摘要：随着城市化进程加速，超高层混凝土建筑不断涌现，其结构设计面临风荷载与地震作用的双重挑战。本文基于性能化设计理念，针对超高层混凝土结构在风荷载与地震作用下的性能需求，深入分析结构特点与设计难点，提出抗风抗震协同优化策略，并结合实际案例验证方法有效性。研究表明，通过协同优化抗侧力体系、合理设定性能目标及采用先进分析方法，可显著提升超高层混凝土结构在风振与地震下的综合性能，为超高层建筑设计提供理论与实践参考。

关键词：性能化设计；超高层混凝土结构；抗风抗震；协同优化；抗侧力体系

一、引言

近年来，超高层混凝土建筑以其高效的土地利用率和独特的地标属性，成为城市现代化建设的重要标志。然而，超高层建筑高度高、自振周期长，对风荷载与地震作用极为敏感，结构设计需同时满足抗风与抗震双重要求。传统的结构设计方法以满足规范最低要求为主，难以全面保障超高层结构在复杂荷载工况下的性能，而性能化设计理念为解决这一问题提供了新的思路。性能化设计强调根据建筑功能、使用需求及预期灾害水平，制定明确的结构性能目标，并通过优化设计实现这些目标。开展基于性能化设计的超高层混凝土结构抗风抗震协同优化研究，有助于提高结构在极端荷载下的安全性、适用性和耐久性，降低结构全生命周期成本，对推动超高层建筑设计技术的发展具有重要的理论与现实意义。

二、超高层混凝土结构特点与设计挑战

2.1 结构特点

超高层混凝土结构通常采用框架 - 核心筒、巨型框架、束筒等抗侧力体系。这些体系具有较大的抗侧刚度和承载能力，能够有效抵抗风荷载和地震作用。然而，混凝土结构自重大，会增加地震作用效应；同时，混凝土材料的脆性和徐变、收缩等特性，也会对结构的长期性能产生影响 。此外，超高层建筑的细长外形使其在风荷载作用下容易产生较大的风振响应，如顺风向振动、横风向振动和扭转振动。

2.2 设计挑战

在超高层混凝土结构设计中，风荷载与地震作用的耦合效应显著。风荷载是超高层建筑的主要设计荷载之一，尤其是在强风地区，风振响应可能导致结构产生较大的位移和加速度，影响建筑的舒适性和安全性。地震作用具有不确定性，不同类型的地震波会对结构产生不同的响应。同时，超高层结构的高柔特性使其在地震作用下容易发生鞭梢效应等复杂动力响应。此外，传统设计方法难以准确考虑风荷载与地震作用的协同影响，导致结构设计可能存在安全隐患或经济性不佳的问题。

三、性能化设计理念与目标设定

3.1 性能化设计理念

性能化设计是一种基于性能目标的结构设计方法，它突破了传统规范设计的局限性，强调根据建筑的重要性、使用功能和预期的灾害水平，制定个性化的结构性能目标，并通过合理的设计手段实现这些目标。性能化设计过程包括性能目标设定、结构分析、设计优化和性能评估等环节，要求设计师在设计过程中充分考虑结构在各种荷载工况下的性能表现。

3.2 性能目标设定

对于超高层混凝土结构的抗风抗震性能目标设定，需考虑多方面因素。在风荷载作用下，性能目标可分为正常使用极限状态和承载力极限状态。正常使用极限状态下，应控制结构的层间位移角和加速度，以保证建筑的舒适性，例如，对于办公和酒店类超高层建筑，层间位移角不宜超过 1/500，结构顶点加速度不宜超过 0.15m/s²。在承载力极限状态下，应确保结构在强风作用下不发生倒塌破坏。在地震作用下，性能目标通常分为多遇地震、设防地震和罕遇地震三个水准。多遇地震下，结构应保持弹性，满足正常使用要求；设防地震下，结构允许出现部分塑性变形，但应保证结构的整体稳定性；罕遇地震下，结构应具有足够的延性，避免发生倒塌破坏。

四、抗风抗震协同优化策略

4.1 抗侧力体系优化

合理选择和优化抗侧力体系是实现抗风抗震协同优化的关键。对于超高层混凝土结构，框架 - 核心筒体系是常用的抗侧力体系之一。在设计过程中，可以通过优化核心筒的形状、尺寸和墙体厚度，提高核心筒的抗侧刚度和承载力；同时，合理布置框架柱，增强框架与核心筒之间的协同工作能力。此外，巨型框架、束筒等体系也具有良好的抗风抗震性能，可根据建筑功能和结构特点进行选择和优化。例如，在超高层建筑中采用巨型斜撑结构，可有效减小结构的风振响应和地震响应，提高结构的整体稳定性。

