束偉農(nóng)：北京市建筑設(shè)計研究院有限公司（BIAD)）結(jié)構(gòu)專業(yè)總工程師
1 超高層建筑的結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)
1) 軸壓比
控制軸壓比主要是為了控制結(jié)構(gòu)的延性。規(guī)范對墻肢和柱均有相應(yīng)限值要求。
2) 周期比
控制周期比主要是為了控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減少扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。周期比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對于側(cè)移剛度較小，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大。
3) 位移比
控制層間位移比主要是為了控制結(jié)構(gòu)平面的規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
4) 剛度比
主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，對于形成的薄弱層則按高規(guī)予以加強。
5) 剛重比
主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)載或地震力的作用下整體失穩(wěn)。剛重比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的剛度相對于重力荷載過小；但剛重比過分大，則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)較差，宜適當(dāng)減少墻、柱等豎向構(gòu)件的截面面積。
6) 層間受剪承載力比
控制豎向不規(guī)則性，以免豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層，見抗規(guī)3.4.2，高規(guī)4.4.3；對于形成的薄弱層應(yīng)按高規(guī)5.1.14予以加強。
7) 剪重比
剪重比為地震作用與重力荷載代表值的比值。
主要為限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長的結(jié)構(gòu)的安全。
剪重比是規(guī)范考慮長周期結(jié)構(gòu)用振型分解反應(yīng)譜法和底部剪力法計算時，因地震影響系數(shù)取值可能偏低，相應(yīng)計算的地震作用也偏低，因此出于安全考慮，規(guī)范規(guī)定了樓層水平地震剪力的最小值。若樓層水平地震剪力小于規(guī)范對剪重比的要求，水平地震剪力的取值應(yīng)進行調(diào)整。
當(dāng)剪重比偏小且與規(guī)范限值相差較大時，宜調(diào)整增強豎向構(gòu)件，加強墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。但剪重比過大時，則說明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)較差。
剪重比是結(jié)構(gòu)整體控制設(shè)計的一項重要指標(biāo)，當(dāng)其不能滿足規(guī)范的要求時，就應(yīng)該進行必要的調(diào)整。
當(dāng)與規(guī)范限值相差較大的情況，就只能提高結(jié)構(gòu)的剛度。
但是在對結(jié)構(gòu)剛度進行調(diào)整的時候，我們有時會遇到這樣一種情況，我們加大了結(jié)構(gòu)下部剪重比不滿足規(guī)范要求樓層的剛度，但這些樓層的剪重比沒有多大的變化，有時反而略有減小。
最小剪力系數(shù)與許多參數(shù)有關(guān)：
（1） 剪重比不滿足要求，調(diào)質(zhì)量要比調(diào)剛度來得更有效；
（2） 在確定剪力系數(shù)時沒考慮高階振型，但高階振型一般是有貢獻的；
（3） 跟場地的特征周期Tg有關(guān)系；
（4） 有的地區(qū)烈度低，但風(fēng)荷載很大，僅僅控制剪重比是不夠的，還需要滿足在風(fēng)荷載下具有足夠的底部剪力；
（5） 地震安全評價有的與抗震規(guī)范有沖突，如在6度區(qū)地震加速度很高，底部剪力很容易滿足規(guī)范要求，這明顯是不對的；
