对我国高层建筑结构的认识及未来发展浅析
摘 要：随着近些年我国经济飞速发展，人们对生产和生活水平的有了的较高的要求。内地高层建筑结构发展愈来愈快，表现为建筑高度不断增加、结构体系日趋复杂，钢—混凝土混合结构占相当大的比例。而我国大部分地区为抗震设防地区，必须考虑这些复杂体型的高层建筑的抗震性能，这对我国高层建筑的结构设计带来很大的挑战，应引起我们的关注。 关键词： 高层建筑结构；研究设计；标准规范；展望
1我国高层建筑结构的发展及特点
1.1建筑高度不断增加
20-30年代,上海、广州陆续建造了一些高层建筑,代表性建筑如:1929年建成的22层的上海大厦,1931年建造的24层的上海国际饭店等;解放后,1959年建成了12层、474m高的北京民族饭店,1968年建成了27层的广州宾馆,70年代建成了17层的北京饭店新楼以及114m高的广州白云宾馆;80年代开始到上世纪末,随着我国经济建设的发展,兴建了100多栋高度超过150m的高层建筑。代表性建筑为:1990年建成的208m高的北京京广中心,1992年建成的63层、200m高的广东国际大厦,1996年建成的325m高的深圳地王大厦,以及1998年落成的420m高的上海金茂大厦。据不完全统计,截至2008年底,150m以上的高层建筑已超过200栋,这些高层、超高层建筑中,300m以上的多分布在东南沿海地区,北方也有一批超高层建筑已经建成或正在设计建造中,如2007年北京建成了高度为330m的北京国贸三期,高度为337m的天津津塔预计2009年底结构封顶,其他如350m高的沈阳恒隆市府广场,383m高的大连裕景,333m高的天津嘉里中心办公楼等,正在设计建造中。据国际高层建筑与城市协会2006年出版的世界上最高的101栋高层建筑 统计,落成及在建的最高的101栋高层建筑中,我国大陆有20多栋,中国大陆、中国香港、中国台湾总计33栋,美国也是33栋,数量相当,表明我国超高层建筑的数量居于世界前列。除数量增多外,超高层建筑的高度近年不断刷新,28492m高的上海环球金融中心已正式投入使用;432m高的广州西塔结构已封顶。除上述代表性超高层建筑外,使用高度580m、总高度超过600m的上海中心已经于2008年底动工。全国各地尚有一批正在酝酿兴建的高层建筑,如设计中的深圳平安金融中心塔楼桅杆顶高度将超过600m,天津117大厦总高度也将超过600m。总之,我国高层建筑的高度正在从400m向600m挺进。超高层建筑高度的不断攀高,其意义不仅仅在于高度的突破,而是带动了整个建筑业的发展,包括材料技术、设备制造技术等行业的进一步发展。超高层建筑发展是经济发展的大势所趋。
1.2 结构体型日趋复杂
由于业主和建筑师为实现建筑功能以及在建筑艺术、建筑造型方面体现创新,设计了众多复杂体型和内部空间多变的高层建筑,使得我国高层建筑的复杂程度也处于世界前列。随着国民经济的发展,高层建筑除了要满足建筑使用功能要求,越来越重视建筑个性化的体现,使高层建筑的平面、立面均极其特殊。尤其近几年,各种新的复杂体型及复杂结构体系大量出现,如体型复杂的连体结构,楼板开大洞形成的长短柱,楼板与外框结构仅通过若干节点连接,悬挑、悬挂,大跨度连体的滑动连接等,这些复杂体型的高层建筑许多超出了现行设计规范的要求,以往的工程经验和震害资料都无法借鉴,需要进行更深入的研究。特别是许多项目采用了国外设计师的作品,但一些境外建筑师来自非地震区,缺乏抗震设计经验,有些建筑方案特别不规则。而在日本神户、中国台湾及2008年的“5.12”汶川地震中,一些特别不规则建筑受到严重破坏。我国绝大部分地区为抗震设防地区,而高层建筑集中的东南沿海地区又是台风频繁的地区,因此我国高层建筑设计绝大部分都要考虑抗震、抗风问题,加之体型日趋复杂,我国的高层建筑结构设计面临更大的挑战。
1.3 超高层建筑中钢—混凝土混合结构为主
国外高层、超高层建筑以纯钢结构为主,而我国以钢—混凝土的混合结构应用居多。据不完全统计,中国已建成的150m以上的高层建筑中,混合、组合结构约占22.3%;200m以上的高层建筑,混合结构约占43.8%;300m以上的高层建筑,混合、组合结构约占66.7%,如上海环球金融中心及金茂大厦均为钢筋混凝土核心筒,外框为型钢混凝土柱及钢柱;北京国际贸易中心三期,为筒中筒结构,外部为型钢混凝土框筒,内部为型钢混凝土巨型柱与斜撑及钢梁组成的筒体,高度330m,为我国8度抗震设防地区最高的高层建筑。正在设计建造中的三栋600m以上的高层建筑(上海中心、深圳平安金融中心、天津117大厦)全部采用混合结构。钢—混凝土混合结构之所以得到了较大发展,一方面因为其可有效地将钢、混凝土以及钢—混凝土组合构件进行组合,既具有钢结构的技术优势又具有混凝土造价相对低廉的特点;另一方面,我国现场施工的人力成本比国外低,采用混合结构比采用纯钢结构经济方面更有优势。因此混合结构是符合我国国情的超高层建筑的结构体系,预计将来混合结构仍将得到较大的发展。
