超高层建筑结构设计

摘 要：超高层建筑的建造,其所以如此之快,除了有的城市为了有一个高大的形象建筑之外,主要还是超高层建筑能在有效面积的土地上,得以发挥最大的使用效益.也尽管建造超高层需要的费用比一般高层建筑高出很多,但在我国的城市建设中,随着日益快速发展的需要,为土地使用率的提高,必然会使超高层建筑以更快的速度发展.

关 键 词：超高层建筑；结构设计；基础设计

1超高层建筑与一般高层建筑结构设计的差异

1)从房屋高度上,超高层建筑的房屋高度在100m以上直至有几百米甚至上千米的设想,而一般高层建筑的房屋高度则是在100m以下.

2)超高层建筑由于消防的要求,须设置避难层,以保证遇到火灾时人员疏散的安全.由于机电设备使用的要求,还需要设置设备层.一般超高层建筑是两者兼而使用,而对于更高的多功能使用的超高层建筑,它不只每15层设一个避难层兼设备层即可,还需要设有机电设备层.对于这些安放有设备的楼层设计除考虑实际的荷载之外,更需考虑设备的振动对相邻楼层使用的影响.同时,这些楼层的结构设计,为提高结构的整体刚度,可用来设置结构加强层.这与一般高层建筑设计是不相同的.

3)超高层建筑的结构类型选择上相对要广,除钢筋混凝土结构外,还有全钢结构和混合结构.而一般高层建筑结构除了特殊条件需要者外,多为钢筋混凝土结构.

4）超高层建筑的平面形状多为方形或近似,对于矩形平面其长宽比也是在2以内,尤其抗震设防的高烈度地区更应采用规则对称平面.否则,在地震作用时由于扭转效应大,易受到损坏.而一般高层建筑平面形状选择余地要大.

5）超高层建筑的基础形式除等厚板筏基和箱基外,由于平面为框架-核心筒或筒中筒,基本没有一般高层建筑中所采用的梁板筏基.同时,由于基底压力大要求地基承载力很高,除了基岩埋藏较浅可选择天然地基外,一般均采用桩基.另外,超高层建筑基本不采用复合地基,而一般高层建筑则有采用.

6）房屋高度超过150m的超高层建筑结构应具有良好的使用条件,满足风荷作用下舒适度要求,结构顶点最大加速度的控制满足相关规定要求,而高层建筑设计不需要考虑.

2超高层建筑结构的基础设计

超高层建筑一般多设二层或更多层的地下室,其基础的埋置深度均能满足稳定要求.而对于基岩埋藏较浅无法建造多层地下室不能满足埋置深度要求的,则可设置嵌岩锚杆来满足稳定要求.其基础形式应据场地的岩土工程地质条件,在满足地基承载力的同时也满足沉降变形设计的要求.一般当基底砌置在第四纪冲、洪积的黏性土层或海相沉积的土层时,其地基承载力不能满足且地基刚度也不能满足变形要求,因此,需采用桩基方案.而房屋高度在150m左右且房屋楼层约40层左右的超高层建筑,当基底砌置在第四纪厚度较大且密实的砂、卵石层时,一般承载力特征值和压缩模量都很高,则可考虑采用天然地基方案.对于基底砌置在中风化或微风化的基岩上的情况,则无论房屋高度多大,均为天然地基方案.

1）天然地基基础.上述两种情况下的天然地基方案,其基础形式是各不相同的.对于基底砌置在砂、卵石层的基础,多是采用等厚板筏形基础.但也有工程采用箱形基础,主要利用作为消防水池,如155m高的北京国贸中心一期写字楼工程.由于该工程有3层地下室只是最下1层是箱基,而其他1层、2层不是,故总称为箱筏联合基础.等厚板筏基的板厚应具有较大的刚度,以使基底压力均匀分布以及减小外框（筒）和内筒的沉降变形差异,通常设计的等厚板筏基的板厚取外框和内筒之间跨度的1／4左右.而对于基底砌置在中风化或微风化的基岩上,由于基岩承载力特征值很高,则外框柱可采用独立基础,内筒可采用条形基础或等厚板筏形基础.如某地区工程基底的中风化泥岩和中风化砂岩的承载力特征值分别为2650kPa和10380kPa,就可按上述的基础形式进行设计.同时,由于中风化或微风化基岩刚度很大,荷载作用下沉降变形甚微,所以地下室底板厚可按构造设置或按岩石裂隙水的水浮力计算考虑.在基岩上的独立柱基础,一般为使施工开挖不破坏基岩的整体性,多采用人工挖孔桩的开挖方式施工.

