對我國高層建筑結構的認識及未來發(fā)展淺析

1、對我國高層建筑結構的認識及未來發(fā)展淺析（. ）摘 要：隨著近些年我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，人們對生產(chǎn)和生活水平的有了的較高的要求。內(nèi)地高層建筑結構發(fā)展愈來愈快，表現(xiàn)為建筑高度不斷增加、結構體系日趨復雜，鋼混凝土混合結構占相當大的比例。而我國大部分地區(qū)為抗震設防地區(qū)，必須考慮這些復雜體型的高層建筑的抗震性能，這對我國高層建筑的結構設計帶來很大的挑戰(zhàn)，應引起我們的關注。關鍵詞： 高層建筑結構；研究設計；標準規(guī)范；展望1我國高層建筑結構的發(fā)展及特點1.1建筑高度不斷增加2030年代, 上海、廣州陸續(xù)建造了一些高層建筑, 代表性建筑如:1929年建成的22層的上海大廈,1931年建造的24層的上海國際飯店等;

2、 解放后,1959年建成了12層、474m 高的北京民族飯店,1968年建成了27層的廣州賓館,70年代建成了17層的北京飯店新樓以及114m 高的廣州白云賓館;80年代開始到上世紀末, 隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展, 興建了100多棟高度超過150m 的高層建筑。代表性建筑為:1990年建成的208m 高的北京京廣中心,1992年建成的63層、200m 高的廣東國際大廈,1996年建成的325m 高的深圳地王大廈, 以及1998年落成的420m 高的上海金茂大廈。據(jù)不完全統(tǒng)計, 截至2008年底,150m 以上的高層建筑已超過200棟, 這些高層、超高層建筑中,300m 以上的多分布在東南沿海地區(qū)

3、, 北方也有一批超高層建筑已經(jīng)建成或正在設計建造中, 如2007年北京建成了高度為330m 的北京國貿(mào)三期, 高度為337m 的天津津塔預計2009年底結構封頂, 其他如350m 高的沈陽恒隆市府廣場,383m 高的大連裕景,333m 高的天津嘉里中心辦公樓等, 正在設計建造中。據(jù)國際高層建筑與城市協(xié)會2006年出版的世界上最高的101棟高層建筑 統(tǒng)計, 落成及在建的最高的101棟高層建筑中, 我國大陸有20多棟, 中國大陸、中國香港、中國臺灣總計33棟, 美國也是33棟, 數(shù)量相當, 表明我國超高層建筑的數(shù)量居于世界前列。除數(shù)量增多外, 超高層建筑的高度近年不斷刷新,28492m 高的上海環(huán)

4、球金融中心已正式投入使用;432m 高的廣州西塔結構已封頂。除上述代表性超高層建筑外, 使用高度580m 、總高度超過600m 的上海中心已經(jīng)于2008年底動工。全國各地尚有一批正在醞釀興建的高層建筑, 如設計中的深圳平安金融中心塔樓桅桿頂高度將超過600m, 天津117大廈總高度也將超過600m ?？傊? 我國高層建筑的高度正在從400m 向600m 挺進。超高層建筑高度的不斷攀高, 其意義不僅僅在于高度的突破, 而是帶動了整個建筑業(yè)的發(fā)展, 包括材料技術、設備制造技術等行業(yè)的進一步發(fā)展。超高層建筑發(fā)展是經(jīng)濟發(fā)展的大勢所趨。1.2 結構體型日趨復雜由于業(yè)主和建筑師為實現(xiàn)建筑功能以及在建筑藝術

5、、建筑造型方面體現(xiàn)創(chuàng)新, 設計了眾多復雜體型和內(nèi)部空間多變的高層建筑, 使得我國高層建筑的復雜程度也處于世界前列。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展, 高層建筑除了要滿足建筑使用功能要求, 越來越重視建筑個性化的體現(xiàn), 使高層建筑的平面、立面均極其特殊。尤其近幾年, 各種新的復雜體型及復雜結構體系大量出現(xiàn), 如體型復雜的連體結構, 樓板開大洞形成的長短柱, 樓板與外框結構僅通過若干節(jié)點連接, 懸挑、懸掛, 大跨度連體的滑動連接等, 這些復雜體型的高層建筑許多超出了現(xiàn)行設計規(guī)范的要求, 以往的工程經(jīng)驗和震害資料都無法借鑒, 需要進行更深入的研究。特別是許多項目采用了國外設計師的作品, 但一些境外建筑師來自非地震