1.4 一批新型结构体系涌现
随着超高层建筑的发展,近期涌现出了一些新型结构体系。已建成的330m高的北京国贸三期主塔楼采用了钢混凝土框架核心筒结构,内筒采用了型钢、钢板混凝土巨型组合柱及型钢混凝土支撑结构体系;在建的337m高的天津津塔主要抗侧力体系由钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系组成,具有较高的抗侧刚度和延性,是目前世界上应用
钢板剪力墙的最高的高层建筑;广州西塔采用了外部交叉网格结构体系,该体系具有较强的抗侧刚度及抗扭刚度,能较好地抵御风荷载和地震作用;巨型结构在超高层结构中被广泛采用,利用外框的带状桁架和巨型柱形成巨型框架,并辅以必要的外立面的斜撑,巨型柱的尺寸往往达到5m以上,有的甚至超过10m,采用型钢混凝土构件或钢管混凝土构件。随着高层建筑结构的发展,会有更多新颖合理的结构体系出现。
2我国高层建筑结构设计研究及标准规范编制
2.1 高层建筑结构设计研究
大量复杂高层建筑的出现,给结构设计带来了挑战。结合复杂高层建筑的设计,进行了大量的相关研究工作,研究内容主要侧重抗震、抗风,研究手段主要是试验研究与计算分析。关于抗震研究工作,针对我国高层建筑体型复杂和混合结构应用广泛的特点,国内相关科研院所、高校等进行了大量试验研究。结合振动台试验及模型静力试验,并利用各种计算机分析软件进行计算分析工作,完成了关于转换层、加强层、体型收进、带悬挑结构、连体结构等复杂高层建筑结构的研究应用,为我国复杂高层建筑设计提供了依据。针对混合结构应用广泛的特点,开展了系列研究工作:进行了整体模型结构拟静力试验研究及模型振动台试验研究,开展了如何增强混合结构核心筒剪力墙延性的研究,如采用钢板混凝土组合剪力墙、带钢斜撑混凝土组合剪力墙、内藏钢桁29架混凝土组合剪力墙等多形式的研究工作;结合实际工程,如CCTV大楼、北京国贸三期等,开展了大量高含钢率、截面形式复杂的组合构件的试验研究等。在高层建筑研究过程中,进行了数百栋实际工程的模型振动台试验研究工作。通过整体模型振动台试验,研究结构抗震性能,对结构相对薄弱部位有针对性的采取加强措施;除振动台试验外,许多工程进行了大比例构件、节点试验研究,以检验结构设计的安全性,并为设计提供参考。如上海环球金融中心、广州西塔等均进行了大量的试验研究工作。抗风研究工作主要针对复杂体型及复杂风环境开展工作。结合具体的高层建筑工程,开展了大量的风洞试验,为进行高层建筑结构的设计提供了更为可靠的依据。随着人们对居住环境的重视,风工程研究工作会越来越引起设计人员的关注。除试验研究外,高层建筑结构的计算分析手段有了很大提高。规范要求,体型复杂、结构布置复杂的高层建筑进行多遇地震作用下的内力与变形分析时,应采用至少两个不同力学模型的软件进行整体计算。目前,国内商业化的高层建筑分析计算程序主要有SATWE,PMSAP等,国际通用程序ETABS,SAP2000,MIDAS等在复杂工程计算中已得到较广泛的应用。近几年高层建筑结构设计领域的弹塑性分析计算工作取得了一定的进展。许多体型特殊的结构,除进行弹性计算分析外,补充进行了弹塑性分析计算,以找出结构的薄弱部位并采取构造措施进行加强。弹塑性分析计算程序主要有两大类:一类是土建领域常用的国际通用分析
程序如ETABS,SAP2000,ANSYS等以及国内自主开发的弹塑性分析程序如EPDA等;除此以外,原用于航空航天、汽车等领域的大型非线性分析程序ABAQUS,LSDYNA等已开始在高层建筑实际工程中得到应用,非线性动力方程的显式求解方法也在结构分析中得到应用,为弹塑性分析计算工作开辟了新的局面。但是鉴于我国高层建筑结构体型复杂,且多以混合结构或钢筋混凝土结构为主,弹塑性分析工作还有许多值得深入研究探讨的问题,如合理模拟结构阻尼、合理确定材料本构关系、开发高精度单元、改善非线性分析算法等。另外,针对复杂及超限结构,除进行整体计算分析外,还作一些补充计算,如对关键部位、关键构件进行中震或大震结构构件内力验算等,是基于性能的抗震设计思想的具体体现。超高层建筑等复杂结构,其结构构件的受力情况与施工过程是密切相关的。施工过程的模拟也是一个非线性问题,在模拟过程中结构是不断变化的,以往采用的结构一次成型、荷载分步施加的分析方法对于复杂结构已经不能适用,需要进行更精确的分析。目前国内许多超高层建筑和复杂工程都进行了施工过程模拟分析,并综合考虑混凝土的收缩、徐变,利用施工模拟的结果作为重力荷载产生的内力进行抗震分析,得到了更安全、准确的结果。如CCTV主楼、陕西法门寺合十舍利塔等,由于体型特殊,进行了施工过程模拟计算分析。除抗震计算分析外,风工程数值分析计算的CFD技术(如Fluent软件)近年来在实际工程的风环境分析中也得到了具体应用。