2)桩基础设计.超高层建筑的桩基础,由于基底压力大,要求的单桩竖向承载力较高,因此,均采用大直径钻孔灌注桩或有条件的工程场地采用大直径人工挖孔扩底灌注桩.桩端持力层的选择应考虑层厚较大和密实的砂、卵石层或中风化、微风化基岩,以减少桩端沉降变形.关于桩的布置总原则应集中布于柱下和墙下,但不同的桩型布桩的结果是各不相同的.如果设计采用的是端承桩或是摩擦端承桩,由于单桩竖向承载力特征值很高,所需桩数要少,则可布于柱下和墙下；如果设计采用的是端承摩擦桩或摩擦桩,由于单桩竖向承载力特征值相对要低,则往往整个基底承台下需要满布桩方能满足设计承载力和变形控制的要求.上述两种不同的布桩方式,其桩承台板的厚度是各不相同的：布桩于柱下或墙下的承台厚度一般由冲切确定,且地下室的底板厚度可小于外框和内筒承台厚度,按构造或水浮力产生的底板内力计算要求确定；而对于满布桩的承台厚度应如同天然地基基础中的等厚板筏基一样,承台板应具有较大的刚度以使基底承台桩均匀受力,因此承台板的厚度一般不是由冲切确定.这种满布桩的等厚板承台的内力计算,可根据桩的单桩竖向承载力的实际平均反力并按刚性方案的倒楼盖计算,这样是符合实际工程受力状态的.

我国在20世纪80年代后期,为了提高钻孔灌注桩的竖向受压承载力,经过科学试验开始在工程上应用后注浆钻孔灌注桩并取得了很好的成果.这种后注浆钻孔灌注桩不仅单桩竖向承载力得到大幅度的提高,而且桩端沉降变形减小,在桩基工程中已被广泛采用.现有桩基设计规范对后注浆钻孔灌注桩单桩相对普通钻孔灌注桩的单桩竖向承载力提高系数已有明确规定,总体来说与各地岩土工程地质条件有关.像某地区桩端持力层为卵石、园砾层,桩侧为黏性土层和砂卵石层,其提高值接近普通钻孔灌注桩的两倍,但必须是由具有后注浆技术资质的专业公司施工.从工程造价上讲,采用后注浆钻孔灌注桩总的工程费用可降低25％左右.因此,该桩型是超高层建筑桩基设计中采用的合理桩型.另外,关于钻孔灌注的成孔方法,以往均采用反循环钻机施工,而现在对于一定的桩长采用旋挖钻机,施工速度快,特别是桩端沉渣厚度很小甚至几乎没有,从而有效的保证了钻孔桩的施工质量.这种钻机是在工程实施中凡有条件应当优先采用的钻机.某项目的1期、2期工程超高层写字楼和公寓楼全部采用后注浆钻孔灌注桩并采用旋挖钻机成孔,后注浆技术为中国建筑科学院地基基础研究所专利技术并由他们实施完成.该工程的主裙楼间虽荷载差异很大,设计中考虑到采用后注浆钻孔灌注桩均不设置沉降后浇带,建成投入使用后,地基差异沉降实测值均在设计允许范围之内并与地基所地基的沉降计算分析结果基本吻合.

3结语

由于水平有限,还不一定准确甚有不正确之处,现将其抛出是为了与同行者共同研讨.同时,也正如前文中所述,随着我国国民经济的高速发展,我国超高层建筑的建造必将同时有更快的发展.所以,欢迎同行提出宝贵意见,为共同提高超高建筑结构的设计水平而努力.