束偉農(nóng)：北京市建筑設(shè)計研究院有限公司（BIAD)）結(jié)構(gòu)專業(yè)總工程師

1  超高層建筑的結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)

1)  軸壓比

控制軸壓比主要是為了控制結(jié)構(gòu)的延性。規(guī)范對墻肢和柱均有相應(yīng)限值要求,。

2)  周期比

控制周期比主要是為了控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),，減少扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。周期比不滿足要求,，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小,，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大。

3)  位移比

控制層間位移比主要是為了控制結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),。

4) 剛度比

主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性,，以免豎向剛度突變，形成薄弱層,，對于形成的薄弱層則按高規(guī)予以加強(qiáng),。

5)  剛重比

主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)載或地震力的作用下整體失穩(wěn),。剛重比不滿足要求,，說明結(jié)構(gòu)的剛度相對于重力荷載過小,；但剛重比過分大,，則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較差，宜適當(dāng)減少墻,、柱等豎向構(gòu)件的截面面積,。

6)  層間受剪承載力比

控制豎向不規(guī)則性，以免豎向樓層受剪承載力突變,，形成薄弱層,，見抗規(guī)3.4.2，高規(guī)4.4.3,；對于形成的薄弱層應(yīng)按高規(guī)5.1.14予以加強(qiáng),。

7)  剪重比

剪重比為地震作用與重力荷載代表值的比值。

主要為限制各樓層的最小水平地震剪力,，確保周期較長的結(jié)構(gòu)的安全,。

剪重比是規(guī)范考慮長周期結(jié)構(gòu)用振型分解反應(yīng)譜法和底部剪力法計算時，因地震影響系數(shù)取值可能偏低,，相應(yīng)計算的地震作用也偏低,，因此出于安全考慮，規(guī)范規(guī)定了樓層水平地震剪力的最小值,。若樓層水平地震剪力小于規(guī)范對剪重比的要求,，水平地震剪力的取值應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)剪重比偏小且與規(guī)范限值相差較大時,，宜調(diào)整增強(qiáng)豎向構(gòu)件,，加強(qiáng)墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度,。但剪重比過大時,，則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較差。

剪重比是結(jié)構(gòu)整體控制設(shè)計的一項重要指標(biāo),，當(dāng)其不能滿足規(guī)范的要求時,，就應(yīng)該進(jìn)行必要的調(diào)整,。

當(dāng)與規(guī)范限值相差較大的情況，就只能提高結(jié)構(gòu)的剛度,。

但是在對結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行調(diào)整的時候,，我們有時會遇到這樣一種情況，我們加大了結(jié)構(gòu)下部剪重比不滿足規(guī)范要求樓層的剛度,，但這些樓層的剪重比沒有多大的變化,，有時反而略有減小。

     最小剪力系數(shù)與許多參數(shù)有關(guān)：

（1）   剪重比不滿足要求,，調(diào)質(zhì)量要比調(diào)剛度來得更有效,；

（2）   在確定剪力系數(shù)時沒考慮高階振型，但高階振型一般是有貢獻(xiàn)的,；

（3）   跟場地的特征周期Tg有關(guān)系,；

（4）   有的地區(qū)烈度低，但風(fēng)荷載很大,，僅僅控制剪重比是不夠的,，還需要滿足在風(fēng)荷載下具有足夠的底部剪力；

（5）   地震安全評價有的與抗震規(guī)范有沖突,，如在6度區(qū)地震加速度很高,，底部剪力很容易滿足規(guī)范要求，這明顯是不對的,；

（6）   風(fēng)荷載下的位移,、建筑舒適度、墻和柱子軸壓比和拉力等等,，都在制約著抗震規(guī)范,，所以不僅僅是考慮延性問題。

8)  軸向變形

超高層建筑豎向構(gòu)件的變位是由彎曲變形,、軸向變形及剪切變形三項因素的影響疊加求得的,。

在計算多層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移時，只考慮彎曲變形,，因為軸力項影響很小，剪力項一般可不考慮,。

