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摘要：对超高层建筑的特点、超高层建筑结构方案选择的主导因素、超高层建筑中混合结构类型设计主要考虑的问题进行了探讨，以供设计人员参考。
关键词：超高层建筑；结构设计；抗震
超高层建筑不仅可以为用户提供舒适的工作和生活环境，还可以很好地缓解大中城市由于人口增长带来的用地紧张的局面；同时，超高层建筑可以凭借其高度高、外形美观的特点而成为该地区的标志性建筑。现根据在超高层建筑结构设计中的实践，就超高层建筑的特点、结构方案选择的主导因素以及混合结构的设计等方面的内容与同行探讨。
1超高层建筑的特点
（1）超高层建筑由于消防的要求，须设置避难层，以保证发生火灾时人员能够安全地疏散。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顾，设备层与避难层并做一层。而对于更高的有较多使用功能要求的超高层建筑，除每15层设一个避难层兼设备层以外，还需要设有专门的机电设备层。为提高结构的整体刚度，可以将设备层或是避难层设置为结构加强层。
（2）超高层建筑的平面形状多为方形或近似方形，其长宽比多小于2。否则，在地震作用时由于扭转效应大，易受到损坏。
（3）超高层建筑在基岩埋深较浅时，可选择天然地基作为基础持力层，采用筏基或者箱基，若基础持力层较深时，可采用桩基。较少采用复合地基。
（4）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，满足风荷载作用下舒适度要求，结构顶点最大加速度的控制应满足相关规范要求。
（5）超高层建筑结构设计一般都需要进行抗震设防专项审查，必要时还须在振动台上进行专门的模型震动试验，才能确保工程得到合理地设计和建造。
2超高层建筑结构方案确定的主导因素
2.1建筑方案应受到结构方案的制约
超高层建筑方案的设计与实施应有结构专业在方案阶段的密切配合，保证结构方案实施的可行性。另外，在与建筑方案设计的协调配合过程中，结构方案设计应力求做到有所创新，能获得良好的经济效益和社会效益。
2.2结构类型的选择应综合考虑
（1）应考虑拟建场地的岩土工程地质条件
一个拟建在基岩埋藏极浅场地上的超高层建筑，具有采用天然地基的条件。一般这样的场地其场地类别为Ⅰ类或Ⅱ类，在该地区抗震设防烈度较低的情形下，其所采用的结构体系可优先采用钢筋混凝土结构。而对于在第四纪土层上的抗震设防烈度为7度或8度区的超高层建筑，为降低地震作用，结构选型应考虑采用结构自重较轻的混合结构或钢结构。
（2）应考虑抗震性能目标
一般抗震设计的性能目标要求竖向构件承载能力较高，达到中震不屈服；剪力墙底部加强区达到抗剪中震弹性。显然，在抗震设防烈度7度区，尤其是8度区，钢筋混凝土结构就很难满足这一条件。所以，为减小结构构件在地震作用下产生的内力，应优先考虑选用混合结构或钢结构，这样可以基本由型钢承担地震作用下产生的构件剪力和拉力。若是采用全钢筋混凝土结构，竖向构件则会因截面计算配筋量太大，导致钢筋无法放置；单纯增大构件截面则会使结构自重加大，同时地震作用产生的结构内力也会相应增加，截面配筋率仍得不到很好控制。
（3）应考虑经济上的合理性
通常从工程造价上比较，钢筋混凝土结构最低，其次是混合结构，最高则是全钢结构。所以，超高层结构方案的选用应着重考虑工程造价的合理控制。另外，超高层建筑中的竖向承重构件由于截面积大而会使建筑有效的使用面积减小。采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱作为主要承重构件可较大提高主体结构的承载能力，而且使整个结构有较好的延性，柱截面比单纯采用钢筋混凝土柱减小近50%，增大了建筑有效使用面积。即使采用钢筋混凝土结构方案，为减小柱截面，也可在一定标高框架柱内设置型钢，可获得较好的经济效益。