（6） 風(fēng)荷載下的位移、建筑舒適度、墻和柱子軸壓比和拉力等等，都在制約著抗震規(guī)范，所以不僅僅是考慮延性問題。
8) 軸向變形
超高層建筑豎向構(gòu)件的變位是由彎曲變形、軸向變形及剪切變形三項因素的影響疊加求得的。
在計算多層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移時，只考慮彎曲變形，因為軸力項影響很小，剪力項一般可不考慮。
但對于超高層建筑結(jié)構(gòu)，由于層數(shù)多，高度高，軸力值很大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使超高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生明顯的變化。
因此，超高層建筑必須考慮軸向變形對結(jié)構(gòu)的影響。
軸向變形通常采用線性有限元分析豎向荷載下的墻、柱內(nèi)力和位移。
但隨高度增加，這種分析方法會偏離真實情況，因為施工是一個長期過程，即與時間相關(guān)的施工順序、徐變、收縮都會引起內(nèi)力重分布，而且豎向荷載還會產(chǎn)生水平側(cè)移，這些采用常規(guī)分析是不可能實現(xiàn)的，必須對超高層建筑的軸向變形進行專項分析和研究。
2 超高層建筑的高寬比
高寬比（B/H）是超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素，也是決定結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo)；基底傾覆力矩與建筑高度的平方成正比；建筑頂部側(cè)移與建筑高度的四次方成正比，并按結(jié)構(gòu)寬度的三次方遞減。
鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)適用的最大高寬比
結(jié)構(gòu)體系
非抗震設(shè)計
抗震設(shè)防烈度
6度、7度
8度
9度
框架
5
4
3
-
板柱-剪力墻
6
5
4
-
框架-剪力墻、剪力墻
7
6
5
4
框架-核心筒
8
7
6
4
筒中筒
8
8
7
5
高寬比直接與超高層結(jié)構(gòu)的受力性態(tài)相關(guān)：高寬比，剪切變形為主；高寬比=2~5，彎剪變形；高寬比>5，彎曲變形為主。
高寬比>9，塔樓風(fēng)荷載下加速度較大，舒適度需要重點考慮。超高層結(jié)構(gòu)由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不會過大，一般為60~80m左右，因此，對于超過400m以上超高層，高寬比一般為7~9。當(dāng)高寬比超過8時，通常外筒設(shè)計為巨型框架或巨型支撐框架（框筒），有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。
當(dāng)高寬比超過8時，橫風(fēng)向效應(yīng)顯著增強，在8度設(shè)防以下地區(qū)，風(fēng)荷載通常成為控制因素。
3 超高層建筑核心筒的高寬比
核心筒高寬比的影響：對于常規(guī)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒承擔(dān)著大部分剪力和傾覆力矩，故核心筒高寬比也是一個重要參考因素。
但對于超高層而言，巨型框架、支撐框筒等高度更大的外框結(jié)構(gòu)常常取代了一般框架，因此，核心筒的承擔(dān)剪力和傾覆力矩比例會降低。
核心筒面積比例：指核心筒的圍合面積占樓面面積的比例，是另一個重要參考指標(biāo)。圍合面積比例，核心筒剛度偏弱，宜加強外框筒，采用支撐框筒或巨型結(jié)構(gòu)；圍合面積比例=20%~27%，核心筒剛度適中；圍合面積比例>27%，核心筒剛度較大，承擔(dān)剪力和傾覆力矩比例大幅提高，應(yīng)尤其注重核心筒的性能化設(shè)計及二道防線設(shè)計。
4 超高層建筑的荷載
對于超高層建筑而言，其結(jié)構(gòu)體系的選擇，更主要的是與荷載因素相關(guān)，因此，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計首先必須以其不同荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響為依據(jù)，選擇最為合理的方案。