2.2 标准规范编制
我国是一个多地震的国家,高层建筑集中的沿海地区,基本风压也较大,因此高层建筑大多要考虑抗震、抗风问题。我国专门针对高层建筑结构设计的规程主要有高层建筑混凝土结构技术规程 、高层民用建筑钢结构技术规程 ,前者适用于混凝土结构以及钢混凝土混合(组合)结构的高层建筑,后者专门针对钢结构高层建筑。与高层建筑设计密切相关的其他规范还有建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范、建筑荷载设计规范、建筑地基基础设计规范等。前文提到,我国高层建筑的较大发展始于上世纪80年代,此前我国高层建筑设计建造数量较少,为指导我国建筑结构设计,由中国建筑科学研究院编制了钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定,1979年7月由国家相关部门颁布实施,规定适用于8层以上高层民用建筑钢筋混凝土框架结构、框架剪力墙结构和现浇剪力墙结构,并严格规定了高度适用范围:非抗震地区或设防烈度7度时不超过130m,设防烈度为8度时不超过80m,设防烈度为9度时不超过40m。随着高层建筑的发展,中国建筑科学研究院会同相关单位对该规定进行了修订,于1991年编制了行业标准钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程,规程适用范围增加了底层大空间剪力墙和筒体结构,适用高度也提高到180m。随着大量复杂高层建筑的出现,根据建设部要求,编制组又对该规程进行了修订,并于2002年颁布了高层建筑混凝土结构技术规程 (以下简称
高层02规程)。高层02规程修订的主要内容有:1)适用范围提高为10层及10层以上或高度超过28m的混凝土结构高层民用建筑,提高了最大适用高度,除A级高度外,增加了B级高度,对B级高度高层建筑结构的规则性、作用效30应计算及构造措施提出了比A级高度更严的规定;2)增加了钢—混凝土混合结构以及复杂高层建筑结构的有关设计规定;3)增加了特一级抗震等级的计算和构造措施;4)补充了结构平面和竖向布置的规则性界限,强调概念设计的重要性;5)增加了150m以上高层民用建筑的舒适度要求;6)增加了板柱剪力墙结构、具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构的有关设计规定。高层规程目前正在进行进一步修订,预计2010年完成。“5.12”汶川地震震害表明,严格按照建筑抗震设计规范和高层建筑混凝土结构技术规程进行设计、施工和使用的高层建筑没有发生严重的倒塌破坏,说明我国的高层建筑经受住了地震的考验。另外,为保证建筑结构的设计质量,对于特殊的超过规范要求的高层建筑(超限高层建筑),由政府行政主管部门组织专家成立审查委员会进行专项审查,在审查通过后方可实施。据不完全统计,全国已审查了近千栋高度100m以上的超限高层建筑工程。通过抗震设防专项审查,可以为相关技术发展进行充分的论证,从而促进建筑技术的发展。进行复杂及超限结构设计时不再局限于“小震不坏、中震可修、大震不倒”,所采取的论证及加强措施体现了基于性能的抗震设计思想。在超限高层抗震专项审查中,中震弹性设计、大震动力弹塑性分析、模型振动台试验、复杂节点分析与试验等新的设计思想和分析、试验方式得到广泛应用,提高了结构的安全度和国内设计水平。减振控制技术的研究及应用有较大进展。隔震技术较为成熟,在工程中有一定应用,主要用于高烈度区的多层、小高层建筑,如北京通惠家园某地铁枢纽建筑、太原某19层高层建筑、成都凯德风尚20层剪力墙住宅项目等。目前,多项采用隔震技术的房屋建筑正在设计建造之中。消能减振技术近年在新建高层建筑工程中开始得到应用,如北京银泰中心主塔楼、上海世茂国际广场、深圳大梅沙酒店等采用了粘滞流体阻尼器;此外,主动控制技术在我国大陆超高层建筑中首次得到了应用,上海环球金融中心在第90层安装了两台各重250t的质量阻尼器,有效地减小建筑结构在风以及地震作用时的反应。
