摘要：随着社会科技的进步，建筑的形式也日趋复杂化，主要表现为建筑超高、平面不规则、竖向不规则。在高层及超高层建筑设计过程中，应当从概念设计阶段入手，循序渐进，确定合理的结构方案，选择合理的抗侧力体系，适于结构的技术措施。此外，文中对于复杂高层建筑及超高层建筑中地震荷载、风荷载、巨型柱计算问题也进行了探讨。
关键词：高层；超高层；结构设计；方案分析
引言
与一般建筑相比，高层及超高层建筑设计更为复杂，在设计过程中需要把握高层及超高层建筑设计关键，以满足此类建筑安全合理、性能优良的要求。针对高层建筑的安全适用性及经济合理性，国内现行规范《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》、《高层民用建筑钢结构技术规程》等均对高层建筑具体平面布置要求、体型、高度等进行了详细规定。当前，随着经济的发生、科技的进步，建筑领域计算分析方法不断进步、结构材料更新换代、施工技术水平突飞猛进，建筑师及建设单位对于新奇、壮丽建筑的实现也层出不穷，较多突破传统设计观念、复杂的高层及超高层建筑陆续涌出。
1 结构概念设计
1.1 结构概念设计关键
结构概念设计阶段应当选取合理有效的结构体型布置，注重建筑与结构协同，高效利用材料的体系结构，做好本阶段工作对于后续结构初步设计及施工图设计意义重大。在复杂的高层及超高层建筑设计中，应当重视方案的选取及讨论。在结构概念设计阶段应当注意以下几个方面：力求结构体型布置规则合理；结构明确竖向及抗侧力的传力途径；结构有着较好的整体性及耗能能力；整个体系能形成空间受力体系，可以高效利用结构材料。
1.2 特定的技术措施
常见针对复杂的高层及超高层的技术措施包括如下方面：合理的结构抗侧力体系，合理布置腰桁架及伸臂桁架；适用于结构布置的楼面结构、转换结构；对该建筑端部予以加强，以提高结构抗扭性能，减轻其扭转效应；结构抗震性能优化，尤其兼顾结构关键节点抗震性能，条件许可时可对结构罕遇地震下抗震性能展开计算；开展结构复杂节点部位有限元计算，并对比不同分析软件计算结果，对结构展开动力弹塑性分析；考虑减轻结构荷载措施，如高强度等级混凝土、空心楼等措施；关键楼层，如嵌固部位等楼板厚度加厚；考虑采用钢管混凝土、型钢混凝土等构件提高结构延性。
1.3 结构抗侧力体系
在方案阶段，需仔细必选得出合适的抗侧力体系，选择过程中应遵循以下几点：（1）结构抗侧力体系应配合建筑高度进行选取，各建筑高度常选取的抗侧力体系（2）结构的抗侧力体系应尽可能连接一体，如纵横墙连接一体形成筒体、通过伸臂桁架将框架柱与核心筒连为一体、通过巨型斜撑、环形桁架等将框架柱连为一体、交叉网格筒体等；（3）对于采用多重抗侧力体系的结构，应当计算各抗侧力体系贡献比例，分清抗震防线；（4）分析计算各抗侧力体系中构件受力状态；（5）应尽可能避免结构竖向刚度突变，避免结构中混凝土强度等级与厚度同时变化。
1.4 重力荷载传递路径
对于重力荷载传递路径应注意如下事项：（1）需要明确重力荷载的传递路径；（2）需要综合建筑、设备、内装等专业确定楼板布置方案，综合考虑平板方案、单向次梁、双向次梁等方案，优选最佳方案；（3）可以考虑选取钢梁与组合楼板方案来缩短施工周期，同时可以减轻结构自重，当采用平板方案时，可以考虑内部空腔平板；（4）梁、柱设计时要形成强柱弱梁，设计时要考虑楼板钢筋对于梁端承载力的提高，对于梁端的设计弯矩也可扣除柱宽的影响；（5）高层、超高层结构中常见的转换形式包括：转换梁、搭接柱转换、厚板转换、转换桁架、斜柱转换、搭接墙转换等，其中桁架托住、斜柱转换受力相对合理，应当优选；当转换结构比较复杂时，应当采用仿真模拟软件进行计算或展开试验；设计转换构件时，同时要考虑转换构件在邻跨受力的连续性；（6）框架-核心筒结构应当考虑框架柱与核心筒因受压变形产生的变形差，框架柱与核心筒之间的连接可采用两端铰接、一端铰接或者桁架斜腹杆延迟连接的方式。
