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摘要：通过多年的实践，简单分析超高层建筑结构设计的特点，说明在超高层建筑中结构设计的重要性。
关键词：超高层建筑 结构概念设计 结构体系
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
随着经济的高速发展，人们对建筑功能的要求多样化，超高层建筑相继拔地而起。由于超高层建筑结构复杂多样，设计计算结果与实际相差较大，分析计算往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标，所以必须重视概念设计。
一、结构设计特点
1. 重力荷载迅速增大
随着建筑物高度的增加，重力荷载呈直线上升，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将提高。
2. 建筑物的水平位移
①风作用效应加大
风是引起结构水平位移的主要因素，作用在建筑物上的风荷载沿高度方向呈倒三角形状。建筑物越高，风合力就越大，合力作用点就越高，对建筑物产生的作用效应也越大。
② 地震作用效应加大
建筑物高度的增加使结构自重增加、重心提高，地震作用產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，地震时将加速薄弱部位的破坏。
3 .P△效应
超高层建筑高宽比大，侧高刚度较弱，水平位移大，重力与水平位移所产生的附加弯矩常大于初始弯矩的10％，必须考虑重力二阶P△效应。
4. 竖向构件产生的缩短变形差对结构内力的影响增大
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。构件的总压缩量随着构件的高度H、平均亚应力的增加而加大。
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侧向力引起的倾覆力矩增大，抗倾覆要求提高。工程中常采取增加基础埋深，加大基础宽度等措施来满足整体稳定性要求。
6. 防火、防灾的重要性
超高层建筑多采用钢混结构和钢结构，钢结构有很多优点，但其缺点是导热系数大，耐火性差。因此防火、防灾设计尤为重要。
7. 围护结构的抗风设计
建筑物高度的增加使得垂直于围护结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，其风载更大，须采用结构玻璃满足强度要求，铝合金龙骨满足变形要求。
8. 超高层建筑的节能问题
从超高层建筑的建筑节能优化设计技术看，建筑的高度变化导致相关参数的变异，进而很大影响建筑能耗的变化。高度超过100米的高空风速会提高到3米/秒，若高达400～500米时风速可达到5米/秒以上，温度随高度的变化也会有明显的降低，通常会有每百米高度的温度下降0.6～1.0℃，仅这个变化足可以相当于把建筑物移动了一个2级气候区。建筑节能设计标准所能约束的节能技术还不能够完全适用于超高层建筑，在现行建筑节能设计标准中设计到遮阳、通风等技术的规定，对超高层建筑无法适用，标准规定的建筑能耗的权衡判断方法也是基于建筑物全楼整体建模的一种评价方法，而受目前能耗模拟工具的计算能力所限，超高层建筑中的计算对象规模远远超出了软件的计算能力。
9. 建筑物的重要性等级提高
超高层建筑作为当地的标志性建筑，在政治、经济、文化中所起的作用大，破坏影响较大，波及范围较广，因此结构设计的可靠度要提高。一般情况重要性系数取1.1。
二、结构设计方法
1 减轻自重，减小地震作用
采用高强轻质材料，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。
2 降低风荷载作用力
① 减小迎风面积
正方形平面形式横向迎风面最小，如果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阔泄风，风力能很好有效地降低。
② 采用上窄下宽的立面体型，既减小高风压在高处的迎风面积，又降低风作用重心，使建筑物底部的倾覆总弯矩减小，同时上窄下宽的立面体型对建筑物底部来说增大了抵抗矩，提高了稳定性。
③ 选用体型系数较小的建筑平面形状
体型系数从大到小依次正方形－正多边形－圆形，采用流线尖滑的外形，避免凹凸多变的建筑形状，减小整体和局部风压的体型系数。
④ 采用剪力墙结构系统
采用剪力墙结构体系以增加建筑物的侧向刚度，是控制建筑物水平位移的有效方法。
3加强抗震措施
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。采用圆形、正多边形、正方形等平面形状，可以使整体结构具有多向同行，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各种结构体系的综合，具体设计应注意以下几个问题：
a 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。风作用虽然有主导方向，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。
b 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。
