陳航

【摘要】隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，大量高層、超高層建筑涌現(xiàn)，以滿足人口居住及社會(huì)需求。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，超高層建筑設(shè)計(jì)技術(shù)與理念不斷更新，需要建筑設(shè)計(jì)人員依據(jù)科學(xué)的結(jié)構(gòu)工程原理，利用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，合理設(shè)計(jì)、判斷建筑結(jié)構(gòu)體系，滿足超高層建筑需求。本文主要對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行概述，并結(jié)合工程案例具體分析超高層結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑；結(jié)構(gòu)體系；混凝土框架

隨著高層建筑技術(shù)日益完善，超高層結(jié)構(gòu)理論、技術(shù)不斷創(chuàng)新，為超高層建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)提供保障。近幾年，大城市人口不斷增長(zhǎng)，用地緊張，而超高層建筑有效緩解了這一局面，并為人們提供良好、舒適的生活、工作環(huán)境，且憑借美觀外形、高度高而成為地區(qū)標(biāo)志建筑，推動(dòng)城市發(fā)展[1]。在超高層建筑建設(shè)中，由于體量、高度的增加使建筑自重增加，施工存在一定困難，需要設(shè)計(jì)者全面考慮施工條件、結(jié)構(gòu)安全性、結(jié)構(gòu)布局等因素，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，確保建筑安全。

一、超高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

按照建筑材料的不同，超高層建筑結(jié)構(gòu)形式主要分為三種類(lèi)型，即鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是我國(guó)目前常采用的建筑結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)體系，可分為剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等[2]。在具體超高層建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)建筑具體高度、功能要求、投資數(shù)額、建筑功能要求等因素，按照安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、合理等原則選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，確保建筑整體結(jié)構(gòu)具有足夠的剛性、承載力、抗震性能。

分析超高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)可知，在建筑高度增加的情況下，結(jié)構(gòu)水平位移與高度的四次方呈正比例上升關(guān)系，且結(jié)構(gòu)承受彎矩也隨之增加。因此，結(jié)構(gòu)具體設(shè)計(jì)中，地震力、水平風(fēng)力設(shè)計(jì)的核心因素。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括：1）結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，由于超高層建筑比較低建筑更柔，其在地震作用下更容易變形，且變形更大。為了確保結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的變形能力，在設(shè)計(jì)時(shí)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性，避免倒塌。2）軸向變形至關(guān)重要，超高層建筑具有較大的豎向荷載數(shù)值，較大的軸向變形在柱中產(chǎn)生，影響連續(xù)梁彎矩，減少連續(xù)梁中間支座的負(fù)彎矩值。3）水平荷載是決定因素，在超高層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載對(duì)其產(chǎn)生傾覆力矩，并在豎構(gòu)件中產(chǎn)生軸力，因此，水平荷載的增加、分布不均將直接影響機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。4）側(cè)移是控制指標(biāo)，超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素是結(jié)構(gòu)側(cè)移，隨著建筑高度的增加，側(cè)移變形增加，所以，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)經(jīng)側(cè)移控制在一定限度范圍內(nèi)。

二、廣州某超高層建筑工程概述

該項(xiàng)目位于廣州市天河區(qū)，是集商業(yè)、辦公、五星級(jí)酒店功能為一體的綜合大樓。地塊面積23419m2，項(xiàng)目總建筑面積42萬(wàn)m2，由三個(gè)塔樓和一個(gè)裙樓組成。地下4層，高度為21.38m，其中負(fù)一層和負(fù)二層有局部夾層，面積110010 m2；地上部分裙樓5層高24.0m，面積28556 m2，西塔17層高65.0m，面積51408 m2，南塔55層高280.0m，面積面積102764 m2、北塔46層高200.0m，面積102764 m2。同時(shí)，該施工地土層為人工填土層、沖積層，殘積層，結(jié)構(gòu)體系設(shè)定為：西塔—鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室及裙樓—鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，南北塔—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。此外，本工程要求結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，裙樓及其上二層塔樓的抗震設(shè)防類(lèi)型為乙類(lèi)，其余塔樓樓層為丙類(lèi)。