外框架采用型钢混凝土柱或圆钢管混凝土柱，混凝土核心筒構件内设型钢；类似于这种混合结构，正普遍运用于超高层建筑结构设计。此种结构相对全钢筋混凝土结构自重要小，尤其具有较大的结构刚度和延性，在高烈度地震作用下易于满足设计要求，同时具有良好的消防防火性能，其综合经济指标较好。
（4）应考虑施工的合理性
众所周知，房屋高度愈高，施工难度愈大，施工周期也愈长。一般钢筋混凝土结构高层建筑出地面以上的楼层施工进度约每月4层；混合结构（型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒，内外框梁为钢梁）约每月5层～6层；全钢结构约每月7层。因此，在结构设计当中，应根据不同的房屋高度和业主对工程施工进度的要求，综合考虑选择合理的结构类型。
另外，由于超高层建筑施工周期长，从文明施工和尽量减少对城市环境不良影响的角度考虑，应尽量减少现场混凝土的浇捣量，使部分结构构件能放在工厂加工制作，运到现场即可安装就位。同时在楼盖结构设计中考虑尽量减少模板作业，采用带钢承板的组合楼盖，这对于保证工程施工质量和加快施工进度是极其有效的措施。
3.超高建筑结构类型中的混合结构设计
3.1型钢混凝土和圆钢管混凝土柱钢骨含钢率的控制
一般设计中，混合结构构件的钢骨含钢率中都是由构造控制，目前国内相关的设计规范和技术规程的规定各不相同，但有一个共同点是框柱中钢骨的含钢率不宜小于4%，这是型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱区别的一个指标。在混合结构设计过程当中，设计者可根据计算结果来设计柱纵筋和箍筋，并设置大于4%的含钢率的型钢截面即可。
3.2钢筋混凝土核心筒的型钢柱的设置
在地震作用或风荷载作用下，钢筋混凝土核心筒一般要承受85%以上的水平剪力；同时筒体外墙还要承受近楼层面积一半的竖向荷载。所以，在筒体外墙内设置型钢柱既可保证筒体与型钢混凝土外框柱有相同的延性，还可以减小两者之间竖向变形差异。同时，筒体墙内设置型钢柱，可使剪力墙开裂后承载力下降幅度不大。尤其在抗震设防的高烈度区，剪力墙底部加强区的抗震性能目标要按中震弹性或中震不屈服设计，其地震作用下剪力、弯矩很大，更需在墙体内设置型钢柱。否则，内筒边缘构件配筋面积太大，增加了设计和施工的难度。通过设置型钢柱，可取代边缘构件内的纵筋。
3.3关于结构的抗侧刚度问题
超高层建筑混合结构的钢筋混凝土核心筒体是整个结构的主要抗侧构件，所以筒体的墙厚尤其是外侧墙厚，主要是由抗侧刚度要求决定。因此，外框柱截面的设计除满足承载力和轴压比要求外，其刚度在整体结构刚度设计中应予以充分考虑。
在超高层建筑结构设计中，由于框架-核心筒或筒中筒结构（钢筋混凝土或混合结构）的结构抗侧刚度有时不能满足变形要求，需要利用避难层或设备层在外框或外框筒周边设置环状桁架或同时设置水平伸臂桁架。采用这种桁架式的加强层可使外框架或外框筒与核心筒紧密连接成一体，增大结构的抗侧刚度和扭转刚度，满足结构的变形（层间位移）要求。对于外框柱与筒体的剪力墙间设置的水平伸臂桁架，应使设置水平伸臂桁架处筒体的墙定位与外框柱相对应，水平伸臂桁架平面应与内筒体墙刚心和重心重合，方能形成较好的结构整体抗侧刚度。
4结语
结构设计是基于建筑的表现，以实现建筑优美的外观和良好的内部空间。因此在设计过程当中需要建筑表现和结构方案的完美统一，这就必须依靠建筑师与结构工程师在整个设计过程中相互密切配合，综合考虑结构总体系与结构分体系之间的传力路线关系，并充分考虑结构材料选用、施工的可行性和经济性，避免施工图设计中产生不合理的结构受力体系。
参考文献：
[1]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].上海：同济大学出版社，2005.