c 应设计成具有高延性的耗能结构，设置多道抗震防线。
d 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。
e 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。
f 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。
g 注意调整结构布置、防震缝的设置、转换层、转换层和水平加强的处理、薄弱层和薄弱部位的加强。
② 进行小模型风洞试验，获取有关风荷载作用参数；通过振动台试验，获取有关地震作用参数。
③ 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。
④ 提高节点连接的可靠度，刚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。
4 减小震动，耗散输入能量
采用阻尼装置加大阻尼比，减少振动影响。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。
5 结构底部的嵌固部位的确定
在进行超高层建筑结构设计计算分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在的位置。确定嵌固部位可通过刚度和承载力调整迫使塑性铰在预期部位出现，嵌固端的选取可能因建筑物的各种不同情况而定：
① 不设地下室但基础埋深较大。
② 有地下室但地下室层数有多有少，而且基础形式不同，产生不同的技术问题。
三、结构材料选用
超高层建筑结构材料要求更轻、更强、更具有延性。钢筋混凝土、型钢混凝土、钢管混凝土和纯钢混凝土都可作为结构构件的主要材料；而外墙围护多采用玻璃幕墙、铝合金幕墙、钢塑复合材料等；内部隔墙多为轻质隔断；在普及C50、C60级混凝土的工程应用，扩大C70、C80级的工程试点的同时，开发配制C100级高强混凝土。
四、结构体系选用
更具整体性，更具各道抗震抗线，更具延性的结构体系是超高层建筑结构体系的首选，按照建筑适用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般常见有以下几种结构体系：
1 框架－剪力墙结构体系
2 巨型框架结构体系
3 框－筒结构体系
4 筒中筒结构体系
5 束筒结构体系
6 内筒外巨型框架加外斜撑结构体系
7 内筒外框并带多个加强层的结构体系
8 钢结构
结语
超高层建筑应合理地进行结构设计，其设计应与建筑、设备和施工紧密结合，做到安全适用、技术先进、经济合理。应重视结构造型与构造、抗震性、抗风性较好使整个结构具有足够的承载力、刚度和延性。随着城市化的发展超高层的建筑将会越来越多，超高层建筑中结构设计也将会越来越显得重要。
关键词：超高层建筑 结构概念设计 结构体系
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
随着经济的高速发展，人们对建筑功能的要求多样化，超高层建筑相继拔地而起。由于超高层建筑结构复杂多样，设计计算结果与实际相差较大，分析计算往往不能满足结构安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标，所以必须重视概念设计。
一、结构设计特点
1. 重力荷载迅速增大
随着建筑物高度的增加，重力荷载呈直线上升，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将提高。
2. 建筑物的水平位移
①风作用效应加大
风是引起结构水平位移的主要因素，作用在建筑物上的风荷载沿高度方向呈倒三角形状。建筑物越高，风合力就越大，合力作用点就越高，对建筑物产生的作用效应也越大。
② 地震作用效应加大
建筑物高度的增加使结构自重增加、重心提高，地震作用產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，地震时将加速薄弱部位的破坏。
3 .P△效应
超高层建筑高宽比大，侧高刚度较弱，水平位移大，重力与水平位移所产生的附加弯矩常大于初始弯矩的10％，必须考虑重力二阶P△效应。
4. 竖向构件产生的缩短变形差对结构内力的影响增大
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。构件的总压缩量随着构件的高度H、平均亚应力的增加而加大。
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侧向力引起的倾覆力矩增大，抗倾覆要求提高。工程中常采取增加基础埋深，加大基础宽度等措施来满足整体稳定性要求。
6. 防火、防灾的重要性
超高层建筑多采用钢混结构和钢结构，钢结构有很多优点，但其缺点是导热系数大，耐火性差。因此防火、防灾设计尤为重要。
7. 围护结构的抗风设计
建筑物高度的增加使得垂直于围护结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，其风载更大，须采用结构玻璃满足强度要求，铝合金龙骨满足变形要求。
8. 超高层建筑的节能问题
