超高层建筑结构设计关键性问题

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摘要：随着我国经济的不断发展，我国建筑业也在不断的发展，城市中一些高层建筑越来越多，在一些高层建筑物中又不乏一些超高层的建筑物。随着时代的不断发展，在超高层建筑结构设计方面有了很大的变化，虽然我国在超高层建筑结构设计方面取得了一定的成就，但是在具体的发展过程中仍然存在一些问题，现如今超高层建筑结构设计成为了高层建筑设计的核心内容，由此可见超高层建筑结构设计的重要性，如果不及时的解决在超高层建筑结构设计中的一些问题就会严重阻碍超高层建筑的发展。本文从超高层建筑结构的特点入手，分析了超高层建筑结构体系的选择，对超高层建筑结构设计的问题和对策进行了分析。

关键词：超高层建筑；结构设计；关键性问题；对策

1前言

在超高层建筑结构设计过程中需要用到很多先进的知识和技术，因此要保证设计师具有先进的思想观念，因为建设超高层建筑是一个非常复杂的过程，在结构设计的过程中不仅要保证超高层建筑结构的安全性，还要保证建筑的实用性。由于超高层的建筑一般都是用来当做写字楼或者是居民用房，因此人流比较密集，只有保证拥有科学合理的结构设计才能够实现超高层建筑的正常使用，在超高层建筑设计过程中有很多关键性的问题都是要注意的。

2超高层建筑结构的特点

超高层建筑结构设计的重点和核心内容是通过抗侧构件提高整体结构的延性，因为在设计超高层建筑结构的过程中应该充分的考虑建筑物各个方面的荷载，不仅仅要考虑水平方向的承受能力，还应该考虑垂直方向的承受能力，超高层结构主要考虑抵抗水平力。在如今不断增加的超高层建筑物中，在保证抗侧能力提高整个建筑物的舒适程性是非常重要的，只有在拥有了良好的结构方案后才能有效的保证建筑物舒适性。因此在设计的过程中一定要充分的比选各类结构方案，并在此基础上进一步优化方案,在尽可能满足建筑使用功能及建筑效果的情况下,考虑结构安全及经济的合理性。

3超高层建筑结构体系的选择

3.1超高层结构体系分类

超高层常用的主体结构体系为钢筋混凝土结构、钢结构和钢-混凝土混合结构，结构类型有筒中筒、框架-核心筒以及其他组合结构，根据需要可设置带加强层。楼盖结构宜采用预应力或非预应力扁梁、宽扁梁，大开间平板或压型钢板组合楼板等有利于减少楼盖高度的结构形式。

3.2超高层结构体系选用原则

对于超高层结构，水平风荷载和地震作用是控制结构设计的主要因素，竖向荷载所需结构材料的数量与层数成线性关系增加，抵抗水平荷载所需结构材料的数量与高度成指数关系增加。因此，选择结构体系时应选择最高效的抗侧力结构体系。在选择结构体系时除了要考虑荷载作用的影响外，还应考虑非荷载作用的影响，例如混凝土徐变收缩、温度变化、地基差异沉降等使结构内部变形对结构产生的不利影响。结构体系选用的基本原则为：结构在竖向重力荷载作用下受力均匀；平面均匀、体型简单，结构刚度、质量沿竖向均匀变化，结构有足够的抗扭刚度。

3.3超高层的材料分析

超高层建筑所选用的结构材料主要为钢结构、混凝土结构、钢-混凝土混合结构。目前根据已建的258栋高度250m以上的超高层建筑的材料选用情况统计，混合结构占98.4%，混凝土结构占1.6%，存钢结构占0%。钢结构的优缺点是强度高、自重轻、抗震性能好，施工速度快，但造价高，防火性能差。混凝土结构的优点是可塑性强，取材方便，维护成本低，可组合成各种高效的结构抗侧力体系。混凝土结构的缺点是自重大、结构延性差、施工速度慢、结构面积占比大。钢-混凝土混合结构是采用钢构件与混凝土构件相结合而成的结构类型，这一结构类型能充分发挥钢构件、钢与混凝土组合构件和钢筋混凝土构件各自特长。混合结构相比钢结构的优点是用钢量小、造价低、防火性能好。混合结构相比混凝土结构的优点是用面积占比小、施工速度快；混合结构缺点是需要考虑不同材料的协同工作。总体来说混合结构是超高层材料应用的主流。

