基于复杂高层及超高层的建筑结构设计探讨

刘金涛

（雅克设计有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000）

基于复杂高层及超高层的建筑结构设计探讨

刘金涛

（雅克设计有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230000）

随着我国技术的不断进步，高层建筑结构越来越复杂。平面不规则、竖向不规则、超高是高层建筑复杂性的显著体现，因此进行对复杂高层结构设计的过程中，在确保安全性的同时，还用注重结构设计的经济性。本文首先详细的分析了复杂及超过层结构设计中的要点，最后以某工程实例说明结构性能设计在复杂高层及超高层建筑结构设计的重要性，为今后工程的设计提高一定的参考依据。

复杂高层；建筑结构；关键技术；研究

1　复杂高层与超高层建筑结构设计要点

1.1选择合理的结构抗侧力体系

高层建筑高度的不同，其采用的结构抗侧力体系也各不相同，其结构抗侧力体系如表1所示。

表1　建筑工程不同高度时结构抗侧力体系

在对复杂高层及超高层结构设计时，应确保结构抗侧力构件能够发挥整体作用，当采用多层抗侧力体系时，需要对每种抗侧力体系对结构的作用进行分析，进而对抗侧力构件进行科学合理的布置。复杂高层和超高层建筑结构的抗侧力构件尽量相互连接，增强结构的整体性，比如可以采用伸臂桁架将框架柱和核心筒相互组合，图1所示的广州东塔及其组合抗侧力体系，该建筑在进行结构设计时，就是通过伸臂桁架很好的实现了核心筒和框架柱的相互连接。

图1　广州东塔及其组合抗侧力体系

此外还可以采用巨型斜撑、环带桁架框架柱组合成整体，使其形成巨型框架，如图2所示的深圳平安大厦及其组合抗侧力体系，该建筑在进行结构设计时，就是通过巨型斜撑、环带桁架将框架柱组合成整体。

此外，还可以将纵横墙体相互组合起来，形成组合混凝土筒体或组合墙，这几种抗侧力体系在复杂高层及超高层建筑结构中得到广泛的应用。

1.2重视建筑结构概念设计

大量工程实践经验告诉我们，复杂高层及超高层建筑，首先应做到结构概念设计上的合理性，从结构设计的理念给予高度的重视，在进行概念设计时可参考以下几方面的内容：

（1）尽量做到结构平面上和竖直方向的规则性，从结构均匀性上提高复杂高层及超过高层建筑的稳定性；

（2）确保建筑结构具有明确的传力路径，尤其是竖向传力，一定要保障结构传；力路径的顺畅连续性；

（3）对复杂高层及超高层建筑首先应确保在结构上具有很高的整体性；

（4）建筑结构的整体受力是建筑设计的重要内容，因此需要从工程材料和设计、施工技术上提高受力结构的整体水平，为了充分实现这项要求，就必须协调工程师之间的交流性，只有保证良好的沟通才能实现结构设计的目标。

图2　深圳平安大厦及其组合抗侧力体系

1.3结构的抗震设计

在满足建筑功能性的基础上，抗震设计是复杂高层及超高层建筑设计的重点，也是确结构安全性最为关键的一环，在地震发生时能够有效的减低输入结构中的地质能量，实践证实，做好抗震设计需要做好以下五个方面：

①在进行复杂高层及超高层建筑结构地震作用下构件的承载力验算的同时还需要应对结构的层间位移限值进行有效的控制；②在对具体复杂高层及超高层建筑工程项目设计时，我们可以采用基于位移的结构抗震方法，对基于力的结构设计方案进行定量分析，确保结构在罕遇地震作用下的塑性变形能够满足预期要求；③对复杂高层及超高层建筑构件的变形和结构的整体位移之间的精确关系进行综合的分析，确定构件的有效变形值；④加强复杂高层及超高层建筑结构构件的构造设计，并对一些重要构件进行有针对性的设计；⑤选择坚固的场地，做好工程的施工，有效的减少地震输入结构中的能量。

1.4抗风设计

在复杂高层及超高层建筑结构中，结构的第一自振周期和工程所在地的卓越周期相差很大，对于抗震设防烈度相对比较低的，比如Ⅵ度设防、Ⅶ度设防，此时风载荷对结构的影响要远远超过地震对结构的影响程度，尤其是对于一些比较柔的复杂高层及超高层建筑，风载荷在结构设计中起到控制作用。因此，对于这类建筑结构设计工程师有必要对风载荷进行专业的研究。一般情况下，我国《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）中风载荷的计算公式为Wk=βzμsμzW0，其中μz为风压高度的变化系数。对于A类地面：μz=0.794Z0.24；B类地面：μz=0.479Z0.52；C类地面：μz=0.284Z0.40。在《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）当中，对200m以上的复杂高层和超高层建筑做了特殊的规范，在确定复杂高层及超高层建筑确定非圆形截面的横风向风振等效风荷载时，必须进行风洞试验。通过风洞试验对建筑外形的空气动力进行优化，同时确定主体结构和围护结构的风载荷标准值，进行对结构整体设计进行优化。