3我国高层建筑结构的展望
3.1 在高层结构抗震设计理论和方法方面开展进一步研究
高层、超高层建筑的连续倒塌往往会引起惨重的人员伤亡及财产损失。近年来国际上关于防止结构连续倒塌问题引起了人们的关注。尤其是2001年9月11日美国世贸中心大楼由于飞机撞击发生灾难性的连续倒塌,引起工程界的广泛关注,不少专家对防止结构连续倒塌问题进行了研究。目前我国关于高层建筑结构的倒塌过程的理论和试验研究才刚刚起步,还没有防止结构连续倒塌的有关设计文件和标准,需要进一步开展相关研究工作。另外,现行规范的
“安全性”目标不能满足重要大型高层建筑工程的需要。现行规范最基本、最主要的目标就是防止建筑物在地震中倒塌,确保人的生命不受损失。然而,近年来,随着国民经济的快速发展,人们对建筑抗震的要求除了基本的生命安全外,还对地震期间建筑的使用功能提出了更高的要求。汶川地震中,按现行抗震规范设计和建造的高层建筑,在地震中虽没有倒塌、保障了生命安全,但是其填充墙等非结构构件破坏、建筑内部物品和设备的破坏造成了较大程度的直接和间接的经济损失。鉴于此,需要加强研究基于性能的抗震设计方法。此方法目前在超限及复杂工程设计中得到了较多的应用,但在一般工程中还未得到广泛的应用,需要针对下列问题开展进一步的研究:地震作用的进一步研究、结构分析模型和参数的选用、对非结构和设施的抗震性能要求和震后灾害估计的研究等。此外,随着我国超高层建筑高度的增加,结构自振周期增大,不少超高层建筑的自振周期已超过6s,有的甚至达10s以上,而我国“抗震规范”地震影响系数曲线只有6s以内的相关参数,长周期结构的地震反应应如何考虑,需要进一步研究。
3.2 加强对高层结构隔震减振控制技术的研究
减振控制技术是抗震、抗风设计的一条重要途径,近年来在日本、美国等发达国家得到了较为广泛的应用,近两年我国在新建工程中开始应用。但我们的研究工作与世界先进水平尚有较大差距,需要深入开展相关研究工作。隔震技术在高层建筑中开始有一定应用,但尚有一些技术问题,如隔震支座的抗拉问题等需要深入研究。主要研究内容应包括:隔震设计适用范围的调整、除橡胶隔震垫以外的各类滑动平移转动支座的应用设计方法和措施;消能减振设计方法的细化与改进、各类速度型与位移型阻尼器的适用范围与设计基本原则、控制指标。在结构控制方面,除进行必要的理论研究31外,更需加大产品的研发力度,而且在产品的性能和质量方面有待加强,迫切需要国产的高性能、高质量、新型的结构振动控制装置。
3.3 加强对高层混合结构的研究
根据我国国情,钢混凝土混合结构在高层建筑中的应用比例会持续增加。但目前已建成的混合结构高层建筑尚未经受实际地震的考验,因此需要进一步开展混合结构体系的抗震性能研究。研究工作包含两个方面:一方面是混合结构的整体抗震性能,如阻尼参数的选取、整体结构协调工作的性能等;另一方面,需要加强对组合构件以及组合构件之间连接构造的研究。由于结构体系越来越复杂,大多包含巨型柱、斜撑、腰桁架等,各种组合构件——组合柱、组合梁、组合楼板形式越来越灵活多样,同时随着超高层建筑高度的增加,甚至会出现超过30㎡的巨型组合柱,使得各种构件之间的连接构造越来越复杂多样。因此结合工程应用,对各种新型组合结构构件需要开展更加深入细致的性能研究工作。
3.4 抗风关键技术的研究
随着高层建筑高度的增加,结构对风荷载更加敏感,在不少地区,抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。应进一步加强对高层建筑横风向响应和等效静力风荷载、干扰效应、行人风环境以及居住者舒适度判据等方面的研究。此外,国际工程界对超高层建筑上的风速、风压测试工作也非常重视,在某些世界著名的超高层建筑上架设有风速仪、测振仪,进行长期的测风测振工作,积累了一定的数据。我国在此方面还有较大差距,规范采用的风剖面在超高层建筑的高度范围内缺乏实测数据的支持。
4结语
由于建筑功能多样化的要求，我国的高层建筑发展很快，建筑高度越来越高，建筑体型、平面布置日趋复杂，而且大量采用钢—混凝土混合结构。我国大部分地区为抗震设防地区，必须考虑这些复杂体型的高层建筑的抗震性能。而这类建筑目前缺乏震害经验，设计没有充分依据，规范中还无法订出安全合理的条文，这对我国高层建筑的结构设计带来很大的挑战，应引起我们的关注。我们应进一步加强高层建筑结构的设计和研究工作，尤其是抗震研究工作，确保高层建筑稳步健康发展。
