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束伟农：北京市建筑设计研究院有限公司（BIAD)）结构专业总工程师 1 超高层建筑的结构的基本参数 1) 轴压比 控制轴压比主要是为了控制结构的延性。规范对墙肢和柱均有相应限值要求。 2) 周期比 控制周期比主要是为了控制结构的扭转效应，减少扭转对结构产生的不利影响。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，结构扭转效应过大。 3) 位移比 控制层间位移比主要是为了控制结构平面的规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。 4) 刚度比 主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，对于形成的薄弱层则按高规予以加强。 5) 刚重比 主要为控制结构的稳定性，避免结构在风载或地震力的作用下整体失稳。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。 6) 层间受剪承载力比 控制竖向不规则性，以免竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2，高规4.4.3；对于形成的薄弱层应按高规5.1.14予以加强。 7) 剪重比 剪重比为地震作用与重力荷载代表值的比值。 主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。 剪重比是规范考虑长周期结构用振型分解反应谱法和底部剪力法计算时，因地震影响系数取值可能偏低，相应计算的地震作用也偏低，因此出于安全考虑，规范规定了楼层水平地震剪力的最小值。若楼层水平地震剪力小于规范对剪重比的要求，水平地震剪力的取值应进行调整。 当剪重比偏小且与规范限值相差较大时，宜调整增强竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。但剪重比过大时，则说明结构的经济技术指标较差。 剪重比是结构整体控制设计的一项重要指标，当其不能满足规范的要求时，就应该进行必要的调整。 当与规范限值相差较大的情况，就只能提高结构的刚度。 但是在对结构刚度进行调整的时候，我们有时会遇到这样一种情况，我们加大了结构下部剪重比不满足规范要求楼层的刚度，但这些楼层的剪重比没有多大的变化，有时反而略有减小。 最小剪力系数与许多参数有关： （1） 剪重比不满足要求，调质量要比调刚度来得更有效； （2） 在确定剪力系数时没考虑高阶振型，但高阶振型一般是有贡献的； （3） 跟场地的特征周期Tg有关系； （4） 有的地区烈度低，但风荷载很大，仅仅控制剪重比是不够的，还需要满足在风荷载下具有足够的底部剪力； （5） 地震安全评价有的与抗震规范有冲突，如在6度区地震加速度很高，底部剪力很容易满足规范要求，这明显是不对的； （6） 风荷载下的位移、建筑舒适度、墙和柱子轴压比和拉力等等，都在制约着抗震规范，所以不仅仅是考虑延性问题。 8) 轴向变形 超高层建筑竖向构件的变位是由弯曲变形、轴向变形及剪切变形三项因素的影响叠加求得的。 在计算多层建筑结构内力和位移时，只考虑弯曲变形，因为轴力项影响很小，剪力项一般可不考虑。 但对于超高层建筑结构，由于层数多，高度高，轴力值很大，再加上沿高度积累的轴向变形显著，轴向变形会使超高层建筑结构的内力数值与分布产生明显的变化。 因此，超高层建筑必须考虑轴向变形对结构的影响。 轴向变形通常采用线性有限元分析竖向荷载下的墙、柱内力和位移。 但随高度增加，这种分析方法会偏离真实情况，因为施工是一个长期过程，即与时间相关的施工顺序、徐变、收缩都会引起内力重分布，而且竖向荷载还会产生水平侧移，这些采用常规分析是不可能实现的，必须对超高层建筑的轴向变形进行专项分析和研究。 2 超高层建筑的高宽比 高宽比（B/H）是超高层结构设计的主要控制因素，也是决定结构刚度的重要指标；基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比；建筑顶部侧移与建筑高度的四次方成正比，并按结构宽度的三次方递减。
钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比
高宽比直接与超高层结构的受力性态相关：高宽比<>，剪切变形为主；高宽比=2~5，弯剪变形；高宽比>5，弯曲变形为主。 高宽比>9，塔楼风荷载下加速度较大，舒适度需要重点考虑。超高层结构由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不会过大，一般为60~80m左右，因此，对于超过400m以上超高层，高宽比一般为7~9。当高宽比超过8时，通常外筒设计为巨型框架或巨型支撑框架（框筒），有效提高结构的抗侧刚度。 当高宽比超过8时，横风向效应显著增强，在8度设防以下地区，风荷载通常成为控制因素。 3 超高层建筑核心筒的高宽比 核心筒高宽比的影响：对于常规的框架-核心筒结构体系，核心筒承担着大部分剪力和倾覆力矩，故核心筒高宽比也是一个重要参考因素。 但对于超高层而言，巨型框架、支撑框筒等高度更大的外框结构常常取代了一般框架，因此，核心筒的承担剪力和倾覆力矩比例会降低。 核心筒面积比例：指核心筒的围合面积占楼面面积的比例，是另一个重要参考指标。围合面积比例<>，核心筒刚度偏弱，宜加强外框筒，采用支撑框筒或巨型结构；围合面积比例=20%~27%，核心筒刚度适中；围合面积比例>27%，核心筒刚度较大，承担剪力和倾覆力矩比例大幅提高，应尤其注重核心筒的性能化设计及二道防线设计。 4 超高层建筑的荷载 对于超高层建筑而言，其结构体系的选择，更主要的是与荷载因素相关，因此，高层建筑结构的设计首先必须以其不同荷载对结构产生的影响为依据，选择最为合理的方案。 超高层建筑的荷载主要有： 1) 竖向荷载 恒荷载+活荷载 2) 水平荷载 地震作用（地震效应与建筑的重量成正比） 风荷载（顺风作用、横风效应） 水平荷载对超高层建筑的主要影响表现在以下两个方面： 侧向位移、扭转反应 结构设计控制策略 1) 减轻结构自重 使用轻质高强材料 用优化方法减轻自重 2) 控制水平荷载对结构的影响 选择合适的体型 提高结构的侧向刚度（采用高刚度材料、合适的抗侧力体系） 3) 采用减振装置 附加阻尼器(如粘弹性减震器)或动力阻尼器(如调谐液体阻尼器，即TLD)减少侧向振幅。 5 超高层建筑的主要结构构件 1) 核心筒--钢筋混凝土核心筒
2) 核心筒--钢+混凝土组合核心筒
3) 巨型柱结构 450m以上的超高层建筑，巨型柱的应用会越来越多。巨型柱的地位非常重要，对构件的选型需要重点考虑。 例如：上海中心巨型柱受力情况：竖向荷载分配：54%；底部剪力分配：57%；底部倾覆力矩分配：79%。 目前常用的两种构件形式： （1）SRC型钢混凝土柱，如上海中心、深圳平安、上海环球金融中心等； （2）CFT钢管混凝土柱，如天津117、台北101、深圳京基中心、北京CBD-Z15等。 4) 伸臂桁架结构 在外框柱与核心筒之间设置伸臂桁架的主要目的是减小结构侧移，它的机理是提高水平荷载作用下的外框架柱的轴力，从而增加框架承担的倾覆力矩，同时减小了内核心筒的倾覆力矩。它对结构形成的反弯作用可以有效的增大结构的抗侧刚度，减小结构侧移，一般情况下也会减小外框架的剪力分担比。 