从超高层建筑的建筑节能优化设计技术看，建筑的高度变化导致相关参数的变异，进而很大影响建筑能耗的变化。高度超过100米的高空风速会提高到3米/秒，若高达400～500米时风速可达到5米/秒以上，温度随高度的变化也会有明显的降低，通常会有每百米高度的温度下降0.6～1.0℃，仅这个变化足可以相当于把建筑物移动了一个2级气候区。建筑节能设计标准所能约束的节能技术还不能够完全适用于超高层建筑，在现行建筑节能设计标准中设计到遮阳、通风等技术的规定，对超高层建筑无法适用，标准规定的建筑能耗的权衡判断方法也是基于建筑物全楼整体建模的一种评价方法，而受目前能耗模拟工具的计算能力所限，超高层建筑中的计算对象规模远远超出了软件的计算能力。
9. 建筑物的重要性等级提高
超高层建筑作为当地的标志性建筑，在政治、经济、文化中所起的作用大，破坏影响较大，波及范围较广，因此结构设计的可靠度要提高。一般情况重要性系数取1.1。
二、结构设计方法
1 减轻自重，减小地震作用
采用高强轻质材料，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。
2 降低风荷载作用力
① 减小迎风面积
正方形平面形式横向迎风面最小，如果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阔泄风，风力能很好有效地降低。
② 采用上窄下宽的立面体型，既减小高风压在高处的迎风面积，又降低风作用重心，使建筑物底部的倾覆总弯矩减小，同时上窄下宽的立面体型对建筑物底部来说增大了抵抗矩，提高了稳定性。
③ 选用体型系数较小的建筑平面形状
体型系数从大到小依次正方形－正多边形－圆形，采用流线尖滑的外形，避免凹凸多变的建筑形状，减小整体和局部风压的体型系数。
④ 采用剪力墙结构系统
采用剪力墙结构体系以增加建筑物的侧向刚度，是控制建筑物水平位移的有效方法。
3加强抗震措施
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。采用圆形、正多边形、正方形等平面形状，可以使整体结构具有多向同行，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各种结构体系的综合，具体设计应注意以下几个问题：
a 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。风作用虽然有主导方向，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。
b 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。
c 应设计成具有高延性的耗能结构，设置多道抗震防线。
d 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。
e 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。
f 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。
g 注意调整结构布置、防震缝的设置、转换层、转换层和水平加强的处理、薄弱层和薄弱部位的加强。
② 进行小模型风洞试验，获取有关风荷载作用参数；通过振动台试验，获取有关地震作用参数。
③ 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。
④ 提高节点连接的可靠度，刚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。
4 减小震动，耗散输入能量
采用阻尼装置加大阻尼比，减少振动影响。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。
5 结构底部的嵌固部位的确定
在进行超高层建筑结构设计计算分析之前，必须首先确定结构嵌固端所在的位置。确定嵌固部位可通过刚度和承载力调整迫使塑性铰在预期部位出现，嵌固端的选取可能因建筑物的各种不同情况而定：
① 不设地下室但基础埋深较大。
② 有地下室但地下室层数有多有少，而且基础形式不同，产生不同的技术问题。
三、结构材料选用
超高层建筑结构材料要求更轻、更强、更具有延性。钢筋混凝土、型钢混凝土、钢管混凝土和纯钢混凝土都可作为结构构件的主要材料；而外墙围护多采用玻璃幕墙、铝合金幕墙、钢塑复合材料等；内部隔墙多为轻质隔断；在普及C50、C60级混凝土的工程应用，扩大C70、C80级的工程试点的同时，开发配制C100级高强混凝土。
四、结构体系选用
更具整体性，更具各道抗震抗线，更具延性的结构体系是超高层建筑结构体系的首选，按照建筑适用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则，选择相应的结构体系，一般常见有以下几种结构体系：
1 框架－剪力墙结构体系
2 巨型框架结构体系
3 框－筒结构体系
4 筒中筒结构体系
5 束筒结构体系
6 内筒外巨型框架加外斜撑结构体系
7 内筒外框并带多个加强层的结构体系
8 钢结构
结语
超高层建筑应合理地进行结构设计，其设计应与建筑、设备和施工紧密结合，做到安全适用、技术先进、经济合理。应重视结构造型与构造、抗震性、抗风性较好使整个结构具有足够的承载力、刚度和延性。随着城市化的发展超高层的建筑将会越来越多，超高层建筑中结构设计也将会越来越显得重要。