延性，因為在設計超高層建筑結構的過程中應該充分的考慮建筑物各個方面的荷載，不僅僅要考慮水平方向的承受能力，還應該考慮垂直方向的承受能力，超高層結構主要考慮抵抗水平力。在如今不斷增加的超高層建筑物中，在保證抗側能力提高整個建筑物的舒適程性是非常重要的，只有在擁有了良好的結構方案后才能有效的保證建筑物舒適性。因此在設計的過程中一定要充分的比選各類結構方案，并在此基礎上進一步優(yōu)化方案,在盡可能滿足建筑使用功能及建筑效果的情況下,考慮結構安全及經濟的合理性。

3超高層建筑結構體系的選擇

3.1超高層結構體系分類

超高層常用的主體結構體系為鋼筋混凝土結構、鋼結構和鋼-混凝土混合結構，結構類型有筒中筒、框架-核心筒以及其他組合結構，根據需要可設置帶加強層。樓蓋結構宜采用預應力或非預應力扁梁、寬扁梁，大開間平板或壓型鋼板組合樓板等有利于減少樓蓋高度的結構形式。

3.2超高層結構體系選用原則

對于超高層結構，水平風荷載和地震作用是控制結構設計的主要因素，豎向荷載所需結構材料的數量與層數成線性關系增加，抵抗水平荷載所需結構材料的數量與高度成指數關系增加。因此，選擇結構體系時應選擇最高效的抗側力結構體系。在選擇結構體系時除了要考慮荷載作用的影響外，還應考慮非荷載作用的影響，例如混凝土徐變收縮、溫度變化、地基差異沉降等使結構內部變形對結構產生的不利影響。結構體系選用的基本原則為：結構在豎向重力荷載作用下受力均勻；平面均勻、體型簡單，結構剛度、質量沿豎向均勻變化，結構有足夠的抗扭剛度。

3.3超高層的材料分析

超高層建筑所選用的結構材料主要為鋼結構、混凝土結構、鋼-混凝土混合結構。目前根據已建的258棟高度250m以上的超高層建筑的材料選用情況統計，混合結構占98.4%，混凝土結構占1.6%，存鋼結構占0%。鋼結構的優(yōu)缺點是強度高、自重輕、抗震性能好，施工速度快，但造價高，防火性能差?；炷两Y構的優(yōu)點是可塑性強，取材方便，維護成本低，可組合成各種高效的結構抗側力體系?；炷两Y構的缺點是自重大、結構延性差、施工速度慢、結構面積占比大。鋼-混凝土混合結構是采用鋼構件與混凝土構件相結合而成的結構類型，這一結構類型能充分發(fā)揮鋼構件、鋼與混凝土組合構件和鋼筋混凝土構件各自特長?；旌辖Y構相比鋼結構的優(yōu)點是用鋼量小、造價低、防火性能好?；旌辖Y構相比混凝土結構的優(yōu)點是用面積占比小、施工速度快；混合結構缺點是需要考慮不同材料的協同工作。總體來說混合結構是超高層材料應用的主流。

4超高層建筑結構設計的問題分析及對策

4.1扭轉問題

在超高成建筑結構中很容易會出現扭轉的問題，這個問題如果不在設計的時候處理好就很容易影響整個超高層建筑的結構。在超高層建筑中建筑設計的核心是建筑的幾何中心、剛度中心以及高層建筑的結構重心，這三個部分共同組成了建筑物的核心。但是在具體的設計過程中很多設計師就會忽略將幾何中心、剛度中心以及建筑的重心進行重合，因此就會造成因為壓力的問題而出現的扭轉問題。結構扭轉時在結構受力較大的豎向構件的邊緣容易發(fā)生脆性破壞，在水平力尤其是地震力的作用下更先進入破壞狀態(tài)，設計時必須采取有效的加強措施，提高結構的抗扭剛度。為控制結構扭轉，采取整體調整結構方案，是結構的平面盡量規(guī)則，讓剛度中心與建筑重心盡量重合，從而減少結構相對偏心距。例如在建筑物四周布置抗側力構件通過調整抗側力構件的布置位置來改善結構的扭轉效應。有時單一的增加構件截面和剛度并不能改善扭轉效應，在大震作用下由于構件進入非彈性階段，剛度大的構件承擔了更多的地震剪力，這些構件也會導致脆性破壞。對于處于扭轉位移較大處的構件，應采用混合結構構件來提高構件的延性，從而來增加結構的安全性能。