超高層建筑的荷載主要有：
1) 豎向荷載
恒荷載+活荷載
2) 水平荷載
地震作用（地震效應(yīng)與建筑的重量成正比）
風(fēng)荷載（順風(fēng)作用、橫風(fēng)效應(yīng)）
水平荷載對超高層建筑的主要影響表現(xiàn)在以下兩個方面：
側(cè)向位移、扭轉(zhuǎn)反應(yīng)
結(jié)構(gòu)設(shè)計控制策略
1) 減輕結(jié)構(gòu)自重
使用輕質(zhì)高強材料
用優(yōu)化方法減輕自重
2) 控制水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響
選擇合適的體型
提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度（采用高剛度材料、合適的抗側(cè)力體系）
3) 采用減振裝置
附加阻尼器(如粘彈性減震器)或動力阻尼器(如調(diào)諧液體阻尼器，即TLD)減少側(cè)向振幅。
5 超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件
1) 核心筒--鋼筋混凝土核心筒
優(yōu)點
缺點
相對經(jīng)濟的材料
較重-更高的基礎(chǔ)荷載，墻在底部將會非常厚（減少凈面積）
固有的防火特性
抗震延性值得關(guān)注
堅固的材料（對逃生路線有很好的保護）
高地震烈度區(qū)通過審查有風(fēng)險
2) 核心筒--鋼+混凝土組合核心筒
優(yōu)點
缺點
自重較輕
比混凝土核心筒柔度大-水平位移或水平加速度較大
吊裝速度快
鋼核心筒需要防火措施
與混凝土核心筒相比具有更好的延性
組合核心筒自身具有良好的防火性能
3) 巨型柱結(jié)構(gòu)
450m以上的超高層建筑，巨型柱的應(yīng)用會越來越多。巨型柱的地位非常重要，對構(gòu)件的選型需要重點考慮。
例如：上海中心巨型柱受力情況：豎向荷載分配：54%；底部剪力分配：57%；底部傾覆力矩分配：79%。
目前常用的兩種構(gòu)件形式：
（1）SRC型鋼混凝土柱，如上海中心、深圳平安、上海環(huán)球金融中心等；
（2）CFT鋼管混凝土柱，如天津117、臺北101、深圳京基中心、北京CBD-Z15等。
4) 伸臂桁架結(jié)構(gòu)
在外框柱與核心筒之間設(shè)置伸臂桁架的主要目的是減小結(jié)構(gòu)側(cè)移，它的機理是提高水平荷載作用下的外框架柱的軸力，從而增加框架承擔(dān)的傾覆力矩，同時減小了內(nèi)核心筒的傾覆力矩。它對結(jié)構(gòu)形成的反彎作用可以有效的增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)側(cè)移，一般情況下也會減小外框架的剪力分擔(dān)比。
結(jié)構(gòu)可以根據(jù)具體情況，僅設(shè)置一種或者同時設(shè)置以上兩種構(gòu)件，設(shè)置了伸臂桁架、環(huán)向桁架的樓層可統(tǒng)稱為加強層。
設(shè)置加強層后，造成結(jié)構(gòu)沿高度方向剛度不均勻，剛度突變帶來內(nèi)力突變，因此在加強層及上下相鄰層構(gòu)件的內(nèi)力會出現(xiàn)較大的改變，設(shè)置是方向性的改變，加強層的剛度越大，內(nèi)力突變的程度也越大，這種突變會產(chǎn)生薄弱層效應(yīng)。
因此，在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中，采用伸臂桁架、環(huán)向桁架的效果很好，它可以采用剛度大的加強層，以形成較大的抗側(cè)剛度。
而在抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)中，應(yīng)盡可能的減小出現(xiàn)薄弱層形成的不利效應(yīng)，因此可以不設(shè)置加強層時，就不必設(shè)置加強層，需要設(shè)置加強層時，也不宜采用剛度過大的伸臂和環(huán)向桁架，以避免加強層范圍出現(xiàn)過大的剛度突變。
沿高度可以布置一個樓層（一道）或多個樓層（多道）的伸臂桁架和環(huán)向桁架。研究表明，多道伸臂桁架減小側(cè)移的效果優(yōu)于一道伸臂桁架，但是伸臂結(jié)構(gòu)數(shù)量與減小側(cè)移并不成正比，當(dāng)設(shè)置四道以上的伸臂桁架時，減小側(cè)移的效果就不再明顯。