4超高层建筑结构设计的问题分析及对策

4.1扭转问题

在超高成建筑结构中很容易会出现扭转的问题，这个问题如果不在设计的时候处理好就很容易影响整个超高层建筑的结构。在超高层建筑中建筑设计的核心是建筑的几何中心、刚度中心以及高层建筑的结构重心，这三个部分共同组成了建筑物的核心。但是在具体的设计过程中很多设计师就会忽略将几何中心、刚度中心以及建筑的重心进行重合，因此就会造成因为压力的问题而出现的扭转问题。结构扭转时在结构受力较大的竖向构件的边缘容易发生脆性破坏，在水平力尤其是地震力的作用下更先进入破坏状态，设计时必须采取有效的加强措施，提高结构的抗扭刚度。为控制结构扭转，采取整体调整结构方案，是结构的平面尽量规则，让刚度中心与建筑重心尽量重合，从而减少结构相对偏心距。例如在建筑物四周布置抗侧力构件通过调整抗侧力构件的布置位置来改善结构的扭转效应。有时单一的增加构件截面和刚度并不能改善扭转效应，在大震作用下由于构件进入非弹性阶段，刚度大的构件承担了更多的地震剪力，这些构件也会导致脆性破坏。对于处于扭转位移较大处的构件，应采用混合结构构件来提高构件的延性，从而来增加结构的安全性能。

4.2受力性能的问题

承受力的问题在超高层建筑结构设计过程中也是一个比较常见的问题，因为在建筑结构设计的过程中设计师考虑更多的是建筑的空间结构，对建筑具体的结构特征没有过多的考虑，因此就会造成建筑承受力性能比较差。如果建筑物的承受力比较的差就会很容易发生一些意外事故，或者是因为一些外界的天气环境问题导致建筑物有所损坏。因此在建筑设计的过程中应该充分的考虑建筑物的向下作用力和建筑物的承受力，然后对设计方案进行不断的优化和完善，减少一些建筑承受力的问题，这样也能够大大的提高超高层建筑的质量。对建筑物中的每个承重柱子和承重墙都要进行细致准确的统计，然后再观看平面设计图，保证承重分布的合理性。超高层的结构在分析时应选用符合实际工作情况的计算简图来分析，利用空间分析方法进行整体分析，且采用2个不同力学模型的计算软件进行复核。

4.3超高的问题

由于在超高建筑结构设计的过程中会反复的修改设计图，也正是因为这种情况很多设计师会忽略超高层建筑物的超高问题。我国对于建筑物的高度问题是有明确规定的，设计师在设计的过程中已经对结构体系进行了修改，所以就没有在意建筑物的超高问题，因此很多设计师明明反复修改了设计图还是不能通过相关部门的审核。想要解决这个问题是一定不能偷懒的，必须要对整个设计图进行重新设计，将超高的问题考虑在内，这样才能设计出符合要求的设计。

4.4嵌固端的设置问题

因为超高层的建筑物都非常的高，因此必须要设计多层的地下室，这样才能够很好的保证超高层建筑的稳定性，一般超高层建筑物的嵌固端都会设置在地下室的底端，很多设计师在设计的过程中并没有过多的考虑嵌固端的问题，因此很容易就会为后续的建设埋下隐患，从而影响整个超高层建筑的稳定性。

4.5基础设计

在对超高层建筑结构进行设计的过程中需要对基础的结构进行科学合理的设计，因为只有保证了最基础的设计才能够顺利进行后续的建设，对于建筑物埋入地下的深度要做出科学合理的设计，这样才能保证超高层建筑物不出现倾斜的现象，这些问题的设计都是最基础的设计。俗话说经济基础决定上层建筑，但是在超高层建筑建设的过程中基础设计决定了超高层建筑的建设。超高层建筑结构的基础有效埋深，应根据地质情况、结构高度以及荷载分布情况综合考虑，从而选择经济、合理的基础方案。超高层建筑一般均设置多层地下室，确保结构基础嵌固端的刚度，避免在水平力作用下地基基础产生较大的水平位移影响结构稳定。

5总结

超高层建筑结构设计是一个非常复杂的过程，在设计的过程中需要考虑很多因素，因为每一个细小的问题都可能决定超高层建筑的成败，在设计的过程中首先要做好基础设计，然后针对比较容易出现的问题进行重点的探讨。随着时代的不断发展，人们对于超高层建筑物的建筑要求也在不断的提高，因此建筑设计师应该不断提高自身的设计水平，在设计的过程中反复的总结经验，从而对超高层建筑进行更好的设计。

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作者：张百振 范志昂 单位：河南科达东大国际工程有限公司 中赟国际工程股份有限公司