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2 设计过程中需要注意的问题
2.1 地震荷载计算
复杂的高层及超高层建筑地震荷载计算时需注意以下方面：（1）建筑周期通常较长，超过抗震规范地震影响系数曲线上限6s的取值，此时曲线继续按原斜率延伸直线至结构对应的周期进行取值；（2）应当按照抗震规范对建设场地地震安全评价；（3）应当注意计算采用的地震时程波与反应谱大体一致。[1]地震波反应谱的影响系数与规范中影响系数相差宜在20%以内，计算的各组波形总时长不应小于结构基本周期的5倍且不小于15s，采用双向或者三向地震动输入；（4）抗震计算时，可将场地特征周期、阻尼比适当增大，周期折减系数取1.0。
2.2 水平荷载问题
在高层建筑中，受自重作用影响会在竖直方向产生一定的弯矩和轴力，并且随着高度增加竖直方向弯矩及轴力受自重影响越明显，最终建筑会由于水平荷载而产生倾覆弯矩。超高层结构的竖向轴力是一定的，因而其水平荷载在外力干扰下会出现变化，因此对该建筑设计时应当考虑水平荷载因素。
2.3 风荷载
在计算风荷载时，复杂的高层及超高层建筑应当采用100年重现期的风荷载对结构承载力进行计算，采用50年重现期的风荷载对结构的变形进行计算。采用10年重现期的风荷载对结构的舒适性进行计算。荷载规范规定对于超过200m的高层建筑、体型特殊的建筑等宜进行风洞试验。
2.4 巨型柱计算
巨型柱承载力计算时与普通的框架柱差别较大，巨型柱截面尺寸较大，各层梁构件对柱约束作用相对有限，因此巨型柱的计算长度取值也应当有所区别。巨型柱计算时宜建立整体分析模型，通过施加1.0×恒荷载+0.5倍活荷载的模式来对结构进行弹性屈曲分析，得出结构在第一屈服模态下复杂巨型柱对应的临界荷载值，并经由欧拉公式进一步反推得出柱的计算长度。
3 建筑适用性及施工过程
3.1 适用性
较为复杂的高层及超高层建筑整体偏柔，在设计过程中应当注重结构顺风向和横风向顶点最大加速度，确保建筑使用过程的舒适性。在建筑进行舒适度计算时，对于混凝土结构阻尼比可取为0.02，钢结构阻尼比取为0.01~0.02。当计算得出的建筑水平振动舒适度不符合规范要求时，可以通过布置阻尼器来满足上述要求。高层和超高层建筑中大跨度楼板、空中连廊等竖向自振频率较低，和行人激励频率较为接近，因此在设计过程中应当注重此类结构舒适度问题。高规作出规定楼盖的竖向振动频率不宜低于3HZ。
3.2 施工过程
在设计阶段应当注重结构的合理性和施工过程的可行性，对于复杂的高层及超高层建筑应当预先模拟具体的施工过程，并考虑施工荷载对结构的影响。对于施工过程的结构分析，应当建立合适的模型，能够较为真实反映施工过程中结构的刚度变化，施加的荷载也能反映结构的荷载变化，较为精确得出结构的形变及应力值。在计算过程中还应兼顾建筑地基沉降等对结构的影响。
结束语
在复杂的高层及超高层结构设计中，应当明确不同阶段结构设计的工作重心。本文基于复杂的高层及超高层设计经验，阐述了高层及超高层建筑在概念设计阶段遵循的原则及注意事项、高层建筑常用的复杂技术措施、抗侧力选择的原则，同时简要介绍了高层及超高层建筑中地震荷载、风荷载、巨型柱承载力计算等难点问题，文章研究成果可为我国类似工程结构设计提供借鉴。
参考文献：
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[4]崔艳.高层建筑地下室建筑设计要点分析[J].山东工业技术，2017，（21）：113.
[5]宋燕.房屋建筑结构设计中基础设计研究[J].建材与装饰，2017，（44）：56-57.
论文作者:高俊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/10
标签：结构论文; 荷载论文; 高层论文; 高层建筑论文; 建筑论文; 桁架论文; 体系论文; 《基层建设》2017年第36期论文;