對超高層建筑中結構概念設計的理解提要：總結近年來設計實踐中碰到的問題，比較分析超高層建筑結構設計的特點，說明在超高層建筑中結構概念設計的重要性，并從多個方面加以詳細闡述。關鍵詞：超高層建筑結構概念設計高層建筑概念設計多，尤其是需要抗震設防的超高層建筑結構部分的概念設計更多，除少數(shù)概念設計有定量指標外，大多數(shù)概念設計只有定性要求，如何合理地把握好結構概念設計的尺度，常常因建筑而異。本文筆者結合設計實踐，從多方面闡述超高層建筑結構概念設計時需要注意的一些問題。1結構設計特點1.1重力荷載迅速增大隨著建筑物高度的不斷增加重力荷載呈直線上升，作用在豎向構件柱、墻上的軸壓力增加，對基礎承載力的要求也更加提高。1.2控制建筑物的水平位移成為主要矛盾1.2.1風作用效應加大風是引起結構水平位移的主要因素，決定風載標準值（WK=βzμSμZW0[1]）大小的各參數(shù)隨著建筑物高度的增加發(fā)生如下變化：μS只與建筑物的平面形狀有關基本不變；βz變化不大（總趨勢隨高度增加會減小，但變化幅度不大）；W0取值較普通結構增大許多（超高層建筑屬于特別重要的結構，對風作用相當敏感，應按n=100年甚至n=200年的重現(xiàn)期采用）；μZ在梯度風高度范圍內呈上升趨勢（以地面粗糙程度C類為例，建筑物高度從100m增加到400m，μZ增大約1.84倍[2]），因此作用載建筑物上的風載沿高度方向呈倒三角形狀或拋物線狀（詳附圖1）。建筑物越高，風合力就越大、合力作用點位置就越高，對建筑物產(chǎn)生的作用效應（如建筑物底部總剪力、總彎矩、樓層層間位移角、頂層最大水平位移值等）也越大。1.2.2地震作用效應加大多遇地震下對建筑物進行彈性分析計算時，建筑物高度的增加使結構自重增加、重心位置提高，地震作用產(chǎn)生的水平剪力和豎向力增大、作用位置提高，整個結構內力增加；在罕遇地震作用下將導致薄弱部位的加速破壞。1.3PΔ效應成為不可以忽視的問題超高層建筑高寬在較大，側向剛度相對較弱，水平位移量大（詳附圖2），重力與水平位移所產(chǎn)生的附加彎矩常常大于初始彎矩的10％，必須考慮重力二階PΔ效應。1.4豎向構件產(chǎn)生的縮短變形差對結構內力的影響增大豎向構件的總壓縮量主要由受力變形、干縮變形和徐變變形三部分組成，對于全鋼結構僅需考慮受力變形產(chǎn)生的縮短影響，對于鋼混結構、鋼組合結構、混凝土結構必須考慮干縮縮短和徐變縮短的影響。一般受力變形瞬時完成，其變形量可用胡克定律（Δ＝NH/EA）作近似計算；干縮變形完成的時間較長，據(jù)資料統(tǒng)計約為總壓縮量的30%[3]；徐變變形完成的時間更長，線性徐變可由公式（Δ＝Σ6×10-6(αcr)iσiHi[3]）簡單計算；構件的總壓縮量隨著構件的高度H、平均壓應力σ（σ＝N/A）的增加而加大。超高層建筑的豎向構件不但H和σ較大，而且構件之間的壓應力差也較大，因此設計中除了通過控制軸壓比使豎向構件之間的壓應力較接近外，對鋼筋混凝土結構采取逐步將各層柱頂找平后再進行下一道工序的施工辦法來減少變形差；對鋼結構采取預留柱、墻壓縮量的辦法來減少變形差；總體結構分析時采取模擬施工方法，減少變形差對內力計算的影響。1.5傾覆力矩增大，整體穩(wěn)定性要求提高建筑物高度的增加使得側向力引起的傾覆力矩增大，抗傾覆要求提高。實際工程中常常采取增加基礎埋深、加大基礎寬度或采用抗拔樁基等措施來滿足整體穩(wěn)定性要求。1.6防火、防災的重要性凸現(xiàn)超高層建筑多采用鋼混結構和鋼結構，而鋼材耐熱不耐火的特性更易加重某些次生災害的發(fā)生，例美國世貿(mào)中心的倒塌。一般緊急情況下高樓所需要的疏散時間較長，從頂層飛機救援的行動也常會受到各方面因素的制約使得實施比較困難，因此防火、防災的設計更為重要，目前關于防災方面的具體要求我國還沒有相應的規(guī)程可循。1.7建筑物的重要性等級提高超高層建筑常作為當?shù)氐臉酥拘越ㄖY金投入大，在政治、經(jīng)濟、文化中所起的作用重大，若破壞影響較大、波及范圍較廣，故不論其建筑類別均屬于重要建筑，因此結構設計的可靠度要提高，一般情況下重要性系數(shù)取1.1，特殊情況下也可取1.2。1.8控制風振加速度符合人體舒適度要求超高層建筑風振作用效應明顯，風作用下的頂層加速度直接影響到室內人體的舒適度，實現(xiàn)良好的使用條件要求必須控制頂層的最大加速度滿足規(guī)范[2]的限值，同時還要控制由風振引起的扭轉加速度，一般不宜超過0.001rad/s2[3]。1.9圍護結構必須進行抗風設計建筑物高度的增加使得垂直于圍護結構表面上的風載標準值也迅速增大，因此必須對圍護結構進行抗風設計。如采用玻璃幕墻圍護則其風載更大（W0取值時將10分鐘平均分速，轉換為3秒鐘陣風風速計算[4]），須采用結構玻璃滿足強度要求、鋁合金龍骨滿足變形要求。