6、區(qū), 缺乏抗震設計經(jīng)驗, 有些建筑方案特別不規(guī)則。而在日本神戶、中國臺灣及2008年的“5.12”汶川地震中, 一些特別不規(guī)則建筑受到嚴重破壞。我國絕大部分地區(qū)為抗震設防地區(qū), 而高層建筑集中的東南沿海地區(qū)又是臺風頻繁的地區(qū), 因此我國高層建筑設計絕大部分都要考慮抗震、抗風問題, 加之體型日趨復雜, 我國的高層建筑結構設計面臨更大的挑戰(zhàn)。1.3 超高層建筑中鋼混凝土混合結構為主國外高層、超高層建筑以純鋼結構為主, 而我國以鋼混凝土的混合結構應用居多。據(jù)不完全統(tǒng)計, 中國已建成的150m 以上的高層建筑中, 混合、組合結構約占22.3%;200m以上的高層建筑, 混合結構約占43.8%;300m

7、以上的高層建筑, 混合、組合結構約占66.7%,如上海環(huán)球金融中心及金茂大廈均為鋼筋混凝土核心筒, 外框為型鋼混凝土柱及鋼柱; 北京國際貿(mào)易中心三期, 為筒中筒結構, 外部為型鋼混凝土框筒, 內(nèi)部為型鋼混凝土巨型柱與斜撐及鋼梁組成的筒體, 高度330m, 為我國8度抗震設防地區(qū)最高的高層建筑。正在設計建造中的三棟600m 以上的高層建筑(上海中心、深圳平安金融中心、天津117大廈 全部采用混合結構。鋼混凝土混合結構之所以得到了較大發(fā)展, 一方面因為其可有效地將鋼、混凝土以及鋼混凝土組合構件進行組合, 既具有鋼結構的技術優(yōu)勢又具有混凝土造價相對低廉的特點; 另一方面, 我國現(xiàn)場施工的人力成本比國

8、外低, 采用混合結構比采用純鋼結構經(jīng)濟方面更有優(yōu)勢。因此混合結構是符合我國國情的超高層建筑的結構體系, 預計將來混合結構仍將得到較大的發(fā)展。1.4 一批新型結構體系涌現(xiàn)隨著超高層建筑的發(fā)展, 近期涌現(xiàn)出了一些新型結構體系。已建成的330m 高的北京國貿(mào), 內(nèi)筒采用了型鋼、鋼板混凝土巨型組合柱及型鋼混凝土支撐結構體系; 在建的337m 高的天津津塔主要抗側力體系由鋼管混凝土柱框架+核心鋼板剪力墻體系+外伸剛臂抗側力體系組成, 具有較高的抗側剛度和延性, 是目前世界上應用鋼板剪力墻的最高的高層建筑; 廣州西塔采用了外部交叉網(wǎng)格結構體系, 該體系具有較強的抗側剛度及抗扭剛度, 能較好地抵御風荷載和地

9、震作用; 巨型結構在超高層結構中被廣泛采用, 利用外框的帶狀桁架和巨型柱形成巨型框架, 并輔以必要的外立面的斜撐, 巨型柱的尺寸往往達到5m 以上, 有的甚至超過10m, 采用型鋼混凝土構件或鋼管混凝土構件。隨著高層建筑結構的發(fā)展, 會有更多新穎合理的結構體系出現(xiàn)。2我國高層建筑結構設計研究及標準規(guī)范編制2.1 高層建筑結構設計研究大量復雜高層建筑的出現(xiàn), 給結構設計帶來了挑戰(zhàn)。結合復雜高層建筑的設計, 進行了大量的相關研究工作, 研究內(nèi)容主要側重抗震、抗風, 研究手段主要是試驗研究與計算分析。關于抗震研究工作, 針對我國高層建筑體型復雜和混合結構應用廣泛的特點, 國內(nèi)相關科研院所、高校等進行

10、了大量試驗研究。結合振動臺試驗及模型靜力試驗, 并利用各種計算機分析軟件進行計算分析工作, 完成了關于轉換層、加強層、體型收進、帶懸挑結構、連體結構等復雜高層建筑結構的研究應用, 為我國復雜高層建筑設計提供了依據(jù)。針對混合結構應用廣泛的特點, 開展了系列研究工作:進行了整體模型結構擬靜力試驗研究及模型振動臺試驗研究, 開展了如何增強混合結構核心筒剪力墻延性的研究, 如采用鋼板混凝土組合剪力墻、帶鋼斜撐混凝土組合剪力墻、內(nèi)藏鋼桁29架混凝土組合剪力墻等多形式的研究工作; 結合實際工程, 如CCTV 大樓、北京國貿(mào)三期等, 開展了大量高含鋼率、截面形式復雜的組合構件的試驗研究等。在高層建筑研究過程

