超高层建筑结构设计的优化策略及问题探讨

一、超高层建筑控制荷载及作用的研究（1） 竖向荷载组成及优化策略随着塔楼高度的增加，塔楼墙、柱自重所占的比例增加，这一方面是由于塔楼抗侧刚度需要，另一方面是由于楼面恒载增加，导致承担的竖向荷载较大；楼面恒载所占的比例在20%~25之间，比例较大；优化楼面恒载，不仅可以降低自身的重量，而且进一步降低柱、墙承载的竖向荷载，同时，对降低地震作用也有重要意义。减轻塔楼重量的方法：高强混凝土和高强钢材的使用（降低柱、墙尺寸）；混合结构体系（钢材代替部分混凝土）；采用压型钢板组合楼盖体系；使用轻质隔墙（如轻钢龙骨隔墙）；减小附加恒载（如采用轻质填充材料）。 （2）风荷载研究与优化策略风工程研究的主要方法有现场监测（最直接、可靠方法，但周期长、费用高）；风洞试验（可系统开展研究，但相似关系无法完全满足）；数值模拟（重要手段与发展方向，成本低，周期短，但目前研究尚不充分）。由于风速较大，且结构高柔，高层建筑易受涡激振动影响产生横风向风荷载。当来流风速增加到一定临界值时，建筑周围产生漩涡脱落现象，从而造成涡激振动。通过沿高度改变建筑截面形状、圆弧倒角、切角和立面开洞等方法，可以减小涡激振动在高层建筑高度方向的一致性，从而减小了建筑的横风向风荷载。

上海中心采用了三种方式：圆弧倒角,契形立面, 变截面。 （3）长周期地震作用特点及影响因素目前国内建成与在建的有许多超高层建筑其自振周期很多都在5.5s以上。对于超高层建筑结构，长周期响应对倾覆力矩起绝对的控制作用； 高阶振型响应对基底剪力的影响较显著，不可忽略。随着我们对超高层建筑的认识，我们把第一周期限制放宽一到两秒左右，上海中心做到9s，刚开始设计的时候所有专家说应该限制在7s，我们放长了一点，这对于降低地震的作用非常有利。随着经验积累和数据更加丰满，可能我们胆子会更大一点。 上海中心、长沙国际金融中心和郑州绿地这三个项目，其中上海中心高632m，所以X向第一周期和第二周期都在长周期上，长沙国金、郑州绿地也是落在长周期上，必须考虑下长周期对于地震效用的影响。长周期在上海中心贡献率达到64%，但是倾覆力距比例达到99%，这是长周期在结构设计中直观的反映，我们以后会有更详细的百分比出来，现在的百分比会给我们一个大概的概念。 二、超高层建筑结构设计中的一些问题探讨（1）关于结构整体高宽比的讨论高度和高宽比是超高层结构设计的主要控制因素，也是决定结构刚度的重要指标；基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比；建筑顶部侧移与建筑高度的四次方成正比，并按结构宽度的三次方递减。高宽比直接与超高层结构的受力性态相关：高宽比5，弯曲变形为主；高宽比>9，塔楼风荷载

下加速度较大， 舒适度需要重点考虑。超高层结构由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不会过大，一般为60~80m左右，因此，对于超过400m以上超高层，高宽比一般为7~9。 当高宽比超过8时，通常外筒设计为巨型框架或巨型支撑框架（框筒），有效提高结构的抗侧刚度。当高宽比超过8时，横风向效应显著增强，在8度设防以下地区，风荷载通常成为控制因素。 （2）关于核心筒高宽比的讨论核心筒高宽比的影响：对于常规的框架-核心筒结构体系，核心筒承担着大部分剪力和倾覆力矩，故核心筒高宽比也是一个重要参考因素。但对于超高层而言，巨型框架、支撑框筒等高度更大的外框结构常常取代了一般框架，因此，核心筒的承担剪力和倾覆力矩比例会降低。核心筒面积比例指核心筒的围合面积占楼面面积的比例，是另一个重要参考指标。围合面积比例27%，核心筒刚度较大，承担剪力和倾覆力矩比例大幅提高，应尤其注重核心筒的性能化设计及二道防线设计。 （3）结构体系选型研究 结构高度达到450m时，对于不含伸臂桁架的弱框筒和筒中筒体系，结构刚重比成为主要控制参数，外框梁截面显著增大。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中对框架-核心筒体系要求，外框承担的地震剪力标准值不宜小于结构底部剪力标准值的10%。由于框筒体系、弱框筒体系柱距密，框架梁截面高，外框的刚度相对较大，因此，分配的地震剪力较多，可以满足规范10%的要求。 对