对我国高层建筑结构的认识及未来发展浅析
摘 要：随着近些年我国经济飞速发展，人们对生产和生活水平的有了的较高的要求。内地高层建筑结构发展愈来愈快，表现为建筑高度不断增加、结构体系日趋复杂，钢—混凝土混合结构占相当大的比例。而我国大部分地区为抗震设防地区，必须考虑这些复杂体型的高层建筑的抗震性能，这对我国高层建筑的结构设计带来很大的挑战，应引起我们的关注。 关键词： 高层建筑结构；研究设计；标准规范；展望
1我国高层建筑结构的发展及特点
1.1建筑高度不断增加
20-30年代,上海、广州陆续建造了一些高层建筑,代表性建筑如:1929年建成的22层的上海大厦,1931年建造的24层的上海国际饭店等;解放后,1959年建成了12层、474m高的北京民族饭店,1968年建成了27层的广州宾馆,70年代建成了17层的北京饭店新楼以及114m高的广州白云宾馆;80年代开始到上世纪末,随着我国经济建设的发展,兴建了100多栋高度超过150m的高层建筑。代表性建筑为:1990年建成的208m高的北京京广中心,1992年建成的63层、200m高的广东国际大厦,1996年建成的325m高的深圳地王大厦,以及1998年落成的420m高的上海金茂大厦。据不完全统计,截至2008年底,150m以上的高层建筑已超过200栋,这些高层、超高层建筑中,300m以上的多分布在东南沿海地区,北方也有一批超高层建筑已经建成或正在设计建造中,如2007年北京建成了高度为330m的北京国贸三期,高度为337m的天津津塔预计2009年底结构封顶,其他如350m高的沈阳恒隆市府广场,383m高的大连裕景,333m高的天津嘉里中心办公楼等,正在设计建造中。据国际高层建筑与城市协会2006年出版的世界上最高的101栋高层建筑 统计,落成及在建的最高的101栋高层建筑中,我国大陆有20多栋,中国大陆、中国香港、中国台湾总计33栋,美国也是33栋,数量相当,表明我国超高层建筑的数量居于世界前列。除数量增多外,超高层建筑的高度近年不断刷新,28492m高的上海环球金融中心已正式投入使用;432m高的广州西塔结构已封顶。除上述代表性超高层建筑外,使用高度580m、总高度超过600m的上海中心已经于2008年底动工。全国各地尚有一批正在酝酿兴建的高层建筑,如设计中的深圳平安金融中心塔楼桅杆顶高度将超过600m,天津117大厦总高度也将超过600m。总之,我国高层建筑的高度正在从400m向600m挺进。超高层建筑高度的不断攀高,其意义不仅仅在于高度的突破,而是带动了整个建筑业的发展,包括材料技术、设备制造技术等行业的进一步发展。超高层建筑发展是经济发展的大势所趋。
1.2 结构体型日趋复杂
由于业主和建筑师为实现建筑功能以及在建筑艺术、建筑造型方面体现创新,设计了众多复杂体型和内部空间多变的高层建筑,使得我国高层建筑的复杂程度也处于世界前列。随着国民经济的发展,高层建筑除了要满足建筑使用功能要求,越来越重视建筑个性化的体现,使高层建筑的平面、立面均极其特殊。尤其近几年,各种新的复杂体型及复杂结构体系大量出现,如体型复杂的连体结构,楼板开大洞形成的长短柱,楼板与外框结构仅通过若干节点连接,悬挑、悬挂,大跨度连体的滑动连接等,这些复杂体型的高层建筑许多超出了现行设计规范的要求,以往的工程经验和震害资料都无法借鉴,需要进行更深入的研究。特别是许多项目采用了国外设计师的作品,但一些境外建筑师来自非地震区,缺乏抗震设计经验,有些建筑方案特别不规则。而在日本神户、中国台湾及2008年的“5.12”汶川地震中,一些特别不规则建筑受到严重破坏。我国绝大部分地区为抗震设防地区,而高层建筑集中的东南沿海地区又是台风频繁的地区,因此我国高层建筑设计绝大部分都要考虑抗震、抗风问题,加之体型日趋复杂,我国的高层建筑结构设计面临更大的挑战。
1.3 超高层建筑中钢—混凝土混合结构为主
国外高层、超高层建筑以纯钢结构为主,而我国以钢—混凝土的混合结构应用居多。据不完全统计,中国已建成的150m以上的高层建筑中,混合、组合结构约占22.3%;200m以上的高层建筑,混合结构约占43.8%;300m以上的高层建筑,混合、组合结构约占66.7%,如上海环球金融中心及金茂大厦均为钢筋混凝土核心筒,外框为型钢混凝土柱及钢柱;北京国际贸易中心三期,为筒中筒结构,外部为型钢混凝土框筒,内部为型钢混凝土巨型柱与斜撑及钢梁组成的筒体,高度330m,为我国8度抗震设防地区最高的高层建筑。正在设计建造中的三栋600m以上的高层建筑(上海中心、深圳平安金融中心、天津117大厦)全部采用混合结构。钢—混凝土混合结构之所以得到了较大发展,一方面因为其可有效地将钢、混凝土以及钢—混凝土组合构件进行组合,既具有钢结构的技术优势又具有混凝土造价相对低廉的特点;另一方面,我国现场施工的人力成本比国外低,采用混合结构比采用纯钢结构经济方面更有优势。因此混合结构是符合我国国情的超高层建筑的结构体系,预计将来混合结构仍将得到较大的发展。
