刍议复杂高层与超高层建筑结构设计

摘 要：随着经济的发展和社会的进步,复杂高层与超高层建筑将会越来越多地出现在人们的生活当中.但由于在超高建筑方面经验还不多,因此也存在着一些问题急待解决.本文将对复杂高层与超高层建筑的结构设计进行详细的讨论.

关 键 词：复杂高层；超高层；建筑结构设计

引言

复杂高层与超高层与普通的高层建筑有所不同,必须引起设计人员的注意.随着超高建筑物的不断增加,虽然逐渐地暴露出一些设计方面存在的不足,但这些问题为人们在日后的超高建筑建设方面积累了一定的经验.为此,本文首先对复杂高层与超高层建筑与普通高层的差异进行比较,然后对复杂高层与超高层建筑的结构设计进行论述.

1复杂高层与超高层建筑和普通高层建筑在结构设计上的区别

复杂高层与超高层建筑和普通建筑在结构设计上存在明显的差异,一般普通高层的高度基本都建立在200m以内,而复杂高层与超高层建筑的高度基本都在200米以上乃至上千米.对于普通高层,人们大多采用的是混凝土的结构设计,但复杂高层与超高层建筑在结构设计方面还可以选择全钢结构或者混合的结构设计.同时由于复杂高层与超高层建筑对消防以及机电设备的要求要更高一些,因此要考虑到避难层与机电设备层的设计.为避免地震等自然灾害对建筑物的破坏,复杂高层与超高层建筑在平面形状的选择上较普通的高层建筑要少得多,并且要满足《高层建筑混凝土结构技术规程》的抗震要求.另外复杂高层与超高层建筑需要考虑风载荷作用下舒适度的问题,而普通高层建筑无需考虑.

2复杂高层与超高层建筑结构设计需要考虑的问题

2.1抗震设防烈度

对于超过100m以上的建筑物,在不同强度的抗震设防烈度下,对于建筑物的高度要求也是不尽相同的.一般情况下,抗震设防烈度在8度的区域不适宜建设300m以上的建筑物,复杂高层与超高层建筑适合建设在抗震设防烈度在6度的地区.

2.2结构方案

对于一个优秀的建筑设计师来说,在设计中首先就要考虑到建筑物的结构方案问题,尤其对于复杂高层与超高层建筑来说,如果结构方案选择不当,将会引起整个方案的调整,因此,在设计单位进行建筑方案设计时,需要有结构专业参与到设计当中.

2.3结构类型

在复杂高层与超高层建筑结构类型的选择上,人们不但要充分考虑到拟建方案所在地的岩土工程地质条件,同时要考虑到该区域的抗震度要求.另外,为了节约建筑成本,人们还需要充分考虑到在工程造价问题以及施工的合理性问题,同等条件下选择造价较低的合理的结构类型.

2.4关注舒适度和施工过程

2.4.1高层建筑水平振动舒适度

复杂高层与超高层建筑因其结构较柔,设计时,除保证结构安全外,还需满足室内居住人群的舒适度要求,高层混凝土规程、高钢规程均提出了明确的设计要求,需对高层建筑物在顺风向和横风向顶点最大加速度进行控制.复杂高层建筑需讲行舒适度分析,对混凝土结构阻尼比宜取0.02,对混合结构、钢结构阻尼比可根据情况取0.01～0.02舒适度验算时,可取10年重现期下风压值进行.高层混凝土规程和高钢规对舒适度验算的要求,公寓类建筑（如住宅、公寓）和公共建筑（如办公、旅馆）因功能不同,其水平振动指标限值也有所不同.当水平振动舒适度不满足或为进一步提高舒适度水平时,可采用增设TMD（可调质量阻尼器）,TLD（可调液体阻尼器）等方法实现.

2.4.2大跨、悬挑柔性楼盖竖向振动舒适度控制

复杂高层建筑设计中常设计大跨度楼板、空中连桥、大跨悬挑等复杂建筑特征,此类部位由干结构竖向自振频率较低,与行人激励频率相近,彼时需对楼盖设计时的舒适度问题予以关注.高层混凝土规程要求楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz,且对不同竖向自振频率下的楼盖竖向振动舒适度峰值也提出了控制要求.因适用对象不同,住宅、办公建筑、商场及走廊建筑的竖向振动峰值加速度限值亦不相同.