但對于超高層建筑結(jié)構(gòu),，由于層數(shù)多，高度高,，軸力值很大,，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使超高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生明顯的變化,。

因此,，超高層建筑必須考慮軸向變形對結(jié)構(gòu)的影響,。

軸向變形通常采用線性有限元分析豎向荷載下的墻、柱內(nèi)力和位移,。

但隨高度增加,，這種分析方法會偏離真實情況，因為施工是一個長期過程,，即與時間相關(guān)的施工順序,、徐變、收縮都會引起內(nèi)力重分布,，而且豎向荷載還會產(chǎn)生水平側(cè)移,，這些采用常規(guī)分析是不可能實現(xiàn)的，必須對超高層建筑的軸向變形進(jìn)行專項分析和研究,。

2  超高層建筑的高寬比

高寬比（B/H）是超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素,，也是決定結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo)；基底傾覆力矩與建筑高度的平方成正比,；建筑頂部側(cè)移與建筑高度的四次方成正比,，并按結(jié)構(gòu)寬度的三次方遞減。

鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)適用的最大高寬比

高寬比直接與超高層結(jié)構(gòu)的受力性態(tài)相關(guān)：高寬比<>，剪切變形為主,；高寬比=2~5,，彎剪變形；高寬比>5,，彎曲變形為主,。

高寬比>9，塔樓風(fēng)荷載下加速度較大,，舒適度需要重點考慮,。超高層結(jié)構(gòu)由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不會過大,，一般為60~80m左右,，因此，對于超過400m以上超高層,，高寬比一般為7~9,。當(dāng)高寬比超過8時，通常外筒設(shè)計為巨型框架或巨型支撐框架（框筒）,，有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,。

當(dāng)高寬比超過8時，橫風(fēng)向效應(yīng)顯著增強(qiáng),，在8度設(shè)防以下地區(qū),，風(fēng)荷載通常成為控制因素,。

3  超高層建筑核心筒的高寬比

核心筒高寬比的影響：對于常規(guī)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒承擔(dān)著大部分剪力和傾覆力矩,，故核心筒高寬比也是一個重要參考因素,。

但對于超高層而言，巨型框架,、支撐框筒等高度更大的外框結(jié)構(gòu)常常取代了一般框架,，因此，核心筒的承擔(dān)剪力和傾覆力矩比例會降低,。

核心筒面積比例：指核心筒的圍合面積占樓面面積的比例,，是另一個重要參考指標(biāo)。圍合面積比例<>,，核心筒剛度偏弱,，宜加強(qiáng)外框筒，采用支撐框筒或巨型結(jié)構(gòu),；圍合面積比例=20%~27%,，核心筒剛度適中；圍合面積比例>27%,，核心筒剛度較大,，承擔(dān)剪力和傾覆力矩比例大幅提高，應(yīng)尤其注重核心筒的性能化設(shè)計及二道防線設(shè)計,。

4  超高層建筑的荷載

對于超高層建筑而言,，其結(jié)構(gòu)體系的選擇，更主要的是與荷載因素相關(guān),，因此,，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計首先必須以其不同荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響為依據(jù)，選擇最為合理的方案,。

超高層建筑的荷載主要有：

1)      豎向荷載

      恒荷載+活荷載

2)      水平荷載

      地震作用（地震效應(yīng)與建筑的重量成正比）

      風(fēng)荷載（順風(fēng)作用,、橫風(fēng)效應(yīng)）

      水平荷載對超高層建筑的主要影響表現(xiàn)在以下兩個方面：

      側(cè)向位移、扭轉(zhuǎn)反應(yīng)

