异形超限高层结构整体概念设计方法研究及探讨

【摘 要】城市化建设在取得发展的同时，可利用的土地面积在逐渐减少，为了提高土地资源利用率，控制地块成本，超高层建筑应运而生，使人们需求得以满足。不过高程建筑因受到使用功能、使用范围的限制，因此，在设计过程中有很多注意事项。异形超限高层结构的设计对于结构工程师而言，是一项巨大的挑战，在设计过程中，不仅要确保结构的耐用性，而且要控制造价，设计难度也相对较大。

【关键词】异形超限高层结构；概念设计；设计方案

目前，人们对建筑质量尤为关注，尤其是建筑抗震性能被广泛关注，因地震力具备偶然性与随机性，结构模拟地震具备一定局限性，这就需要利用整体概念，对结构体系进行设计。异形超限高层结构设计与普通住宅设计存在很大差异，因其受到各方面条件的限制，主要具备严重偏心、有转换构件、难以形成抗震核心区域等特征。局部环节的调整会对整体结构计算造成很大影响，导致参数紊乱现象出现，很难一次性调整到位。

1 异形超限高层结构整体概念设计概述

结构概念设计主要是指在明确结构性能与地震作用的基础上，遵循工程设计的基本原则与基础理论，并结合实践经验，在规范规程的指导下，制定结构总体方案，从而确定材料使用、构建布置、结构体系的一种方法。

在实际工作过程中，工程有设计人员在通过大量计算后，发现最初制定的结构体系难以与设计计算需求相符，最终只能临时将总体体系方案完全更改，导致大量人力、物力、财力的浪费。就异形复杂高层而言，在因其结构体形具有一定缺陷，在结构件模计算过程中，极有可能出现因局部改变，导致整体结构均需更改的情况，为了防止这种现象发生，这就要求设计人员能够对结构体系准确定位，明确设计方向。

高层结构可分为很多种，其中包括带加强层结构、连体结构、错层结构等，均属于比较复杂的高层。异形超限高层因受到各方面限制，其体形严重不规则，在抗震设计上的难度较大。总体而言，在异形超限高层设计中，需要注重四个方面：①水平荷载。异形高层平面竖向存在缺陷，会有明显的地震水平震害效应，扭转、偏心最主要来源就是地震水平力。②侧移变形。异形高层会有明显的变形扭转效应，对侧移变形参数进行调整与控制后，便可抑制变形的发生。③轴向水平变形。水平轴向作用力会使异形高层转换梁变形加剧，如果考虑不够全面，构件便易处于不安全状态。④结构延伸设计。结构延伸设计在抗震结构中，处于核心地位，必须重视。

2 异形超限高层结构整体概念设计方法

2.1 基本结构的设计

在设计过程中，必须优化结构设计。首先，结构水平力竖向力传力途径要具备名曲、简单等特征，这样便于把握结构计算模型情况，可及时把控抗震性能中的薄弱环节。其次，要考虑到当苏与结构抗侧力的均匀性，便于优化竖向构件布置，另外还需重视抵抗扭转振动与抗扭转刚度能力。最后，要遵循强柱弱梁的原则，确保柱的受弯能力比柱高。

2.2 调整结构布置方案

在结构优化工作中，最重要的就是调整剪力墙长度。局部墙肢长短会对某区域内的抗侧力造成很大影响，在布置剪力墙过程中，必须考虑到对墙体压轴比是否与规范限定要求相符，同时还需保证建筑立面效果，优化调节周期。合理布置结构竖向构件，有利于为抵抗侧向水平力的设置提供条件，不过若剪力墙集中过度，便会使结构自重增加。

2.3 楼盖的设计

在整体房屋结构设计中，楼盖的设计至关重要，从力学简化模型角度而言，可将楼盖视为水平隔板，它需要具备一定平面刚度，便于连接竖向抗侧构，各个构建可以通过协同变形，对地震力作用进行承载。通过优化楼盖设计，可以使楼板协调能力增强。

2.4 框梁高的设计

边框梁在结构形成中做出了重要贡献，它对结构扭转可以起到抑制作用，使结构处于正常状态。框梁加大之后，可解决因抗剪不足所诱发的问题。在设计过程中，要遵循强柱弱梁的原则，值得注意的是，若单纯为了与梁截面相互配合，将边框柱截面增大，则会对建筑使用功能造成很大影响，同时也难以调整倾覆力矩。框支梁有着复杂的受力模式，在安全储备齐全的状态下，尽量减少不良效应的发生。在结构中，连梁属于耗能构件，若配置太强，则很难取得理想耗能效果，严重情况下，甚至会对构件刚度构成威胁。将耗能构件弱化后，可以达到控制造价的目的，同时会使结构安全性增加。

2.5 框架柱的设计

框架柱是设计过程中最为重要的环节，在设计的同时，必须考虑到设计模型与实际要求相符。因角柱部位受荷面积相对较小，其轴压比也较小，受到地震荷载与风荷载水平力后，侧向力与抗扭转力非常重要。将角柱截面加大后，可以使箍筋、角柱钢筋配筋率大大提升，同时使角柱抗变形能力得以优化。要想确保结构的安全性与整体性，必须严格控制框支柱压轴比，便于增强框支柱的抗压倒性。

2.6 抗震设计

抗震设计包含多方面的内容，它存在于整个结构周期之中，包括选取结构体系、结构设计准则、布置结构体系、明确具体构件、维护结构、把握结构质量等，便于保证预期性能目标的实现。在抗震设计中，需要考虑到抗震的性能水平、性能目标与目标选用三个方面。

（1）性能水平

超限高层结构抗震水平主要从以下几方面判定：①受到地震作用后，结构依旧保持完好，未受到任何损伤，通常无需采取修复措施。②受到地震作用后，结构基本完好，有少量次要构件出现了较小的裂缝，通常无需修复，能够继续使用。③受到地震作用后，结构重要部位与薄弱构件保持完好，其余部位出现裂缝，不过采取修复措施后，能够使用。④受到地震作用后，结构重要部位与薄弱构件被轻微损坏，有裂缝形成，非重要部位出现了不同程度损坏，也有裂缝形成，经修复后且采取特殊措施后，才可使用。⑤受到地震作用后，大部分构建被损坏，有明显裂缝产生，对人们正常出入造成影响，通过修复加固后，能够使用；⑥受到地震作用后，建筑结构明显被损坏，部分结构甚至严重损坏，会对人们造成一定伤害，不过不会危及到他们的生命。

（2）性能目标

任何超限高层结构，均可以投资者经济能力、房屋高度、抗震设防等因素为依据，对抗震性能目标进行选择。

（3）性能目标选用

3 结束语

因异形超限高层建筑自身受到很多条件的限制，局限性较多，结构易产生扭转不规则的情况，除此之外，可以使建筑立面效果、使用功能得以满足。在结构设计过程中，设计人员要综合考虑到多方面的问题。本文首先对异形超限高层结构整体概念设计的含义进行了简单的介绍，然后具体分析了异形超限高层建筑的设计方法，有利于为日后此种建筑类型的设计提供依据。

参考文献：

[1]胡凡.异形超限高层结构整体概念设计方法研究及探讨[D].浙江工业大学，2012.

[2]陈涛.某超限高层框架―核心筒结构设计中若干问题研究[D].厦门大学，2014.

[3]潘健明，廖祥盛，李光星等.框架-核心筒超限高层结构的抗震性能评估[J].华南理工大学学报（自然科学版），2013（06）.