1.4 一批新型结构体系涌现
随着超高层建筑的发展,近期涌现出了一些新型结构体系。已建成的330m高的北京国贸三期主塔楼采用了钢混凝土框架核心筒结构,内筒采用了型钢、钢板混凝土巨型组合柱及型钢混凝土支撑结构体系;在建的337m高的天津津塔主要抗侧力体系由钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系组成,具有较高的抗侧刚度和延性,是目前世界上应用
钢板剪力墙的最高的高层建筑;广州西塔采用了外部交叉网格结构体系,该体系具有较强的抗侧刚度及抗扭刚度,能较好地抵御风荷载和地震作用;巨型结构在超高层结构中被广泛采用,利用外框的带状桁架和巨型柱形成巨型框架,并辅以必要的外立面的斜撑,巨型柱的尺寸往往达到5m以上,有的甚至超过10m,采用型钢混凝土构件或钢管混凝土构件。随着高层建筑结构的发展,会有更多新颖合理的结构体系出现。
2我国高层建筑结构设计研究及标准规范编制
2.1 高层建筑结构设计研究
大量复杂高层建筑的出现,给结构设计带来了挑战。结合复杂高层建筑的设计,进行了大量的相关研究工作,研究内容主要侧重抗震、抗风,研究手段主要是试验研究与计算分析。关于抗震研究工作,针对我国高层建筑体型复杂和混合结构应用广泛的特点,国内相关科研院所、高校等进行了大量试验研究。结合振动台试验及模型静力试验,并利用各种计算机分析软件进行计算分析工作,完成了关于转换层、加强层、体型收进、带悬挑结构、连体结构等复杂高层建筑结构的研究应用,为我国复杂高层建筑设计提供了依据。针对混合结构应用广泛的特点,开展了系列研究工作:进行了整体模型结构拟静力试验研究及模型振动台试验研究,开展了如何增强混合结构核心筒剪力墙延性的研究,如采用钢板混凝土组合剪力墙、带钢斜撑混凝土组合剪力墙、内藏钢桁29架混凝土组合剪力墙等多形式的研究工作;结合实际工程,如CCTV大楼、北京国贸三期等,开展了大量高含钢率、截面形式复杂的组合构件的试验研究等。在高层建筑研究过程中,进行了数百栋实际工程的模型振动台试验研究工作。通过整体模型振动台试验,研究结构抗震性能,对结构相对薄弱部位有针对性的采取加强措施;除振动台试验外,许多工程进行了大比例构件、节点试验研究,以检验结构设计的安全性,并为设计提供参考。如上海环球金融中心、广州西塔等均进行了大量的试验研究工作。抗风研究工作主要针对复杂体型及复杂风环境开展工作。结合具体的高层建筑工程,开展了大量的风洞试验,为进行高层建筑结构的设计提供了更为可靠的依据。随着人们对居住环境的重视,风工程研究工作会越来越引起设计人员的关注。除试验研究外,高层建筑结构的计算分析手段有了很大提高。规范要求,体型复杂、结构布置复杂的高层建筑进行多遇地震作用下的内力与变形分析时,应采用至少两个不同力学模型的软件进行整体计算。目前,国内商业化的高层建筑分析计算程序主要有SATWE,PMSAP等,国际通用程序ETABS,SAP2000,MIDAS等在复杂工程计算中已得到较广泛的应用。近几年高层建筑结构设计领域的弹塑性分析计算工作取得了一定的进展。许多体型特殊的结构,除进行弹性计算分析外,补充进行了弹塑性分析计算,以找出结构的薄弱部位并采取构造措施进行加强。弹塑性分析计算程序主要有两大类:一类是土建领域常用的国际通用分析
程序如ETABS,SAP2000,ANSYS等以及国内自主开发的弹塑性分析程序如EPDA等;除此以外,原用于航空航天、汽车等领域的大型非线性分析程序ABAQUS,LSDYNA等已开始在高层建筑实际工程中得到应用,非线性动力方程的显式求解方法也在结构分析中得到应用,为弹塑性分析计算工作开辟了新的局面。但是鉴于我国高层建筑结构体型复杂,且多以混合结构或钢筋混凝土结构为主,弹塑性分析工作还有许多值得深入研究探讨的问题,如合理模拟结构阻尼、合理确定材料本构关系、开发高精度单元、改善非线性分析算法等。另外,针对复杂及超限结构,除进行整体计算分析外,还作一些补充计算,如对关键部位、关键构件进行中震或大震结构构件内力验算等,是基于性能的抗震设计思想的具体体现。超高层建筑等复杂结构,其结构构件的受力情况与施工过程是密切相关的。施工过程的模拟也是一个非线性问题,在模拟过程中结构是不断变化的,以往采用的结构一次成型、荷载分步施加的分析方法对于复杂结构已经不能适用,需要进行更精确的分析。目前国内许多超高层建筑和复杂工程都进行了施工过程模拟分析,并综合考虑混凝土的收缩、徐变,利用施工模拟的结果作为重力荷载产生的内力进行抗震分析,得到了更安全、准确的结果。如CCTV主楼、陕西法门寺合十舍利塔等,由于体型特殊,进行了施工过程模拟计算分析。除抗震计算分析外,风工程数值分析计算的CFD技术(如Fluent软件)近年来在实际工程的风环境分析中也得到了具体应用。
