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1、目 录一、超高层建筑与一般高层建筑结构设计的差异2二、结构设计特点32.1 重力荷载迅速增大42.2 控制建筑物的水平位移成为主要矛盾42.2.1 风作用效应加大42.2.2 地震作用效应加大42.3 P效应成为不可忽视的问题42.4 竖向构件产生的缩短变形差对结构内力的影响增大52.5 倾覆力矩增大。整体稳定性要求提高52.6 防火、防灾的重要性凸现52.7 建筑物的重要性等级提高62.8 控制风振加速度符合人体舒适度要求62.9 围护结构必须进行抗风设计6三、结构设计方法63.1 减轻自重减小地震作用73.2 降低风作用水平力73.2.1减小迎风面积73.2.2 降低风力形心73.2.3
2、选用体型系数较小的建筑平面形状73.3 减少振动。耗散输入能量734加强抗震措施73.4.1 选用规则结构使建筑物具有明确的计算简图83.4.2 采用多个权威程序(如SATWE、TAT、SAP2000等)进行计算比较83.4.3 进行小模型风洞试验，获取有关风载作用参数93.4.4 采用智能化设计，提高结构的可控性93.4.5 提高节点连接的可靠度93.5超高建筑结构类型中的混合结构设计93.5.1 混合结构的结构类型93.5.2 型钢混凝土和圆钢管混凝土柱钢骨含钢率的控制10四、高层建筑结构方案选择的主要考虑因素114.1 抗震设防烈度是超高层结构体系选用首要考虑因素之一114.2 超高层建
3、筑方案，应受到结构方案的制约114.3 超高层建筑结构体系中结构类型的选择124.3.1 拟建场地的岩土工程地质条件的影响124.3.2 抗震性能目标的影响124.3.3 采用合理的结构类型，应考虑经济上的合理性134.3.4 施工的合理性的影响14五、关于结构的抗侧刚度问题15六 超高层建筑结构的基础设计166.1 天然地基基础176.2 桩基础设计18超高层建筑结构设计注意事项一、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
4、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
5、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。7、超高层建筑结构设计一般都需要进行抗震设
6、防专项审查。高层建筑混凝土结构技术规程、建筑抗震设计规范中的B级高度房屋就规定需要进行抗震设防专项审查，还有超过高规中第ll章混合结构设计规定的房屋高度也需要进行抗震设防专项审查。即算是采用全钢结构，超过抗规)第8章规定的房屋高度时，同样需要进行抗设防专项审查。这是因为超过现有规范规定房屋高度，还没有这样的工程经验，只有经过国内专家的评估和论证，必要时还须进行振动模型试验，才能确保工程的安全。而一般高层建筑的房屋高度多在规范容许高度范围并已有大量的科研成果和实际工程经验，除非是特别不规则结构，是不需要进行抗震设防专项审查的。二、结构设计特点2.1 重力荷载迅速增大 随着建筑物高度的不断增加重力
7、荷载呈直线上升，作用在竖向构件柱、墙上的轴压力增加，对基础承载力的要求也更加提高。2.2 控制建筑物的水平位移成为主要矛盾2.2.1 风作用效应加大 风是引起结构水平位移的主要因素，决定风载标准值()大小的各参数随着建筑物高度的增加发生如下变化：只与建筑物的平面形状有关，基本不变；变化不大(总趋势随高度增加会减小，但变化幅度不大)；取值较普通结构增大许多(超高层建筑属于特别重要的结构，对风作用相当敏感，应按n=100年，甚至n=200年的重现期采用)；在梯度风高度范围内呈上升趋势(以地面粗糙程度C类为例，建筑物高度从100m增加到400m，抛增大约184倍，因此，作用在建筑物上的风载沿高度方向
8、呈倒三角形状或抛物线状。建筑物越高，风合力就越大，合力作用点位置就越高，对建筑物产生的作用效应(如建筑物底部总剪力、总弯矩、楼层层间位移角、顶层最大水平位移值等)也越大。2.2.2 地震作用效应加大 多遇地震下对建筑物进行弹性分析计算时，建筑物高度的增加使结构自重增加、重心位置提高，地震作用产生的水平剪力和竖向力增大、作用位置提高，整个结构内力增加；在罕遇地震作用下将导致薄弱部位的加速破坏。2.3 P效应成为不可忽视的问题 超高层建筑高宽比较大，侧向刚度相对较弱，水平位移量大，重力与水平位移所产生的附加弯矩常常大于初始弯矩的10%，必须考虑重力二阶P效应。2.4 竖向构件产生的缩短变形差对结构
9、内力的影响增大竖向构件的总压缩量主要由受力变形、干缩变形和徐变变形三部分组成，对于全钢结构仅需考虑受力变形产生的缩短影响，对于钢混结构、钢组合结构、混凝土结构必须考虑干缩缩短和徐变缩短的影响。一般受力变形瞬时完成，其变形量可用胡克定律作近似计算；干缩变形完成的时间较长，据资料统计约为总压缩量的30；徐变变形完成的时间更长，线性徐变可由公式简单计算；构件的总压缩量随着构件的高度、平均压应力=NA的增加而加大。超高层建筑的竖向构件不但H和较大，而且构件之间的压应力差也较大，因此设计中除了通过控制轴压比使竖向构件之间的压应力较接近外，对钢筋混凝土结构采取逐步将各层柱顶找平后再进行下一道工序的施工办法