2.4.3设计时应考虑施工建造过程的可实施性

设计人员在结构设计时,应注意复杂节点部位钢筋及钢材传力的可靠性以及现场施工的可实施性.型钢混凝土梁柱节点中主筋与型钢相交时常用四种处理方法：①钢筋绕讨型钢；②型钢表面焊接钢筋连接套筒；③钢板上开洞穿钢筋；④钢筋与型钢表面加劲板相焊接.复杂高层建筑施工方法会采取一些特殊工艺,如某塔采用“内理型混凝土施工、造型中部增设水平临时支撑桁架”见图1.

3复杂高层与超高层建筑的结构设计

3.1风载荷

在复杂高层与超高层建筑的结构当中,由于建筑结构的第一自振周期与其所在地面卓越周期相差很大,随着建筑物高度的不断增加,风载荷的影响要远远大于地震对建筑物的影响,特别是对于一些比较柔的复杂高层与超高层建筑,风载荷是它结构设计中的控制因素.因此,人们有必要对风载荷进行专业的研究.一般情况下,我国规定风载荷的计算公式为Wk等于βzμsμzW0,其中μz为风压高度的变化系数.其中A类地面：μz等于0.794Z0.24；B类地面：μz等于0.479Z0.52；C类地面：μz等于0.284Z0.40.在《建筑结构荷载规范》当中,对200m以上的复杂高层与超高层建筑也进行了相应的规范,其中就包括在对复杂高层与超高层建筑确定非圆形截面横风向风振等效风荷载情况时,要求必须进行风洞试验.它的主要目的在于通过试验对建筑外形的空气动力进行进一步优化,同时确定围护结构以及主体结构的风载荷的标准值,对设计整体进行优化.

3.2重力载荷

对于复杂高层与超高层建筑,在设计时要考虑到重力载荷的传力情况,实现合理的传力途径,因此在设计时对于重力载荷的途径要尽可能地直接明了,同时要充分考虑到因建筑外圈框架和核心筒之间轴压比之间的差异而造成的变形差对水平构件产生的影响.一般采用一些施工的处理方法连接框架与核心筒.3.3混合结构的设计

在复杂高层与超高层的建筑当中,很多时候都会采用混合结构设计,混合结构分为三种,而在实际中常用的是圆钢管或者是矩形钢管的混凝土框架与钢筋混凝土核心筒的混合结构,以及型钢混凝土框架与钢筋混凝土核心筒（内外框梁为钢梁或型钢混凝土梁）的混合结构两种.每种结构类型在设计上对钢材用量的需要也不尽相同.在设计中,要考虑到对型钢、圆钢管混凝土中柱钢骨的含钢量,严格按照技术规程的要求进行控制,同时,在钢筋混凝土的核心筒要设置型钢柱,这样就可以确保型钢混凝土、筒体延性相同,从而促使它们两者之间的竖向变形减小.对于结构抗侧刚度无法满足变形需要的混合结构,人们采取相应措施进行弥补.比如,设置水平伸臂桁架的加强层,或利用避难层或设备层在外框或外框筒周边设置环状桁架.

4复杂高层与超高层建筑结构设计的关键点

4.1构造设计要合理

在对复杂高层与超高层建筑物进行设计时,必须保证构造的设计谨慎并合理,重点要注意对一些薄弱的部位进行加强,避免出现薄弱层,充分考虑到温度应力对建筑物的影响以及建筑物的抗震能力,注意构件的延性以及钢筋的锚固长度,在对平面和立面进行布置时要确保平整均匀.

4.2计算简图要合适

计算简图是对建筑物结构进行计算的基础,它直接关系到复杂高层与超高层建筑的结构安全.为了保证结构的安全性,人们必须从计算简图抓起,慎重研究,合理选择,对于存在于计算简图中的误差,要保证其值控制在技术规程允许的范围内.

4.3结构方案选择要合理

建筑方案的合理性取决于结构方案是否合理,因此,在选择结构方案时不但要充分考虑到经济因素,还要充分考虑方案的结构形式和结构体系,同时能够充分结合设计要求、材料、施工以及自然因素等来确定结构方案,确保结构方案的合理性.

4.4基础方案选择要合理

在进行基础方案的设计中,设计师要考虑到载荷的分布情况,工程所在的自然因素、地质条件,施工方的施工条件,周围建筑物对所设计建筑物造成的影响等各方面因素,以此来确保基础方案的选择既经济又合理,达到最优效果.

5结束语

复杂高层与超高层建筑是社会发展的必然结果,随着科技进步,越来越多的复杂高层与超高层建筑将会逐渐亮相于城市之中,我们虽然在复杂高层与超高层建筑当中取得了一定的成绩,但仍需我们不断研究与改进,使复杂高层与超高层建筑的结构设计更加完美,发展更为迅速.