结构可以根据具体情况，仅设置一种或者同时设置以上两种构件，设置了伸臂桁架、环向桁架的楼层可统称为加强层。 设置加强层后，造成结构沿高度方向刚度不均匀，刚度突变带来内力突变，因此在加强层及上下相邻层构件的内力会出现较大的改变，设置是方向性的改变，加强层的刚度越大，内力突变的程度也越大，这种突变会产生薄弱层效应。 因此，在结构抗风设计中，采用伸臂桁架、环向桁架的效果很好，它可以采用刚度大的加强层，以形成较大的抗侧刚度。 而在抗震设计的结构中，应尽可能的减小出现薄弱层形成的不利效应，因此可以不设置加强层时，就不必设置加强层，需要设置加强层时，也不宜采用刚度过大的伸臂和环向桁架，以避免加强层范围出现过大的刚度突变。 沿高度可以布置一个楼层（一道）或多个楼层（多道）的伸臂桁架和环向桁架。研究表明，多道伸臂桁架减小侧移的效果优于一道伸臂桁架，但是伸臂结构数量与减小侧移并不成正比，当设置四道以上的伸臂桁架时，减小侧移的效果就不再明显。 伸臂设置的位置不同，其减小侧移的效果也不相同，研究表明，当沿高度仅设置一道伸臂桁架时，可以设置在结构的2/3H处减小侧移效果最好，而要减小内筒倾覆弯矩则越靠下越好；设置两道伸臂桁架时，其中一道可设置在0.7H高度处，另一道大约设置在0.5H处。 一般的高层结构设计中，伸臂桁架设置位置需要与建筑专业配合。 在结构周围设置环向桁架的作用是使各框架柱承受的轴力均匀变化，因此也可以达到提高外框架抗倾覆力矩的能力以及减小侧移的目的，但是不如伸臂有效。 在框架核心筒结构中，视外框柱的数量和布置方式，可以设环向桁架，也可以不设置；由于环向桁架可以减小框筒结构的剪力滞后，因而在筒中筒结构中，环向桁架可以加大结构的整体刚度并减小其侧移。 6) 巨型斜撑 巨柱之间布置交叉巨型斜撑可以有效提高外框筒的侧向刚度并抵抗水平力。 为保证建筑使用功能，斜撑与四周次框架柱可以位于同一平面，同时与腰桁架起到共同承担重力荷载的作用，并可为次框架柱提供冗余度。 巨型斜撑采用焊接箱形截面，典型截面尺寸较大，如Z15巨型斜撑的最大截面为1600x900x60x60。 应用工程案例有上海环球金融中心、天津117、深圳平安大厦、中国尊、武汉绿地等。 7) 楼板体系--钢梁+组合楼板
6 超高层建筑的基础设计 超高层建筑的基础形式与普通的高层建筑相同，但有其特殊性，设计中遇到的主要问题有：
提高单桩承载力是超高层建筑基础设计的关键问题 超高层建筑常用的基础形式有： 1) 嵌岩基础 基础底一般为中风化或微风化岩 2) 人工挖孔大直径灌注桩基础 基础底至中风化或微风化岩持力层较浅 3) 大直径钻孔灌注桩基础 当持力层为非基岩时，常采用的基础形式。 4) 桩筏基础 超高层建筑的特点是：高度高、荷载重、沉降大，其荷载通过基础传给地基，并在地基中应力扩散。 由于土具有可压缩性，地基在附加应力的作用下，必然产生变形（主要是竖向变形），从而引起超高层建筑基础的沉降或倾斜。 沉降的大小主要取决于土的物理力学性质和建筑荷载，并与基础面积、埋深和支护结构有关。 当超高层建筑基础均匀下沉时，对结构安全不会有太大的影响，但过大的沉降将会影响建筑物的使用和外观，特别是电梯、管道设备等有较大的影响。 当发生不均匀下沉时，结构可能产生裂缝、扭曲或倾斜，影响安全，严重时可能倒塌，这种倒塌实例在国内外都曾有过。因此，建造超高层建筑时，必须认真研究和考虑地基的变形问题，需要准确预测基础沉降。 为保证超高层建筑的正常使用和安全，设计时必须把地基变形控制在容许范围内。所以，地基的变形是设计超高层建筑最重要的控制因素之一。因此，除了研究地基应力变化规律外，还必须认真研究土的压缩特性、地基变形规律、实用和可靠地基础最终沉降量计算以及沉降与时间的关系。 |
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