王　辉

摘要：对于超高层建筑物来说，合理安全的结构设计是最基本的要求，而对于结构设计来说，概念设计是工程师进行工作的中心思想。于是笔者从结构设计的特点、方法等方面对超高层建筑物在进行概念设计时应该注意的问题进行了详细的阐述。

关键词：结构设计概念设计超高层建筑

0引言

对于结构设计来说，概念设计最主要目的是在设计方案合理的基础上更加经济、安全可行。所以，概念设计需要正确的设计原则以解决设计当中出现的问题，并更加优化设计人员的方案。概念设计运用的好坏不仅体现出了设计工程师的思维活动，更显示出了设计工程的质量层次。

1结构设计的特点

1.1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，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H、平均压应力O=N/A的增加而加大。

超高层建筑的竖向构件不但H和o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。

1.2 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PA效应。

1.3由于风作用效应的加大风的作用是不规则的，通常把风速的平均值看成稳定风速或平均风速，使建筑物产生静侧移：实际风速在平均值附近波动，风压也在平均风压附近波动，称为波动风压，因此实际上建筑物在平均侧移附近摇摆。在来风的风压脉动等因素的影响下，高层建筑结构会诱发风致振动。脉动风压是由于大气的湍流运动形成的动荷载。

1.4重力荷载迅速增大随着建筑物高度的不断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更加提高。

1.5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结构设计方法

2.1采用高强轻质材料，减轻结构自重，减小地震作用。

2.2通过减小迎风面积、降低风力形心、选用体型系数较小的建筑平面形状等降低风作用水平力。

2.3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。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。

2.4加强抗震措施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。

如采用圆形、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。

2.4.1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。

2.4.2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。

2.4.3设置多道抗震防线，满足“大震不倒”的抗震设防要求。

2.4.4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，吸收更多的地震能量。

2.4.5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。

2.4.6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。

2.5采用多个权威程序进行计算比较，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。

2.6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。

2.7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。

2.8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对结构材料的选择

更轻、更强、更具有延性的材料是超高层建筑结构材料的首选。钢筋混凝土、型钢混凝土、钢管混凝土和纯钢材料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、钢塑复合板材等，内部隔墙多为轻质隔断：楼屋面常选用压型钢板加混凝土面层，并在裸露的钢承重构件表面加防火涂料。

4对结构体系的选择

更具整体性、更具多道抗震防线、更具延性的结构体系是超高层建筑结构体系的首选，工程中常用的结构体系有：

4.1内筒外框或内筒外框并带角部小筒体(或角形墙)的结构体系

4.2内束筒外框架(巨型柱)并带多个加强层的结构体系

4.3筒中筒结构体系，一般外筒为密柱筒

4.4内筒外巨型框架加外斜撑结构体系

4.5束筒结构体系

4.6巨型框架、巨型桁架结构体系

4.7悬挂结构和悬挑结构，由于其侧向刚度仅由内筒贡献，体型上大下小，抗风抗震不利，因此建筑物高度受到限制。

5结束语

概念设计是从设计的基本原理，工程的客观规律和方法等出发进行综合考虑，来最终确定建筑结构的总体布置，和进行宏观上的调控。所以，对于专业人员来说，让理论知识和实践相结合，探索新的思路，提高工作技能让结构设计更加安全，经济，美观才是正道。