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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-08-16浏览：16次
摘要：随着高层建筑规模的不断发展和投资力度的不断增加，高层建筑的设计变得越来越重要。分析了超高层建筑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=βZUSUZWO)大小的各参数随着建筑物高度的增加发生如下变化：US只与建筑物的平面形状有关，βZ变化不大(总趋势随高度增加会减小，但变化幅度不大)；WO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)；UZ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1OOm增加到400m，UZ增大约1.84倍)，因此，作用在建筑物上的风载沿高度方向呈倒三角形状或抛物线状(图1)。
图1风荷载高度变化示意
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(如建筑物底部总剪刀、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刀和竖向力增大、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。
1.3P一△效应成为不可忽视的问题
超高层建筑高度比较大，侧向刚度相对较弱，水平位移量大(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P一△效应。
图2水平位移沿高度
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、混凝士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％；徐变变形完成的时间更长，线性徐变可由公式简单计算；构件的总压缩量随着构件的高度H、平均压应力O=N／A的增加而加大。
超高层建筑的竖向构件不但H和O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台再进行下一道工序的施工办法来减小变形差；对钢结构采取预留柱、墙压缩量的方法来减小变形差；总体结构分析时采取模拟施工方法，减小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。
1.6防火、防灾的重要性凸现
超高层建筑多采用钢混结构和钢结构，而钢材耐热不耐火的特性更易加重某些次生灾害的发生，例如美国世贸中心的倒塌，一般紧急情况下高楼所需要的疏散时间较长，从顶层飞机救援的行动也常会受到各方面凶素的制约，使得实施比较凼难，因此防火、防灾的设计更为重要，目前关于防灾方面的具体要求我国还没有相应的规程可循。
1.7建筑物的重要性等级提高
超高层建筑常作为当地的标志性建筑，资金投入大，在政治、经济、文化中所起的作用重大，破坏影响较大、波及范围较广，不论其建筑类别均属于重要建筑，因此结构设计的可靠度要提高，一般情况下重要性系数取1.1，特殊情况下也可取1.2。
1.8控制风振加速度符合人体舒适度要求
超高层建筑风振作用效应明显，风作用下的顶层加速度直接影响到窜内人体的舒适度，实现良好的使用条件要求必须控制顶层的最大加速度满足规程的限值，同时还要控制由风振引起的扭转加速度，一般不宜超过0.001rad／s2。
1.9围护结构必须进行抗风设计
建筑物高度的增加使得垂商于围护结构表面上的风载标准值也迅速增大，因此必须对围护结构进行抗风设计。如采用玻璃幕墙围护，则其风载更大(WO取值时，将1Omin平均风速转换为3s阵风风速计算)，须采用结构玻璃满足强度要求，铝合金龙骨满足变形要求。
2结构设计方法
2.1减轻自重，减小地震作用
采用高强轻质材料(如全钢结构、幕墙围护、轻质隔断等)，减轻结构自重，减小地震作用。
2.2降低风作用水平力
2.2.1减小迎风面积
正方行平面形式，横向迎风面最小；如计算对角线方向的迎风面宽，圆形平面最小；在立面上适当位置开洞泄风，风力降低更直接。
2.2.2降低风力形心
采用下大上小的立面体型，既减小高风压在高处的迎风面积，又降低风作用重心，使建筑物底部的倾覆总弯矩减小。同时下大上小的立面体型对建筑底部来说增大了抵抗矩，提高了稳定性。
2.2.3选用体型系数较小的建筑平面形状
体型系数从小到大可选用下列平面顺序：圆形平面→正多边形平面→正方形平面，采用流线光滑的外形，避免凹凸多变的建筑形式，减小整体和局部风压的体型系数。
2.3减少震动，耗散输入能量
采用阻尼装置或加大阻尼比，减少振动影响。选用耗能、减振的结构体系，如采用偏心支撑的钢结构具有耗能的水平段，采用橡胶支座可以减振等。
2.4加强抗震措施
(1)选用规则结构使建筑物具有明确的计算简图，合理的地震作用传递途径。
如采用圆形、正多边形、正方形等平面形状，可以使整体结构具有多向同性，避免强弱轴的抗力不同和变形差异。功能复杂的建筑常常是多种结构体系的综合，具体设计时应注意以下问题：
①结构平面形状尽可能对称。由于地震作用的方向具有随机性，风作用虽有主导方向，但最大值也具有随机性，因此选用具有对称性、多向同性布置的抗侧力结构体系，有利于形心和刚心的重合。
②竖向构件尽可能连续，避免抗侧力构件的间断，从而形成薄弱层、薄弱部位，对抗震不利。
③设置多道抗震防线，满足“大震不倒”的抗震设防要求。
④增加超静定次数，增加重要构件的传力线路，提高结构的抗震能力。赘余度的增多，可以使结构有更多的部位有机会形成塑性铰，吸收更多的地震能量。
⑤在满足强度、刚度要求的前提下，选择具有较好延性的结构材料，增加总体变形能力，增加结构耗能。
⑥建立整体屈服机制，避免失稳破坏，并做到强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强埋件弱连接设计；对容易失稳的结构，做到强支撑；对受弯构件，做到强压弱拉等。
(2)采用多个权威程序(如SATWE、TAT、SAP2000等)进行计算比较，通过动力时程分析，验证薄弱部位；对重要构件补充有限元分析计算，从而使计算的结论更为完整，结果更为可靠。
(3)进行小规模风洞实验，获取有关风载作用参数；通过振动台试验，获取有关地震作用参数。
(4)采用智能化设计，提高结构的可控性。应用传感器、质量驱动装置、可调刚度体系等和计算机共同组成主动控制体系，提供可变侧向刚度，控制结构的地震反应等。
(5)提高节点连接的可靠度，如钢结构节点的焊接处理，钢混结构中型钢、钢板与混凝土的连接等。
3结构材料选用
更轻、更强、更具有延性的材料是超高层建筑结构材料的首选。钢筋混凝土、型钢混凝土、钢管混凝土和纯钢材料都可作为结构构件的主要材料；而外墙围护多采用玻璃幕墙、铝合金幕墙、铡塑复合板材等；内部隔墙多为轻质隔断；楼屋面常选用压型钢板加混凝土面层，并在裸露的钢承重构件表面加防火涂料。
4结构体系选用
更具整体性、更具多道抗震防线、更具延性的结构体系是超高层建筑结构体系的首选，工程中常用的结构体系有：
(1)内筒外框或内筒外框并带角部小筒体(或角形墙)的结构体系。
(2)内束筒外框架(巨型柱)并带多个加强层的结构体系。
(3)筒中筒结构体系，一般外筒为密柱筒。
(4)内筒外巨型框架外斜撑结构体系。
(5)束筒结构体系。
(6)巨型框架、巨型桁架结构体系。
(7)悬挂结构和悬挑结构，由于其侧向刚度仅由内筒贡献，体形上大下小，抗风抗震不利，因素建筑物高度受到限制。
5结束语
随着社会的进步，高层建筑的发展很快，日新月异。高层建筑的结构设计人员应不断学习和提高，通过力学知识和力学规律建立结构受力与变形规律的各种概念，并注意吸取国内外的震害经验和教训，重视结构试验研究成果，结合施工实践，通过大量工程经验的日积月累，精心设计才能够作出技术先进、安全可靠、经济合理的各种高层建筑的结构设计。
《对当前高层建筑结构概念设计探讨》
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文章名称： 对当前高层建筑结构概念设计探讨
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