4.2受力性能的問題

承受力的問題在超高層建筑結構設計過程中也是一個比較常見的問題，因為在建筑結構設計的過程中設計師考慮更多的是建筑的空間結構，對建筑具體的結構特征沒有過多的考慮，因此就會造成建筑承受力性能比較差。如果建筑物的承受力比較的差就會很容易發(fā)生一些意外事故，或者是因為一些外界的天氣環(huán)境問題導致建筑物有所損壞。因此在建筑設計的過程中應該充分的考慮建筑物的向下作用力和建筑物的承受力，然后對設計方案進行不斷的優(yōu)化和完善，減少一些建筑承受力的問題，這樣也能夠大大的提高超高層建筑的質量。對建筑物中的每個承重柱子和承重墻都要進行細致準確的統計，然后再觀看平面設計圖，保證承重分布的合理性。超高層的結構在分析時應選用符合實際工作情況的計算簡圖來分析，利用空間分析方法進行整體分析，且采用2個不同力學模型的計算軟件進行復核。

4.3超高的問題

由于在超高建筑結構設計的過程中會反復的修改設計圖，也正是因為這種情況很多設計師會忽略超高層建筑物的超高問題。我國對于建筑物的高度問題是有明確規(guī)定的，設計師在設計的過程中已經對結構體系進行了修改，所以就沒有在意建筑物的超高問題，因此很多設計師明明反復修改了設計圖還是不能通過相關部門的審核。想要解決這個問題是一定不能偷懶的，必須要對整個設計圖進行重新設計，將超高的問題考慮在內，這樣才能設計出符合要求的設計。

4.4嵌固端的設置問題

因為超高層的建筑物都非常的高，因此必須要設計多層的地下室，這樣才能夠很好的保證超高層建筑的穩(wěn)定性，一般超高層建筑物的嵌固端都會設置在地下室的底端，很多設計師在設計的過程中并沒有過多的考慮嵌固端的問題，因此很容易就會為后續(xù)的建設埋下隱患，從而影響整個超高層建筑的穩(wěn)定性。

4.5基礎設計

在對超高層建筑結構進行設計的過程中需要對基礎的結構進行科學合理的設計，因為只有保證了最基礎的設計才能夠順利進行后續(xù)的建設，對于建筑物埋入地下的深度要做出科學合理的設計，這樣才能保證超高層建筑物不出現傾斜的現象，這些問題的設計都是最基礎的設計。俗話說經濟基礎決定上層建筑，但是在超高層建筑建設的過程中基礎設計決定了超高層建筑的建設。超高層建筑結構的基礎有效埋深，應根據地質情況、結構高度以及荷載分布情況綜合考慮，從而選擇經濟、合理的基礎方案。超高層建筑一般均設置多層地下室，確保結構基礎嵌固端的剛度，避免在水平力作用下地基基礎產生較大的水平位移影響結構穩(wěn)定。

5總結

超高層建筑結構設計是一個非常復雜的過程，在設計的過程中需要考慮很多因素，因為每一個細小的問題都可能決定超高層建筑的成敗，在設計的過程中首先要做好基礎設計，然后針對比較容易出現的問題進行重點的探討。隨著時代的不斷發(fā)展，人們對于超高層建筑物的建筑要求也在不斷的提高，因此建筑設計師應該不斷提高自身的設計水平，在設計的過程中反復的總結經驗，從而對超高層建筑進行更好的設計。

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作者：張百振 范志昂 單位：河南科達東大國際工程有限公司 中赟國際工程股份有限公司