[2]徐至钧 赵锡宏.超高层建筑结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2007.
关键词：超高层建筑；结构设计；抗震
超高层建筑不仅可以为用户提供舒适的工作和生活环境，还可以很好地缓解大中城市由于人口增长带来的用地紧张的局面；同时，超高层建筑可以凭借其高度高、外形美观的特点而成为该地区的标志性建筑。现根据在超高层建筑结构设计中的实践，就超高层建筑的特点、结构方案选择的主导因素以及混合结构的设计等方面的内容与同行探讨。
1超高层建筑的特点
（1）超高层建筑由于消防的要求，须设置避难层，以保证发生火灾时人员能够安全地疏散。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顾，设备层与避难层并做一层。而对于更高的有较多使用功能要求的超高层建筑，除每15层设一个避难层兼设备层以外，还需要设有专门的机电设备层。为提高结构的整体刚度，可以将设备层或是避难层设置为结构加强层。
（2）超高层建筑的平面形状多为方形或近似方形，其长宽比多小于2。否则，在地震作用时由于扭转效应大，易受到损坏。
（3）超高层建筑在基岩埋深较浅时，可选择天然地基作为基础持力层，采用筏基或者箱基，若基础持力层较深时，可采用桩基。较少采用复合地基。
（4）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，满足风荷载作用下舒适度要求，结构顶点最大加速度的控制应满足相关规范要求。
（5）超高层建筑结构设计一般都需要进行抗震设防专项审查，必要时还须在振动台上进行专门的模型震动试验，才能确保工程得到合理地设计和建造。
2超高层建筑结构方案确定的主导因素
2.1建筑方案应受到结构方案的制约
超高层建筑方案的设计与实施应有结构专业在方案阶段的密切配合，保证结构方案实施的可行性。另外，在与建筑方案设计的协调配合过程中，结构方案设计应力求做到有所创新，能获得良好的经济效益和社会效益。
2.2结构类型的选择应综合考虑
（1）应考虑拟建场地的岩土工程地质条件
一个拟建在基岩埋藏极浅场地上的超高层建筑，具有采用天然地基的条件。一般这样的场地其场地类别为Ⅰ类或Ⅱ类，在该地区抗震设防烈度较低的情形下，其所采用的结构体系可优先采用钢筋混凝土结构。而对于在第四纪土层上的抗震设防烈度为7度或8度区的超高层建筑，为降低地震作用，结构选型应考虑采用结构自重较轻的混合结构或钢结构。
（2）应考虑抗震性能目标
一般抗震设计的性能目标要求竖向构件承载能力较高，达到中震不屈服；剪力墙底部加强区达到抗剪中震弹性。显然，在抗震设防烈度7度区，尤其是8度区，钢筋混凝土结构就很难满足这一条件。所以，为减小结构构件在地震作用下产生的内力，应优先考虑选用混合结构或钢结构，这样可以基本由型钢承担地震作用下产生的构件剪力和拉力。若是采用全钢筋混凝土结构，竖向构件则会因截面计算配筋量太大，导致钢筋无法放置；单纯增大构件截面则会使结构自重加大，同时地震作用产生的结构内力也会相应增加，截面配筋率仍得不到很好控制。
（3）应考虑经济上的合理性
通常从工程造价上比较，钢筋混凝土结构最低，其次是混合结构，最高则是全钢结构。所以，超高层结构方案的选用应着重考虑工程造价的合理控制。另外，超高层建筑中的竖向承重构件由于截面积大而会使建筑有效的使用面积减小。采用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱作为主要承重构件可较大提高主体结构的承载能力，而且使整个结构有较好的延性，柱截面比单纯采用钢筋混凝土柱减小近50%，增大了建筑有效使用面积。即使采用钢筋混凝土结构方案，为减小柱截面，也可在一定标高框架柱内设置型钢，可获得较好的经济效益。
