《超高层结构设计的经济性及相关问题的研究》

《工程力学》2015年9月

以一幢 405 m，高宽比为 7.5，层高为 4.5 m，共

90 层的超高层建筑为背景，在相同高度、高宽比、核心筒、楼面布置的及水平风荷载作用下，研究 6 种不同的外围抗侧力体系的抗侧效率。结构平面与核心筒平面分别为 54 mx54 m 和 27 mx27 m 的正方形。 

这 6 种外围抗侧力体系分别为：稀柱框架、巨

型框架、支撑桁架筒、框筒、斜交网格和实体筒。比较时，这 6 种体系的竖向构件及支撑在水平面内的投影面积之和均相同。此外，前三种结构体系每隔 15 层设置一层环形桁架。不同体系的平立面布置如图1所示。

图1  

不同抗侧力体系平立面示意图  

▼

考虑结构整体弯曲产生的水平位移占比会随着结构高宽比的增加而增加，因此可以用相同高宽比的实体墙(筒)由整体弯曲引起的水平位移占比作为参考，其他结构体系由整体弯曲引起的水平位移占比与之比来定义为结构抗侧效率。 

为了计算由于结构整体弯曲引起的水平位移，

可以在结构层间一些有代表性的地方设置刚度为 0 的斜向支撑杆 L1，读出这些杆件的轴向位移 u 后，根据公式 ：

将杆件的轴向位移折算到水平位移(如图 2所示)，然后将总水平位移

Δ'

减去作为结构由于整体弯曲变形引起的水平位移值，其中θ为杆件未变形时水平向夹角。

图2  算法示意

▼

保证竖向构件投影总面积相等的情况下，对图

1中的 6 个模型采用上面的算法计算了其由整体弯曲产生的水平位移占与总水平位移的比例曲线及其正则化曲线如图 3、图 4 所示。 

图3   整体弯曲引起的水平位移占比 

▼

图4  算法示意

▼

由图3可知，随着楼层的增加，各楼层的水平

位移占比不断增加，实体筒最大，斜交网格次之，稀柱框架最小。可以定义不同结构体系整体弯曲产生的顶点水平位移占比 R 与实体筒体系整体弯曲产生的顶点水平位移占比

R

wall 的比值

β

L


来评价结构布置对抗侧效率的影响，可用以下公式表示：

图5给出了不同分体系

β

L

值，可以看到斜交网格与实体筒最为接近达 0.87，其次为支撑桁架筒为 0.62，稀柱框架与巨型框架最小，分别为 0.39 与0.44，框筒居中，为 0.58。 

图5  算法示意

▼

对于本文研究的稀柱框架与巨型框架两种结

构体系，由于在实际受力过程中翼缘框架由于剪力滞后效应，中间的柱子往往不能充分参与结构的整体抗弯，效率较低。因此，一般会在设备层设置一定数量的伸臂桁架，对于本文中 405 m 的高楼，设置 3 道左右的伸臂桁架是比较经济的。为此在稀柱框架与巨型框架的基础上每隔 30 层设置一道伸臂桁架，共 3 道。计算分析后可知在核心筒与翼缘框架之间设置伸臂桁架后，稀柱框架和巨型框架的立面抗侧效率系数分别从 0.39 和 0.44 提高到 0.55 与0.62，提高了约 1.4 倍。 

通过以上分析可以看到，为了结构获得最大的

抗侧效率，应尽可能使结构布置支撑化、周边化、巨型化和伸臂桁架化；提高结构的抗侧效率的实质是使结构楼层平面抗弯刚度最大化和变形接近平截面假定。 

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