超高层建筑结构选型初探

摘要：随着社会经济和科学技术的增长，超高层建筑在各大城市中变得越来越普遍。这不仅体现了一座城市的经济实力，也反映出人们追求超高层建筑的意愿变得越来越强烈。尤其是建筑的结构选型，直接影响建筑的整体形态和安全。随着不断的设计和实践的经验不断增强，以及施工技术的提高，人们对超高层建筑的结构也有一些创新，运用一些高科技监测和控制手段以及辅助设备来提高建筑的抗震能力。

关键词：超高层建筑；结构选型；抗震；调制阻尼器

中图分类号：TU97文献标识码： A

第一章 绪论

超高层建筑有着比较复杂的结构体系，因此，在建筑设计之初要先根据建筑的周边环境、基地地质结构以及建筑的整体形象来综合考虑建筑的结构体系。超高层建筑的结构设计也是建筑设计中最重要的一环。本文将列举当今世界几座著名的超高层建筑，以及其对应的结构体系，并详细分析台北101的结构体系。

台北101以其特殊的地理位置以及独特的结构设计，给超高层建筑结构选型带来了一种新的思考。调制阻尼器在建筑中的使用，给建筑抗震都带来了哪些帮助，将在本文中得到相应的分析。

第二章 超高层建筑结构种类及其实例

2.1超高层建筑结构种类

超高层建筑的主要结构特点是抗震和风荷载，因此结构中主要是加强抗剪力，以及很好的建筑外形以减少风荷载。筒体结构主要是模仿竹子的结构特点，因为竹子能在拥有很大的长细比的前提下保持直立生长，且能抵抗较大的风荷载。现在的超高层建筑结构体系中大都有一个筒体结构，其中有单筒、筒中筒、筒束等。当然形成筒体的结构又有不同，有深梁密柱形成的筒；有巨型框架或桁架形成的筒；也有巨型柱形成的筒等等。

2.2当今世界著名超高层建筑结构种类

（1）哈利法塔（迪拜塔）

毋庸置疑的当今世界第一高楼，高828米，建筑设计采用了一种具有挑战性的单式结构，由连为一体的管状多塔组成，具有太空时代风格的外形，基座周围采用了富有伊斯兰建筑风格的几何图形――六瓣的沙漠之花。哈利法塔的设计为伊斯兰教建筑风格，楼面为“Y”字形，并由三个建筑部份逐渐连贯成一核心体，从沙漠上升，以上螺旋的模式，减少大楼的剖面使它更加直往天际，至顶上，中央核心逐转化成尖塔，Y字形的楼面也使得哈利法塔有较大的视野享受。

（2）金茂大厦

上海的金茂大厦高420.5米，采用矩形柱加核心筒结构，大厦采用超高层建筑史上首次运用的最新结构技术，整幢大楼垂直偏差仅2厘米，楼顶部的晃动连半米都不到，这是世界高楼中最出色的，还可以保证12级大风不倒，同时能抗7级地震。金茂大厦的核心筒和巨型柱的模板均采用定型加工的钢大模，所以在核心筒与楼面梁的钢筋连接处，主楼旅馆区环板与核心筒钢筋连接处，巨型柱与楼面梁的钢筋连接处，采用锥螺纹连接的施工技术。

第三章 台北101结构解析

3.1台北101结构类型

由于台湾位于地震带上，在台北盆地的范围内，又有三条小断层，为了兴建台北101，这个建筑的设计必定要能防止强震的破坏。且台湾每年夏天都会受到太平洋上形成的台风影响，防震和防风是台北101所需克服的两大建筑难题。为了评估地震对台北101所产生的影响，地质学家陈斗生开始探查工地预定地附近的地质结构，发现距台北101 200米左右有一处10米厚的断层。为了增加大楼的弹性来避免强震所带来的破坏，台北101的中心是由一个8根钢筋的巨柱所组成。但是良好的弹性，却也让大楼面临微风冲击，即有摇晃的问题。抵消风力所产生的摇晃主要设计是阻尼器，而大楼外形的锯齿状，经由风洞测试，能减少30-40%风所产生的摇晃。因此，台北101的结构是核心筒加巨型柱结构并配以阻尼器。

3.2台北101承重结构部分

台北101的抗震和抗风荷载主要由大楼的承重结构、基础以及调制阻尼器来承担。其中阻尼器主要用于抵抗风力造成的大楼的晃动。大楼强大的承重体系和基础主要解决抗震的问题。