伸臂設(shè)置的位置不同，其減小側(cè)移的效果也不相同，研究表明，當(dāng)沿高度僅設(shè)置一道伸臂桁架時，可以設(shè)置在結(jié)構(gòu)的2/3H處減小側(cè)移效果最好，而要減小內(nèi)筒傾覆彎矩則越靠下越好；設(shè)置兩道伸臂桁架時，其中一道可設(shè)置在0.7H高度處，另一道大約設(shè)置在0.5H處。
一般的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，伸臂桁架設(shè)置位置需要與建筑專業(yè)配合。
5) 環(huán)向桁架
在結(jié)構(gòu)周圍設(shè)置環(huán)向桁架的作用是使各框架柱承受的軸力均勻變化，因此也可以達到提高外框架抗傾覆力矩的能力以及減小側(cè)移的目的，但是不如伸臂有效。
在框架核心筒結(jié)構(gòu)中，視外框柱的數(shù)量和布置方式，可以設(shè)環(huán)向桁架，也可以不設(shè)置；由于環(huán)向桁架可以減小框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后，因而在筒中筒結(jié)構(gòu)中，環(huán)向桁架可以加大結(jié)構(gòu)的整體剛度并減小其側(cè)移。
6) 巨型斜撐
巨柱之間布置交叉巨型斜撐可以有效提高外框筒的側(cè)向剛度并抵抗水平力。
為保證建筑使用功能，斜撐與四周次框架柱可以位于同一平面，同時與腰桁架起到共同承擔(dān)重力荷載的作用，并可為次框架柱提供冗余度。
巨型斜撐采用焊接箱形截面，典型截面尺寸較大，如Z15巨型斜撐的最大截面為1600x900x60x60。
應(yīng)用工程案例有上海環(huán)球金融中心、天津117、深圳平安大廈、中國尊、武漢綠地等。
7) 樓板體系--鋼梁+組合樓板
優(yōu)點
缺點
自重較輕：降低了地震荷載和基礎(chǔ)荷載
鋼梁有防火要求
安裝速度快，無需采用臨時支撐
允許機電開洞
6 超高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計
超高層建筑的基礎(chǔ)形式與普通的高層建筑相同，但有其特殊性，設(shè)計中遇到的主要問題有：
基礎(chǔ)承載力問題
基礎(chǔ)不均勻沉降問題
單樁承載力問題
提高單樁承載力是超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計的關(guān)鍵問題
超高層建筑常用的基礎(chǔ)形式有：
1) 嵌巖基礎(chǔ)
基礎(chǔ)底一般為中風(fēng)化或微風(fēng)化巖
2) 人工挖孔大直徑灌注樁基礎(chǔ)
基礎(chǔ)底至中風(fēng)化或微風(fēng)化巖持力層較淺
3) 大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)
當(dāng)持力層為非基巖時，常采用的基礎(chǔ)形式。
4) 樁筏基礎(chǔ)
超高層建筑的特點是：高度高、荷載重、沉降大，其荷載通過基礎(chǔ)傳給地基，并在地基中應(yīng)力擴散。
由于土具有可壓縮性，地基在附加應(yīng)力的作用下，必然產(chǎn)生變形（主要是豎向變形），從而引起超高層建筑基礎(chǔ)的沉降或傾斜。
沉降的大小主要取決于土的物理力學(xué)性質(zhì)和建筑荷載，并與基礎(chǔ)面積、埋深和支護結(jié)構(gòu)有關(guān)。
當(dāng)超高層建筑基礎(chǔ)均勻下沉?xí)r，對結(jié)構(gòu)安全不會有太大的影響，但過大的沉降將會影響建筑物的使用和外觀，特別是電梯、管道設(shè)備等有較大的影響。
當(dāng)發(fā)生不均勻下沉?xí)r，結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生裂縫、扭曲或傾斜，影響安全，嚴(yán)重時可能倒塌，這種倒塌實例在國內(nèi)外都曾有過。因此，建造超高層建筑時，必須認(rèn)真研究和考慮地基的變形問題，需要準(zhǔn)確預(yù)測基礎(chǔ)沉降。
為保證超高層建筑的正常使用和安全，設(shè)計時必須把地基變形控制在容許范圍內(nèi)。所以，地基的變形是設(shè)計超高層建筑最重要的控制因素之一。因此，除了研究地基應(yīng)力變化規(guī)律外，還必須認(rèn)真研究土的壓縮特性、地基變形規(guī)律、實用和可靠地基礎(chǔ)最終沉降量計算以及沉降與時間的關(guān)系。