2結構設計方法2.1減輕自重，減少地震作用采用高強輕質材料（如全鋼結構、幕墻圍護、輕質隔斷等），減輕結構自重，減少地震作用。2.2降低風作用水平力2.2.1減小迎風面積正方形平面形式，橫向迎風面最??；如計算對角線方向的迎風面寬，則圓形平面最??；在立面上適當位置開洞泄風（如上海環(huán)球金融中心大廈[5]），風力降低更直接。2.2.2降低風力形心采用下大上小的立面體型，既減小高風壓在高處的迎風面積，又降低風作用中心，使建筑物底部的傾覆總彎矩減少。同時下大上小的立面體型對建筑底部來說增大了抵抗矩、提高了穩(wěn)定性，如巴黎的埃菲爾鐵塔。2.2.3選用體型系數(shù)較小的建筑平面形狀體型系數(shù)從小到大可選用下列平面順序：圓形平面―正多邊形平面―正方形平面，采用流線光滑的外形、避免凹凸多變的建筑形式，減少整體和局部風壓的體型系數(shù)。2.3減少振動，耗散輸入能量采用阻尼裝置或加大阻尼比，減少振動影響，如臺北國際金融中心大廈[5]。選用耗能、減振的結構體系，如采用偏心支撐的鋼結構具有耗能的水平段，采用橡膠支座可以減振等。2.4加強抗震措施2.4.1選用規(guī)則結構使建筑物具有明確的計算簡圖、合理的地震作用傳遞途徑[6]如采用圓形、正多邊形、正方形等平面形狀，可以使整體結構具有多向同性，避免強弱軸的抗力不同和變形差異。功能復雜的建筑常常是多種結構體系的綜合，具體設計時應注意一些問題：第一：結構平面形狀盡可能對稱。由于地震作用的方向具有隨機性，風作用雖有主導方向，但最大值也具有隨機性，因此選用具有對稱性、多向同性布置的抗側力結構體系，有利于形心和剛心的重合。第二：豎向構件盡可能連續(xù)，避免抗側力構件的間斷，從而形成薄弱層、薄弱部位，對抗震不利。第三：設置多道抗震防線，滿足“大震不倒”的抗震設防要求。第四：增加超靜定次數(shù)，增加重要構件的傳力線路，提高結構的抗震能力。贅余度的增多，可以使結構有更多的部位有機會形成塑性鉸，吸收更多的地震能量。第五：在滿足強度、剛度要求的前提下，選擇具有較好延性的結構材料，增加總體變形能力，增加結構耗能。材料延性從大到小的次序為：鋼―鋼混凝土―鋼筋混凝土。第六：建立整體屈服機制，避免失穩(wěn)破壞。并做到強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件、強埋件弱連接設計；對容易失穩(wěn)的結構，做到強支撐；對受彎構件，做到強壓弱拉等。2.4.2采用多個權威程序（如SATWE、TAT、SAP2000等）進行計算比較，通過動力時程分析，驗證薄弱部位；對重要構件補充有限元分析計算。從而使計算的結論更為完整，結果更為可靠。2.4.3進行小模型風洞試驗，獲取有關風載作用參數(shù)；通過振動臺試驗，獲取有關地震作用參數(shù)。2.4.4采用智能化設計，提高結構的可控性。應用傳感器、質量驅動裝置、可調剛度體系等和計算機共同組成主動控制體系，提供可變側向剛度，控制結構的地震反應等。2.4.5提高節(jié)點連接的可靠度。如鋼結構節(jié)點的焊接處理，鋼混結構中型鋼、鋼板與混凝土的連接等。3結構材料選用更輕、更強、更具有延性的材料是超高層建筑結構材料的首選。鋼筋混凝土、型鋼混凝土、鋼管混凝土和純鋼材料都可作為結構構件的主要材料；而外墻圍護多采用玻璃幕墻、鋁合金幕墻、鋼塑復合板材等；內部隔墻多為輕質隔斷；樓屋面常選用壓型鋼板加混凝土面層，并在裸露的鋼承重構件表面加防火涂料。4結構體系選用更具整體性、更具多道抗震防線、更具延性的結構體系是超高層建筑結構體系的首選，工程中常用的結構體系有：內筒外框或內筒外框并帶角部小筒體（或角形墻）的結構體系，如深圳彭年廣場（酒店部分），H＝222m。內束筒外框架（巨型柱）并帶多個加強層的結構體系，如臺北國際金融中心大廈[5]，H＝508m（含塔尖部分）。筒中筒結構體系，一般外筒為密柱筒，如前紐約世貿(mào)中心，H＝412m。內筒外巨型框架加外斜撐結構體系，如上海環(huán)球金融中心大廈[5]，H＝492m。束筒結構體系，如美國西爾斯大廈，H＝443m。巨型框架、巨型桁架結構體系，如新加坡華僑銀行，45層。懸掛結構和懸挑結構，由于其側向剛度僅由內筒貢獻，體型上大下小，抗風抗震不利，因此建筑物高度受到限制。如香港匯豐銀行大樓，H＝175m（懸掛）；長沙黃興路綜合大樓，H＝115.6m（懸挑）。5結束語對一個超高層建筑來說，與建筑相適應的結構體系、結構布置等概念設計不是絕對的，但合理的結構設計應該是唯一的。我們所要做的工作就是把一些互相制約的因素統(tǒng)一協(xié)調，以滿足建筑物的安全性、適用性和耐久性的要求。參考文獻：[1]GB50009-2001建筑結構荷載規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.24[2]JGJ3-2002