4.2 关键构件设计优化

关键构件的性能直接影响结构的整体性能。在超高层混凝土结构中，核心筒连梁、框架柱、转换梁等构件是结构的关键部位。对于核心筒连梁，可采用耗能连梁或可更换连梁等新型构造形式，提高连梁的耗能能力和延性；对于框架柱，可通过采用钢管混凝土柱、型钢混凝土柱等组合结构形式，提高柱子的承载力和延性；对于转换梁，应合理设计其截面尺寸和配筋形式，确保转换梁在风荷载和地震作用下的安全性。

4.3 先进分析方法应用

采用先进的分析方法是实现抗风抗震协同优化的重要手段。在结构分析中，可采用计算流体动力学（CFD）方法模拟风场特性，准确获取结构的风荷载；采用有限元分析软件（如 ABAQUS、ANSYS 等）进行结构的动力弹塑性分析，模拟结构在地震作用下的非线性响应。此外，还可以运用多尺度分析方法，将结构的宏观分析与微观分析相结合，更准确地研究结构的力学性能。通过先进分析方法的应用，可以更全面地了解结构在风荷载和地震作用下的性能表现，为结构优化设计提供准确的数据支持。

五、案例研究

5.1 工程概况

选取某在建的超高层混凝土建筑作为研究案例，该建筑高度为350 米，地上 80 层，地下 4 层，采用框架 - 核心筒结构体系，建筑功能为办公和酒店。该建筑位于沿海强风地区，抗震设防烈度为 8度（0.2g）。

5.2 协同优化设计过程

首先，根据建筑功能和使用需求，制定结构的性能目标。在风荷载作用下，控制结构顶点加速度不超过 0.15m/s²，层间位移角不超过 1/500；在地震作用下，满足多遇地震、设防地震和罕遇地震三个水准的性能要求。然后，对结构的抗侧力体系进行优化，通过调整核心筒的墙体厚度和框架柱的间距，提高结构的抗侧刚度和承载力。同时，对核心筒连梁、框架柱等关键构件进行优化设计，采用耗能连梁和型钢混凝土柱，提高构件的耗能能力和延性。最后，运用 CFD 方法模拟风场，获取结构的风荷载；采用有限元软件进行结构的动力弹塑性分析，评估结构在地震作用下的性能表现，并根据分析结果对结构设计进行进一步优化。

5.3 优化效果分析

通过抗风抗震协同优化设计，该超高层混凝土结构在风荷载和地震作用下的性能得到显著提升。在风荷载作用下，结构顶点加速度由优化前的 0.18m/s² 降低至 0.13m/s²，层间位移角由 1/450 减小至 1/550，满足了建筑舒适性要求。在地震作用下，结构在多遇地震下保持弹性，在设防地震下关键构件未出现严重破坏，在罕遇地震下结构具有足够的延性，未发生倒塌破坏，实现了预定的性能目标。同时，通过优化设计，结构的材料用量得到合理控制，降低了工程造价，提高了结构的经济性。

六、结论

本论文以性能化设计理念为核心，针对超高层混凝土结构在风荷载与地震作用下的设计难题，系统研究抗风抗震协同优化策略。研究首先剖析超高层混凝土结构高柔、自重大、荷载耦合效应显著等特点及传统设计局限性，明确性能化设计对提升结构综合性能的必要性。 在优化策略层面，提出从抗侧力体系优化、关键构件设计改良及先进分析方法应用三方面协同发力。通过调整核心筒与框架柱参数、选用新型构件构造形式、运用 CFD 与有限元分析技术，构建多维度优化路径。研究证实，性能化设计结合协同优化策略可显著提升超高层混凝土结构在复杂荷载下的安全性、舒适性与经济性，为超高层建筑设计提供了可借鉴的理论与实践路径。但研究仍存在不足，未来需深化风震耦合效应机理研究，探索智能材料与自适应结构应用，完善全生命周期成本分析方法，推动超高层结构设计向更精准、更绿色方向发展。

参考文献：

[1] 章宏东 , 方鸿强 , 王珏 . 超高层建筑结构的抗风性能分析与抗震性能研究 [J]. 浙江建筑 , 2010, 27(11):5.

[2]Zhang Hongdong, 章 宏 东 ,Fang Hongqiang, 等 . 超 高 层建筑结构的抗风性能分析与抗震性能研究 [C]// 汉嘉创新技术年会. 中国汉嘉设计集团股份有限公司, 2011.