2.2 标准规范编制
我国是一个多地震的国家,高层建筑集中的沿海地区,基本风压也较大,因此高层建筑大多要考虑抗震、抗风问题。我国专门针对高层建筑结构设计的规程主要有高层建筑混凝土结构技术规程 、高层民用建筑钢结构技术规程 ,前者适用于混凝土结构以及钢混凝土混合(组合)结构的高层建筑,后者专门针对钢结构高层建筑。与高层建筑设计密切相关的其他规范还有建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范、建筑荷载设计规范、建筑地基基础设计规范等。前文提到,我国高层建筑的较大发展始于上世纪80年代,此前我国高层建筑设计建造数量较少,为指导我国建筑结构设计,由中国建筑科学研究院编制了钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定,1979年7月由国家相关部门颁布实施,规定适用于8层以上高层民用建筑钢筋混凝土框架结构、框架剪力墙结构和现浇剪力墙结构,并严格规定了高度适用范围:非抗震地区或设防烈度7度时不超过130m,设防烈度为8度时不超过80m,设防烈度为9度时不超过40m。随着高层建筑的发展,中国建筑科学研究院会同相关单位对该规定进行了修订,于1991年编制了行业标准钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程,规程适用范围增加了底层大空间剪力墙和筒体结构,适用高度也提高到180m。随着大量复杂高层建筑的出现,根据建设部要求,编制组又对该规程进行了修订,并于2002年颁布了高层建筑混凝土结构技术规程 (以下简称
高层02规程)。高层02规程修订的主要内容有:1)适用范围提高为10层及10层以上或高度超过28m的混凝土结构高层民用建筑,提高了最大适用高度,除A级高度外,增加了B级高度,对B级高度高层建筑结构的规则性、作用效30应计算及构造措施提出了比A级高度更严的规定;2)增加了钢—混凝土混合结构以及复杂高层建筑结构的有关设计规定;3)增加了特一级抗震等级的计算和构造措施;4)补充了结构平面和竖向布置的规则性界限,强调概念设计的重要性;5)增加了150m以上高层民用建筑的舒适度要求;6)增加了板柱剪力墙结构、具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构的有关设计规定。高层规程目前正在进行进一步修订,预计2010年完成。“5.12”汶川地震震害表明,严格按照建筑抗震设计规范和高层建筑混凝土结构技术规程进行设计、施工和使用的高层建筑没有发生严重的倒塌破坏,说明我国的高层建筑经受住了地震的考验。另外,为保证建筑结构的设计质量,对于特殊的超过规范要求的高层建筑(超限高层建筑),由政府行政主管部门组织专家成立审查委员会进行专项审查,在审查通过后方可实施。据不完全统计,全国已审查了近千栋高度100m以上的超限高层建筑工程。通过抗震设防专项审查,可以为相关技术发展进行充分的论证,从而促进建筑技术的发展。进行复杂及超限结构设计时不再局限于“小震不坏、中震可修、大震不倒”,所采取的论证及加强措施体现了基于性能的抗震设计思想。在超限高层抗震专项审查中,中震弹性设计、大震动力弹塑性分析、模型振动台试验、复杂节点分析与试验等新的设计思想和分析、试验方式得到广泛应用,提高了结构的安全度和国内设计水平。减振控制技术的研究及应用有较大进展。隔震技术较为成熟,在工程中有一定应用,主要用于高烈度区的多层、小高层建筑,如北京通惠家园某地铁枢纽建筑、太原某19层高层建筑、成都凯德风尚20层剪力墙住宅项目等。目前,多项采用隔震技术的房屋建筑正在设计建造之中。消能减振技术近年在新建高层建筑工程中开始得到应用,如北京银泰中心主塔楼、上海世茂国际广场、深圳大梅沙酒店等采用了粘滞流体阻尼器;此外,主动控制技术在我国大陆超高层建筑中首次得到了应用,上海环球金融中心在第90层安装了两台各重250t的质量阻尼器,有效地减小建筑结构在风以及地震作用时的反应。