三、超高層建筑結(jié)構(gòu)體系選用分析

（一）、裙樓地下室—混凝土無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)

無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)指的是不設(shè)主梁與次梁，直接通過(guò)樓板傳導(dǎo)平面荷載至柱上的結(jié)構(gòu)體系。在具體設(shè)計(jì)中，為滿足車(chē)庫(kù)建筑凈高、設(shè)備管道布設(shè)等因素，需嚴(yán)格控制樓蓋結(jié)構(gòu)凈空，考慮普通梁板框架結(jié)構(gòu)滿足建筑條件情況下，其經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)構(gòu)性能已不能滿足具體工程需要，故裙樓地下室選用鋼筋混凝土無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)際計(jì)算對(duì)比，整體樓蓋厚度控制于400mm內(nèi)，對(duì)比框架結(jié)構(gòu)的800mm梁高情況多出400mm的凈空。柱與柱間通過(guò)板內(nèi)設(shè)置暗梁的方式，保證結(jié)構(gòu)體系的整體性及穩(wěn)定性，平衡柱端彎矩。同時(shí)，于板柱連接位置設(shè)置柱帽，增強(qiáng)樓板抗沖切性能， 示意圖如1所示。

圖1 無(wú)梁樓蓋示意圖

（二）、西塔（公寓）— 鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)

框支剪力墻結(jié)構(gòu)即下層為框架、上層為剪力墻的結(jié)構(gòu)體系，在該結(jié)構(gòu)中，因建筑要求部分剪力墻不能落地，需要直接落在下層框架梁上，然后荷載有從框架梁轉(zhuǎn)移到框架柱上[4]。例如，在本工程中，標(biāo)準(zhǔn)層墻體無(wú)法落地，故西塔采用鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，并在合適位置設(shè)置轉(zhuǎn)換層。由于建筑的抗震能力直接受轉(zhuǎn)換層位置的影響，因此，其位置宜低不宜高，若過(guò)高將影響接結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳遞，造成墻體裂縫。在西塔17層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在8層處設(shè)置轉(zhuǎn)換層，并采用梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并在建設(shè)中強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部框柱、剪力墻剛度，避免在轉(zhuǎn)換梁上一層墻體上設(shè)置門(mén)洞[5]。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)換層即是下層結(jié)構(gòu)的封頂，又是上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，這樣，轉(zhuǎn)換層的存在使上下傳力構(gòu)建無(wú)法連續(xù)傳遞，轉(zhuǎn)化層主結(jié)構(gòu)承載豎向傳力，需要對(duì)主梁配置加強(qiáng)筋構(gòu)造，以此提高主梁承受力。

（三）、南北塔樓（辦公室、酒店）—框架核心筒結(jié)構(gòu)

框架核心筒結(jié)構(gòu)體系即由外圍的稀柱框架、鋼筋混凝土核心筒所組成的結(jié)構(gòu)。在本工程中，因塔樓功能需要，樓內(nèi)凈空及室內(nèi)空間要求較大，而建筑高度限制了結(jié)構(gòu)梁高。故本工程中，南北塔采用框架核心筒結(jié)構(gòu)。外圍柱距為10m～12m左右，采用鋼管柱，其截面尺寸遠(yuǎn)比同等情況下混凝土柱截面尺寸小。同時(shí)，主梁采用空心鋼管寬扁梁，配合核心筒墻帽構(gòu)件共同工作，將梁高壓縮至450mm，既保證整體結(jié)構(gòu)抗震性能，又能滿足建筑使用凈空需要。在具體設(shè)計(jì)中，由于地下室使用空間需要，塔樓外框柱并不能落于基礎(chǔ)內(nèi)，經(jīng)過(guò)分析及實(shí)際計(jì)算對(duì)比，最后定于首層對(duì)兩根鋼管砼柱進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑將會(huì)逐漸向超高層結(jié)構(gòu)發(fā)展，超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系選擇、設(shè)計(jì)問(wèn)題越來(lái)越突出。在超高層建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要全面考慮建筑功能需求、抗震要求、樓層整體結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，并科學(xué)施工，提高工程質(zhì)量，確保超高層建筑的安全、穩(wěn)定。

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