11、中, 進行了數(shù)百棟實際工程的模型振動臺試驗研究工作。通過整體模型振動臺試驗, 研究結構抗震性能, 對結構相對薄弱部位有針對性的采取加強措施; 除振動臺試驗外, 許多工程進行了大比例構件、節(jié)點試驗研究, 以檢驗結構設計的安全性, 并為設計提供參考。如上海環(huán)球金融中心、廣州西塔等均進行了大量的試驗研究工作?？癸L研究工作主要針對復雜體型及復雜風環(huán)境開展工作。結合具體的高層建筑工程, 開展了大量的風洞試驗, 為進行高層建筑結構的設計提供了更為可靠的依據(jù)。隨著人們對居住環(huán)境的重視, 風工程研究工作會越來越引起設計人員的關注。除試驗研究外, 高層建筑結構的計算分析手段有了很大提高。規(guī)范要求, 體型復雜、結

12、構布置復雜的高層建筑進行多遇地震作用下的內(nèi)力與變形分析時, 應采用至少兩個不同力學模型的軟件進行整體計算。目前, 國內(nèi)商業(yè)化的高層建筑分析計算程序主要有SATWE,PMSAP 等, 國際通用程序ETABS,SAP2000,MIDAS 等在復雜工程計算中已得到較廣泛的應用。近幾年高層建筑結構設計領域的彈塑性分析計算工作取得了一定的進展。許多體型特殊的結構, 除進行彈性計算分析外, 補充進行了彈塑性分析計算, 以找出結構的薄弱部位并采取構造措施進行加強。彈塑性分析計算程序主要有兩大類:一類是土建領域常用的國際通用分析程序如ETABS,SAP2000,ANSYS 等以及國內(nèi)自主開發(fā)的彈塑性分析程序如

13、EPDA 等; 除此以外, 原用于航空航天、汽車等領域的大型非線性分析程序ABAQUS,LSDYNA 等已開始在高層建筑實際工程中得到應用, 非線性動力方程的顯式求解方法也在結構分析中得到應用, 為彈塑性分析計算工作開辟了新的局面。但是鑒于我國高層建筑結構體型復雜, 且多以混合結構或鋼筋混凝土結構為主, 彈塑性分析工作還有許多值得深入研究探討的問題, 如合理模擬結構阻尼、合理確定材料本構關系、開發(fā)高精度單元、改善非線性分析算法等。另外, 針對復雜及超限結構, 除進行整體計算分析外, 還作一些補充計算, 如對關鍵部位、關鍵構件進行中震或大震結構構件內(nèi)力驗算等, 是基于性能的抗震設計思想的具體體現(xiàn)

14、。超高層建筑等復雜結構, 其結構構件的受力情況與施工過程是密切相關的。施工過程的模擬也是一個非線性問題, 在模擬過程中結構是不斷變化的, 以往采用的結構一次成型、荷載分步施加的分析方法對于復雜結構已經(jīng)不能適用, 需要進行更精確的分析。目前國內(nèi)許多超高層建筑和復雜工程都進行了施工過程模擬分析, 并綜合考慮混凝土的收縮、徐變, 利用施工模擬的結果作為重力荷載產(chǎn)生的內(nèi)力進行抗震分析, 得到了更安全、準確的結果。如CCTV 主樓、陜西法門寺合十舍利塔等, 由于體型特殊, 進行了施工過程模擬計算分析。除抗震計算分析外, 風工程數(shù)值分析計算的CFD 技術(如Fluent 軟件 近年來在實際工程的風環(huán)境分析

15、中也得到了具體應用。2.2 標準規(guī)范編制我國是一個多地震的國家, 高層建筑集中的沿海地區(qū), 基本風壓也較大, 因此高層建筑大多要考慮抗震、抗風問題。我國專門針對高層建筑結構設計的規(guī)程主要有高層建筑混凝土結構技術規(guī)程 (JGJ3!2002、高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程 (JGJ99!98,前者適用于混凝土結構以(組合 結構的高層建筑, 后者專門針對鋼結構高層建筑。與高層建筑設計密切相關的其他規(guī)范還有建筑抗震設計規(guī)范 (GB50011!2001、混凝土結構設計規(guī)范 (GB50010!2002、建筑荷載設計規(guī)范 (GB50009!2001、建筑地基基礎設計規(guī)范 (GB50007!2002等。前文提到,

16、 我國高層建筑的較大發(fā)展始于上世紀80年代, 此前我國高層建筑設計建造數(shù)量較少, 為指導我國建筑結構設計, 由中國建筑科學研究院編制了鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)定 (JZ102!79,1979年7月由國家相關部門頒布實施, 規(guī)定適用于8層以上高層民用建筑鋼筋混凝土框架結構、框架剪力墻結構和現(xiàn)澆剪力墻結構, 并嚴格規(guī)定了高度適用范圍:非抗震地區(qū)或設防烈度7度時不超過130m, 設防烈度為8度時不超過80m, 設防烈度為9度時不超過40m 。隨著高層建筑的發(fā)展, 中國建筑科學研究院會同相關單位對該規(guī)定進行了修訂, 于1991年編制了行業(yè)標準鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程 (JGJ3!