10、来减小变形差；对钢结构采取预留柱、墙压缩量的方法来减小变形差；总体结构分析时采取模拟施工方法，减小变形差对内力计算的影响。2.5 倾覆力矩增大，整体稳定性要求提高建筑物高度的增加使得侧向力引起的倾覆力矩增大，抗倾覆要求提高。实际工程中常常采取增加基础埋深、加大基础宽度或采用抗拔桩基等措施来满足整体稳定性要求。2.6 防火、防灾的重要性凸现超高层建筑多采用钢混结构和钢结构，而钢材耐热不耐火的特性更易加重某些次生灾害的发生，例如美国世贸中心的倒塌。一般紧急情况下高楼所需要的疏散时间较长，从顶层飞机救援的行动也常会受到各方面因素的制约，使得实施比较困难，因此防火、防灾的设计更为重要，目前关于防灾方面
11、的具体要求我国还没有相应的规程可循。2.7 建筑物的重要性等级提高超高层建筑常作为当地的标志性建筑，资金投人大，在政治、经济、文化中所起的作用重大，破坏影响较大、波及范围较广，不论其建筑类别均属于重要建筑，因此结构设计的可靠度要提高，一般情况下重要性系数取1.1，特殊情况下也可取1.2。2.8 控制风振加速度符合人体舒适度要求超高层建筑风振作用效应明显，风作用下的顶层加速度直接影响到室内人体的舒适度，实现良好的使用条件要求必须控制顶层的最大加速度满足规程2的限值，同时还要控制由风振引起的扭转加速度，一般不宜超过0.001 rad。2.9 围护结构必须进行抗风设计建筑物高度的增加使得垂直于围护结
12、构表面上的风载标准值也迅速增大，因此必须对围护结构进行抗风设计。如采用玻璃幕墙围护，则其风载更大(取值时，将10min平均风速转换为3s阵风风速计算，须采用结构玻璃满足强度要求，铝合金龙骨满足变形要求。三、结构设计方法3.1 减轻自重。减小地震作用采用高强轻质材料(如全钢结构、幕墙围护、轻质隔断等)，减轻结构自重，减小地震作用。3.2 降低风作用水平力3.2.1减小迎风面积正方形平面形式，横向迎风面最小；如计算对角线方向的迎风面宽，则圆形平面最小；在立面上适当位置开洞泄风(如上海环球金融中心大厦围)，风力降低更直接。3.2.2 降低风力形心采用下大上小的立面体型，既减小高风压在高处的迎风面积，
13、又降低风作用重心，使建筑物底部的倾覆总弯矩减小。同时下大上小的立面体型对建筑底部来说增大了抵抗矩，提高了稳定性，如巴黎的埃菲尔铁塔。3.2.3 选用体型系数较小的建筑平面形状体型系数从小到大可选用下列平面顺序：圆形平面正多边形平面正方形平面，采用流线光滑的外形，避免凹凸多变的建筑形式，减小整体和局部风压的体型系数。3.3 减少振动。耗散输入能量 采用阻尼装置或加大阻尼比，减少振动影响，如台北国际金融中心大厦。选用耗能、减振的结构体系，如采用偏心支撑的钢结构具有耗能的水平段，采用橡胶支座可以减振等。34加强抗震措施3.4.1 选用规则结构使建筑物具有明确的计算简图，合理的地震作用传递途径同。如采
14、用圆形、正多边形、正方形等平面形状，可以使整体结构具有多向同性，避免强弱轴的抗力不同和变形差异。功能复杂的建筑常常是多种结构体系的综合，具体设计时应注意以下问题。(1)结构平面形状尽可能对称。由于地震作用的方向具有随机性，风作用虽有主导方向，但最大值也具有随机性，因此选用具有对称性、多向同性布置的抗侧力结构体系，有利于形心和刚心的重合。(2)竖向构件尽可能连续，避免抗侧力构件的间断，从而形成薄弱层、薄弱部位，对抗震不利。(3)设置多道抗震防线，满足“大震不倒”的抗震设防要求。(4)增加超静定次数，增加重要构件的传力线路，提高结构的抗震能力。赘余度的增多，可以使结构有更多的部位有机会形成塑性铰，
15、吸收更多的地震能量。(5)在满足强度、刚度要求的前提下，选择具有较好延性的结构材料，增加总体变形能力，增加结构耗能。(6)建立整体屈服机制，避免失稳破坏，并做到强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强埋件弱连接设计；对容易失稳的结构，做到强支撑；对受弯构件，做到强压弱拉等。3.4.2 采用多个权威程序(如SATWE、TAT、SAP2000等)进行计算比较，通过动力时程分析，验证薄弱部位；对重要构件补充有限元分析计算，从而使计算的结论更为完整，结果更为可靠。3.4.3 进行小模型风洞试验，获取有关风载作用参数；通过振动台试验，获取有关地震作用参数。3.4.4 采用智能化设计，提高结构的可控性。应用传感器、质量驱动装置、可调刚度体系等和计算机共同组成主动控制体系，提供可变侧向刚度，控制结构的地震反应等。3.4.5 提高节点连接的可靠度，如钢结构节点的焊接处理，钢混结构中型钢、钢板与混凝土的连接等。3.5超高建筑结构类型中的混合结构设计3.5.1 混合结构的结构类型(1)钢框架钢筋混凝上核心筒(内外框梁为钢梁)；(2)型钢混凝土框架钢筋混凝土核心筒(内外框梁为钢梁或型钢混凝上梁)；(3)圆