3我国高层建筑结构的展望
3.1 在高层结构抗震设计理论和方法方面开展进一步研究
高层、超高层建筑的连续倒塌往往会引起惨重的人员伤亡及财产损失。近年来国际上关于防止结构连续倒塌问题引起了人们的关注。尤其是2001年9月11日美国世贸中心大楼由于飞机撞击发生灾难性的连续倒塌,引起工程界的广泛关注,不少专家对防止结构连续倒塌问题进行了研究。目前我国关于高层建筑结构的倒塌过程的理论和试验研究才刚刚起步,还没有防止结构连续倒塌的有关设计文件和标准,需要进一步开展相关研究工作。另外,现行规范的
“安全性”目标不能满足重要大型高层建筑工程的需要。现行规范最基本、最主要的目标就是防止建筑物在地震中倒塌,确保人的生命不受损失。然而,近年来,随着国民经济的快速发展,人们对建筑抗震的要求除了基本的生命安全外,还对地震期间建筑的使用功能提出了更高的要求。汶川地震中,按现行抗震规范设计和建造的高层建筑,在地震中虽没有倒塌、保障了生命安全,但是其填充墙等非结构构件破坏、建筑内部物品和设备的破坏造成了较大程度的直接和间接的经济损失。鉴于此,需要加强研究基于性能的抗震设计方法。此方法目前在超限及复杂工程设计中得到了较多的应用,但在一般工程中还未得到广泛的应用,需要针对下列问题开展进一步的研究:地震作用的进一步研究、结构分析模型和参数的选用、对非结构和设施的抗震性能要求和震后灾害估计的研究等。此外,随着我国超高层建筑高度的增加,结构自振周期增大,不少超高层建筑的自振周期已超过6s,有的甚至达10s以上,而我国“抗震规范”地震影响系数曲线只有6s以内的相关参数,长周期结构的地震反应应如何考虑,需要进一步研究。
3.2 加强对高层结构隔震减振控制技术的研究
减振控制技术是抗震、抗风设计的一条重要途径,近年来在日本、美国等发达国家得到了较为广泛的应用,近两年我国在新建工程中开始应用。但我们的研究工作与世界先进水平尚有较大差距,需要深入开展相关研究工作。隔震技术在高层建筑中开始有一定应用,但尚有一些技术问题,如隔震支座的抗拉问题等需要深入研究。主要研究内容应包括:隔震设计适用范围的调整、除橡胶隔震垫以外的各类滑动平移转动支座的应用设计方法和措施;消能减振设计方法的细化与改进、各类速度型与位移型阻尼器的适用范围与设计基本原则、控制指标。在结构控制方面,除进行必要的理论研究31外,更需加大产品的研发力度,而且在产品的性能和质量方面有待加强,迫切需要国产的高性能、高质量、新型的结构振动控制装置。
3.3 加强对高层混合结构的研究
根据我国国情,钢混凝土混合结构在高层建筑中的应用比例会持续增加。但目前已建成的混合结构高层建筑尚未经受实际地震的考验,因此需要进一步开展混合结构体系的抗震性能研究。研究工作包含两个方面:一方面是混合结构的整体抗震性能,如阻尼参数的选取、整体结构协调工作的性能等;另一方面,需要加强对组合构件以及组合构件之间连接构造的研究。由于结构体系越来越复杂,大多包含巨型柱、斜撑、腰桁架等,各种组合构件——组合柱、组合梁、组合楼板形式越来越灵活多样,同时随着超高层建筑高度的增加,甚至会出现超过30㎡的巨型组合柱,使得各种构件之间的连接构造越来越复杂多样。因此结合工程应用,对各种新型组合结构构件需要开展更加深入细致的性能研究工作。
3.4 抗风关键技术的研究
随着高层建筑高度的增加,结构对风荷载更加敏感,在不少地区,抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。应进一步加强对高层建筑横风向响应和等效静力风荷载、干扰效应、行人风环境以及居住者舒适度判据等方面的研究。此外,国际工程界对超高层建筑上的风速、风压测试工作也非常重视,在某些世界著名的超高层建筑上架设有风速仪、测振仪,进行长期的测风测振工作,积累了一定的数据。我国在此方面还有较大差距,规范采用的风剖面在超高层建筑的高度范围内缺乏实测数据的支持。
4结语
由于建筑功能多样化的要求，我国的高层建筑发展很快，建筑高度越来越高，建筑体型、平面布置日趋复杂，而且大量采用钢—混凝土混合结构。我国大部分地区为抗震设防地区，必须考虑这些复杂体型的高层建筑的抗震性能。而这类建筑目前缺乏震害经验，设计没有充分依据，规范中还无法订出安全合理的条文，这对我国高层建筑的结构设计带来很大的挑战，应引起我们的关注。我们应进一步加强高层建筑结构的设计和研究工作，尤其是抗震研究工作，确保高层建筑稳步健康发展。