       結(jié)構(gòu)設(shè)計控制策略

1)      減輕結(jié)構(gòu)自重

       使用輕質(zhì)高強(qiáng)材料

       用優(yōu)化方法減輕自重

2)      控制水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響

       選擇合適的體型

       提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度（采用高剛度材料,、合適的抗側(cè)力體系）

3)      采用減振裝置

       附加阻尼器(如粘彈性減震器)或動力阻尼器(如調(diào)諧液體阻尼器,，即TLD)減少側(cè)向振幅。

5  超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件

1)  核心筒--鋼筋混凝土核心筒

2)  核心筒--鋼+混凝土組合核心筒

3) 巨型柱結(jié)構(gòu)

450m以上的超高層建筑,，巨型柱的應(yīng)用會越來越多。巨型柱的地位非常重要,，對構(gòu)件的選型需要重點考慮。

例如：上海中心巨型柱受力情況：豎向荷載分配：54%,；底部剪力分配：57%,；底部傾覆力矩分配：79%,。

目前常用的兩種構(gòu)件形式：

（1）SRC型鋼混凝土柱，如上海中心,、深圳平安,、上海環(huán)球金融中心等；

（2）CFT鋼管混凝土柱,，如天津117,、臺北101、深圳京基中心,、北京CBD-Z15等,。

4) 伸臂桁架結(jié)構(gòu)

在外框柱與核心筒之間設(shè)置伸臂桁架的主要目的是減小結(jié)構(gòu)側(cè)移，它的機(jī)理是提高水平荷載作用下的外框架柱的軸力,，從而增加框架承擔(dān)的傾覆力矩,，同時減小了內(nèi)核心筒的傾覆力矩。它對結(jié)構(gòu)形成的反彎作用可以有效的增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,，減小結(jié)構(gòu)側(cè)移,，一般情況下也會減小外框架的剪力分擔(dān)比。

結(jié)構(gòu)可以根據(jù)具體情況,，僅設(shè)置一種或者同時設(shè)置以上兩種構(gòu)件,，設(shè)置了伸臂桁架、環(huán)向桁架的樓層可統(tǒng)稱為加強(qiáng)層,。

設(shè)置加強(qiáng)層后,，造成結(jié)構(gòu)沿高度方向剛度不均勻，剛度突變帶來內(nèi)力突變,，因此在加強(qiáng)層及上下相鄰層構(gòu)件的內(nèi)力會出現(xiàn)較大的改變,，設(shè)置是方向性的改變，加強(qiáng)層的剛度越大,，內(nèi)力突變的程度也越大,，這種突變會產(chǎn)生薄弱層效應(yīng)。

因此,，在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中,，采用伸臂桁架、環(huán)向桁架的效果很好,，它可以采用剛度大的加強(qiáng)層,，以形成較大的抗側(cè)剛度。

而在抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)中,，應(yīng)盡可能的減小出現(xiàn)薄弱層形成的不利效應(yīng),，因此可以不設(shè)置加強(qiáng)層時，就不必設(shè)置加強(qiáng)層,，需要設(shè)置加強(qiáng)層時,，也不宜采用剛度過大的伸臂和環(huán)向桁架,，以避免加強(qiáng)層范圍出現(xiàn)過大的剛度突變。

沿高度可以布置一個樓層（一道）或多個樓層（多道）的伸臂桁架和環(huán)向桁架,。研究表明,，多道伸臂桁架減小側(cè)移的效果優(yōu)于一道伸臂桁架，但是伸臂結(jié)構(gòu)數(shù)量與減小側(cè)移并不成正比,，當(dāng)設(shè)置四道以上的伸臂桁架時,，減小側(cè)移的效果就不再明顯。

伸臂設(shè)置的位置不同,，其減小側(cè)移的效果也不相同,，研究表明，當(dāng)沿高度僅設(shè)置一道伸臂桁架時,，可以設(shè)置在結(jié)構(gòu)的2/3H處減小側(cè)移效果最好,，而要減小內(nèi)筒傾覆彎矩則越靠下越好；設(shè)置兩道伸臂桁架時,，其中一道可設(shè)置在0.7H高度處,，另一道大約設(shè)置在0.5H處。