外框架采用型钢混凝土柱或圆钢管混凝土柱，混凝土核心筒構件内设型钢；类似于这种混合结构，正普遍运用于超高层建筑结构设计。此种结构相对全钢筋混凝土结构自重要小，尤其具有较大的结构刚度和延性，在高烈度地震作用下易于满足设计要求，同时具有良好的消防防火性能，其综合经济指标较好。
（4）应考虑施工的合理性
众所周知，房屋高度愈高，施工难度愈大，施工周期也愈长。一般钢筋混凝土结构高层建筑出地面以上的楼层施工进度约每月4层；混合结构（型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒，内外框梁为钢梁）约每月5层～6层；全钢结构约每月7层。因此，在结构设计当中，应根据不同的房屋高度和业主对工程施工进度的要求，综合考虑选择合理的结构类型。
另外，由于超高层建筑施工周期长，从文明施工和尽量减少对城市环境不良影响的角度考虑，应尽量减少现场混凝土的浇捣量，使部分结构构件能放在工厂加工制作，运到现场即可安装就位。同时在楼盖结构设计中考虑尽量减少模板作业，采用带钢承板的组合楼盖，这对于保证工程施工质量和加快施工进度是极其有效的措施。
3.超高建筑结构类型中的混合结构设计
3.1型钢混凝土和圆钢管混凝土柱钢骨含钢率的控制
一般设计中，混合结构构件的钢骨含钢率中都是由构造控制，目前国内相关的设计规范和技术规程的规定各不相同，但有一个共同点是框柱中钢骨的含钢率不宜小于4%，这是型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱区别的一个指标。在混合结构设计过程当中，设计者可根据计算结果来设计柱纵筋和箍筋，并设置大于4%的含钢率的型钢截面即可。
3.2钢筋混凝土核心筒的型钢柱的设置
在地震作用或风荷载作用下，钢筋混凝土核心筒一般要承受85%以上的水平剪力；同时筒体外墙还要承受近楼层面积一半的竖向荷载。所以，在筒体外墙内设置型钢柱既可保证筒体与型钢混凝土外框柱有相同的延性，还可以减小两者之间竖向变形差异。同时，筒体墙内设置型钢柱，可使剪力墙开裂后承载力下降幅度不大。尤其在抗震设防的高烈度区，剪力墙底部加强区的抗震性能目标要按中震弹性或中震不屈服设计，其地震作用下剪力、弯矩很大，更需在墙体内设置型钢柱。否则，内筒边缘构件配筋面积太大，增加了设计和施工的难度。通过设置型钢柱，可取代边缘构件内的纵筋。
3.3关于结构的抗侧刚度问题
超高层建筑混合结构的钢筋混凝土核心筒体是整个结构的主要抗侧构件，所以筒体的墙厚尤其是外侧墙厚，主要是由抗侧刚度要求决定。因此，外框柱截面的设计除满足承载力和轴压比要求外，其刚度在整体结构刚度设计中应予以充分考虑。
在超高层建筑结构设计中，由于框架-核心筒或筒中筒结构（钢筋混凝土或混合结构）的结构抗侧刚度有时不能满足变形要求，需要利用避难层或设备层在外框或外框筒周边设置环状桁架或同时设置水平伸臂桁架。采用这种桁架式的加强层可使外框架或外框筒与核心筒紧密连接成一体，增大结构的抗侧刚度和扭转刚度，满足结构的变形（层间位移）要求。对于外框柱与筒体的剪力墙间设置的水平伸臂桁架，应使设置水平伸臂桁架处筒体的墙定位与外框柱相对应，水平伸臂桁架平面应与内筒体墙刚心和重心重合，方能形成较好的结构整体抗侧刚度。
4结语
结构设计是基于建筑的表现，以实现建筑优美的外观和良好的内部空间。因此在设计过程当中需要建筑表现和结构方案的完美统一，这就必须依靠建筑师与结构工程师在整个设计过程中相互密切配合，综合考虑结构总体系与结构分体系之间的传力路线关系，并充分考虑结构材料选用、施工的可行性和经济性，避免施工图设计中产生不合理的结构受力体系。
参考文献：
[1]吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].上海：同济大学出版社，2005.
[2]徐至钧 赵锡宏.超高层建筑结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2007.