1.5控制关键设计指标的合理性

对于复杂高层及超过程建筑工程在进行结构设计过程中确保各项关键设计指标的合理性，包括：结构的单位面积质量、周期比、剪重比、位移比、层间位移角、刚度比与抗剪承载力比、整体稳定性、核心筒和框架部分剪力与弯矩的分配情况等。

2　复杂高层及超高层基于性能的抗震设计

2.1确定性能目标

复杂高层及超高层结构抗震设计的性能目标是指某一设定地震地面运动下结构所要达到的预期性能水准，国家标准《建筑抗震设计规范》（GB5001-2010）对结构地震破坏等级进行了划分，表2为我国建筑结构抗震设计中四种性能控制目标。

表2　建筑结构抗震设计的控制目标

根据抗震安全性评价的能量原则，在进行结构设计时如果结构构件的抗震承载力高，就可以适当的降低结构塑性变形能力的延性要求；反之，如果结构构件的抗震承载力比较低，则应相应的提高结构的延性变形能力。当结构达到性能目标1时，在预期的罕遇地震作用下结构整体上基本上处于弹性状态，则对于细部构造只需要满足最基本的构造要求即可；当结构达到性能目标2时，在设防烈度地震作用下结构构件基本上完好，在预期罕遇地震作用下部分结构构件可能发生屈服，对于细部构造则需要满足延性的最低要求；当结构达到性能目标3时，在设防烈度地震作用下结构构件已有轻微的塑性变形，在罕遇地震作用下结构整体上有明显的塑性变形，对于细部构造则应满足延性构造的中等要求，当结构达到性能目标4时，在设防烈度地震作用下结构构件的损坏已大于性能目标3，结构的总体抗震承载力仅略高于一般情况，对于细部构造则需要满足延性的最高要求。

2.2合理选用结构的性能目标

对于复杂高层及超高层建筑，其结构的高度或规则性都超出了现行的规范、规程的适用限值，从而在进行这类结构的抗震设计时缺少可靠的规定和依据。基于性能的设计方法是当前我国复杂高层及超高层建筑结构的辅助设计，需要综合考虑结构的超高超限情况、不规则程度、工程所在地的设防烈度和经济因素，对结构的关键部位、薄弱部位或主要的抗侧力构件，在满足提高结构的抗震承载力或结构的变形能力或同时提高结构的抗震承载力和变形能力的要求的情况下，合理确定结构的性能目标。

2.3工程实例分析

某复杂工程其抗震设防烈度为Ⅵ度，场地类别为Ⅲ类，结构形式为大底盘双塔结构，北塔楼地上58层，总高度为246m，为框架-核心筒结构体系，框架柱采用型钢混凝土柱，沿竖向利用建筑避难层设置三道环向钢筋混凝土桁架。裙房大底盘在水平方向极不规则，错层、楼板开洞、越层柱等，如图3所示；北塔楼高度超B级，由于环向桁架的设置使得相邻楼层受剪承载力比不能满足规范要求。

本工程的抗震性能目标和主要的抗震措施：增强大底盘结构的整体抗震性能，对大底盘和大底盘屋面以上2～3层的竖向抗侧力构件都按中震弹性的性能要求进行设计，大底盘结构的抗震措施按照不低于北塔楼抗震措施要求进行设计；三道环向桁架所在楼层及上下相邻楼层按中震弹性进行抗震承载力验算；对底层抗震墙肢的平均剪应力进行控制，使其不大于0.15fck，本工程满足罕遇地震作用下结构构件截面的抗剪控制条件。

本工程进行小震作用下的弹性验算后，采用静力弹塑性推覆法对结构进一步的分析，推覆结果表明本工程在6度中震时整体结构基本上处于弹性状态，主要的抗侧力构件如抗震墙、框架柱和梁都没有发生屈服，核心筒处的部分连梁出现了少量的塑性铰，且塑性铰刚刚达到屈服。本工程在6度罕遇地震作用下整体结构塑性铰的分布情况如图4所示，由图4可知连梁达到一定的屈服程度，核心筒底部和环向桁架所在楼层个别墙肢也相继出现了塑性铰；另外和核心筒相连的部分框架梁梁端也出现了塑性铰，且大部分梁端塑性铰分布在避难层。但本工程整体上满足结构在罕遇地震作用小的承载能力和变形能力。

图3　工程效果图

图4　工程罕遇地震作用下塑性铰分布

3　结束语

随着我国建筑业的飞速发展，建筑结构的形式越来越复杂，高度越来越高，在进行复杂工程及超高层建筑结构设计的过程中，保证其科学合理性是非常必要的，本文主要对复杂高层及超高层建筑结构中的设计要点进行了简单的分析，并以实际工程为例对复杂高层及超高层建筑结构的性能设计进行了探讨，对今后类似这样的工程设计具有一定的参考价值。

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TU973

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1673-0038（2015）36-0039-03

2015-8-19