一般的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中,，伸臂桁架設(shè)置位置需要與建筑專業(yè)配合,。

5) 環(huán)向桁架

在結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置環(huán)向桁架的作用是使各框架柱承受的軸力均勻變化，因此也可以達(dá)到提高外框架抗傾覆力矩的能力以及減小側(cè)移的目的,，但是不如伸臂有效,。

在框架核心筒結(jié)構(gòu)中，視外框柱的數(shù)量和布置方式,，可以設(shè)環(huán)向桁架,，也可以不設(shè)置；由于環(huán)向桁架可以減小框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后,，因而在筒中筒結(jié)構(gòu)中,，環(huán)向桁架可以加大結(jié)構(gòu)的整體剛度并減小其側(cè)移。

6) 巨型斜撐

巨柱之間布置交叉巨型斜撐可以有效提高外框筒的側(cè)向剛度并抵抗水平力,。

為保證建筑使用功能,，斜撐與四周次框架柱可以位于同一平面，同時與腰桁架起到共同承擔(dān)重力荷載的作用,，并可為次框架柱提供冗余度,。

巨型斜撐采用焊接箱形截面，典型截面尺寸較大,，如Z15巨型斜撐的最大截面為1600x900x60x60,。

應(yīng)用工程案例有上海環(huán)球金融中心、天津117、深圳平安大廈,、中國尊,、武漢綠地等。

7) 樓板體系--鋼梁+組合樓板

6  超高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計

超高層建筑的基礎(chǔ)形式與普通的高層建筑相同，但有其特殊性,，設(shè)計中遇到的主要問題有：

• 基礎(chǔ)承載力問題

• 基礎(chǔ)不均勻沉降問題

• 單樁承載力問題

提高單樁承載力是超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵問題

超高層建筑常用的基礎(chǔ)形式有：

1)      嵌巖基礎(chǔ)

       基礎(chǔ)底一般為中風(fēng)化或微風(fēng)化巖

2)      人工挖孔大直徑灌注樁基礎(chǔ)

       基礎(chǔ)底至中風(fēng)化或微風(fēng)化巖持力層較淺

3)      大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)

       當(dāng)持力層為非基巖時,，常采用的基礎(chǔ)形式。

4)      樁筏基礎(chǔ)

超高層建筑的特點是：高度高,、荷載重,、沉降大,，其荷載通過基礎(chǔ)傳給地基，并在地基中應(yīng)力擴(kuò)散。

由于土具有可壓縮性,，地基在附加應(yīng)力的作用下，必然產(chǎn)生變形（主要是豎向變形）,，從而引起超高層建筑基礎(chǔ)的沉降或傾斜,。

沉降的大小主要取決于土的物理力學(xué)性質(zhì)和建筑荷載，并與基礎(chǔ)面積,、埋深和支護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān),。

當(dāng)超高層建筑基礎(chǔ)均勻下沉?xí)r，對結(jié)構(gòu)安全不會有太大的影響,，但過大的沉降將會影響建筑物的使用和外觀,，特別是電梯、管道設(shè)備等有較大的影響,。

當(dāng)發(fā)生不均勻下沉?xí)r,，結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生裂縫、扭曲或傾斜,，影響安全,，嚴(yán)重時可能倒塌，這種倒塌實例在國內(nèi)外都曾有過,。因此,，建造超高層建筑時，必須認(rèn)真研究和考慮地基的變形問題,，需要準(zhǔn)確預(yù)測基礎(chǔ)沉降,。

為保證超高層建筑的正常使用和安全，設(shè)計時必須把地基變形控制在容許范圍內(nèi),。所以,，地基的變形是設(shè)計超高層建筑最重要的控制因素之一。因此，除了研究地基應(yīng)力變化規(guī)律外,，還必須認(rèn)真研究土的壓縮特性,、地基變形規(guī)律、實用和可靠地基礎(chǔ)最終沉降量計算以及沉降與時間的關(guān)系,。