在平面配置上，建筑内共有1 6 根箱型柱。主楼四周于26 F 以下并另外配置箱型柱，27F以上则配合建筑斜面造型而使用H形斜柱并与H型梁组成抗弯构架，主要在于提供局部载重之传递使用。又为提高抗风劲度与强度，62层以下的箱型钢柱均内灌10000ps自充填高性能混凝土。服务核心的钢柱间以钢骨大梁、斜撑相连，斜撑主要为同心斜撑与V型斜撑，部分斜撑因开门需求而为偏心斜撑型式，但基于抗风劲度之需求予以加劲补强而未依偏心斜称细部设计之。9楼以下之同心斜撑并与600mm厚之剪力墙浇灌一体以形成良好的水平力传递系统，机械层上下大梁间则以斜撑相接所形成的外伸桁架梁作为内外柱间的主要垂直剪力传递机构。从宏观的角度；主楼结构主要是由巨柱、核心系统与外伸桁架梁等构件所组成的101层巨形构架。

3.3台北101的基础部分

台北101的基础设计必须承载地上101 层的塔楼与6层群楼的载重，其规划的开挖深度为22.25~ 22.95 m，因基地坚硬承载层上方有30~40 m厚的软弱粘土层，因此必须使用深基础将载重传递到坚实的承载层，故设计时采用桩基础将大楼的荷重穿过软弱粘土层传递到较深的岩层。

大楼的基础楼板为3.0~ 4.7m厚的巨形钢筋混凝土实心板。主楼基础板下共配置380根φ1500mm平均进入岩深度23.3m的基桩，主楼柱的载重则以群桩的方式支承。裙楼部分则在柱的位置配置167 根φ2000mm平均进入岩深度15.5m的基桩。地下室连续壁厚度为1.2m，塔、裙楼间自B1 FL以下规划施工界面地中壁，该地中壁于地下室施工完成后视建筑需要开口位置予以敲除。

第四章 调制阻尼器在台北101中的运用

4.1调制阻尼器在台北101中的主要作用

由于要抵御风荷载对大楼的影响，台北101必须有额外的阻尼系统或消能装置以减低塔楼受风时的摇晃程度，经提出多种减振装置的评估后，选择调质阻尼器以解决风力舒适性的问题，而随着大楼受风力而摆动的钟摆式调质阻尼器同时成为建筑师空间表现的另一项特点，调质阻尼器设置的位置与造型配合建筑空间的规划而于87~92 层间设置球形质量块，类似单摆的被动式调质阻尼系统系由8 组φ90mm的高强度钢索透过支架托住球体质量块的下半部，而将660t的载重悬吊支承于92 层结构，支架周围并设置8 组主要油压式阻尼器以达到消能减振的目的，直径约为5.5m的球体质量块共由41 层厚度125mm之圆形钢钣分片吊装至87 层后电焊组合而成，各层钢板之直径则配合球体形状呈约2.1~ 5.5m的尺寸变化。此外为避免大风及大地震作用时质量块摆幅过大，87 楼夹层楼板上方另外使用缓冲钢环及8 组防撞油压式阻尼器，一旦质量块振幅超过1.0m时，质量块支架下方的筒状钢棒则会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。

此外，由于本工程因配合建筑造型，结构尺寸自91 F逐渐退缩，101屋顶层以上尖塔则为渐变断面的细长形结构其上方则配合建筑造型之需要而设置60 m尖塔，部分平台供作天线附挂使用; 尖塔顶部则配置避雷针与航空障碍灯。由于尖塔的平面尺寸相对于高度而言相当小，因此在较小的风速作用下就有造成尖塔的振动，而由于此振动使尖塔构件产生应力的反复变化，对于微观上会产生应力集中的细部或瑕疵都会造成塑性变形，一旦材料的韧性不足就会产生裂缝的延伸，因此疲劳强度的检核亦成为尖塔设计中相当重要的一环。

第五章 结束语

本文列举了部分超高层建筑的结构类型，并对台北101的结构及调制阻尼器做了较详细分析。超高层建筑的结构选型对于设计师来说是一个很关键的部分。应该和结构工程师合作，运用严谨的科学态度，继承传统并有所创新，且要应用高科技手段，包括施工工艺、建筑材料等。

参考文献

1、李祖元，李祖原建筑师事务所，《台北101 大楼》，建筑学报，2005.5

2、谢绍松，《台北101 大楼的耐震及抗风设计》，建筑施工， 2005.10

3、李秋胜，《台北101大楼风致响应实测及分析》，建筑结构学报， 2010.3