17、91,規(guī)程適用范圍增加了底層大空間剪力墻和筒體結構, 適用高度也提高到180m 。隨著大量復雜高層建筑的出現(xiàn), 根據(jù)建設部要求, 編制組又對該規(guī)程進行了修訂, 并于2002年頒布了高層建筑混凝土結構技術規(guī)程 (JGJ3!2002(以下簡稱高層02規(guī)程 。高層02規(guī)程修訂的主要內(nèi)容有:1適用范圍提高為10層及10層以上或高度超過28m 的混凝土結構高層民用建筑, 提高了最大適用高度, 除A 級高度外, 增加了B 級高度, 對B 級高度高層建筑結構的規(guī)則性、作用效30應計算及構造措施提出了比A 級高度更嚴的規(guī)定;2 增加了鋼混凝土混合結構以及復雜高層建筑結構的有關設計規(guī)定;3 增加了特一級抗震等級

18、的計算和構造措施;4 補充了結構平面和豎向布置的規(guī)則性界限, 強調(diào)概念設計的重要性;5 增加了150m 以上高層民用建筑的舒適度要求;6 增加了板柱剪力墻結構、具有較多短肢剪力墻的剪力墻結構的有關設計規(guī)定。高層規(guī)程目前正在進行進一步修訂, 預計2010年完成?！?.12”汶川地震震害表明, 嚴格按照建筑抗震設計規(guī)范和高層建筑混凝土結構技術規(guī)程進行設計、施工和使用的高層建筑沒有發(fā)生嚴重的倒塌破壞, 說明我國的高層建筑經(jīng)受住了地震的考驗。另外, 為保證建筑結構的設計質(zhì)量, 對于特殊的超過規(guī)范要求的高層建筑(超限高層建筑, 由政府行政主管部門組織專家成立審查委員會進行專項審查, 在審查通過后方可實施

19、。據(jù)不完全統(tǒng)計, 全國已審查了近千棟高度100m 以上的超限高層建筑工程。通過抗震設防專項審查, 可以為相關技術發(fā)展進行充分的論證, 從而促進建筑技術的發(fā)展。進行復雜及超限結構設計時不再局限于“小震不壞、中震可修、大震不倒”, 所采取的論證及加強措施體現(xiàn)了基于性能的抗震設計思想。在超限高層抗震專項審查中, 中震彈性設計、大震動力彈塑性分析、模型振動臺試驗、復雜節(jié)點分析與試驗等新的設計思想和分析、試驗方式得到廣泛應用, 提高了結構的安全度和國內(nèi)設計水平。減振控制技術的研究及應用有較大進展。隔震技術較為成熟, 在工程中有一定應用, 主要用于高烈度區(qū)的多層、小高層建筑, 如北京通惠家園某地鐵樞紐建筑

20、、太原某19層高層建筑、成都凱德風尚20層剪力墻住宅項目等。目前, 多項采用隔震技術的房屋建筑正在設計建造之中。消能減振技術近年在新建高層建筑工程中開始得到應用, 如北京銀泰中心主塔樓、上海世茂國際廣場、深圳大梅沙酒店等采用了粘滯流體阻尼器; 此外, 主動控制技術在我國大陸超高層建筑中首次得到了應用, 上海環(huán)球金融中心在第90層安裝了兩臺各重250t 的質(zhì)量阻尼器, 有效地減小建筑結構在風以及地震作用時的反應。3我國高層建筑結構的展望3.1 在高層結構抗震設計理論和方法方面開展進一步研究高層、超高層建筑的連續(xù)倒塌往往會引起慘重的人員傷亡及財產(chǎn)損失。近年來國際上關于防止結構連續(xù)倒塌問題引起了人們

21、的關注。尤其是2001年9月11日美國世貿(mào)中心大樓由于飛機撞擊發(fā)生災難性的連續(xù)倒塌, 引起工程界的廣泛關注, 不少專家對防止結構連續(xù)倒塌問題進行了研究。目前我國關于高層建筑結構的倒塌過程的理論和試驗研究才剛剛起步, 還沒有防止結構連續(xù)倒塌的有關設計文件和標準, 需要進一步開展相關研究工作。另外, 現(xiàn)行規(guī)范的“安全性”目標不能滿足重要大型高層建筑工程的需要?，F(xiàn)行規(guī)范最基本、最主要的目標就是防止建筑物在地震中倒塌, 確保人的生命不受損失。然而, 近年來, 隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展, 人們對建筑抗震的要求除了基本的生命安全外, 還對地震期間建筑的使用功能提出了更高的要求。汶川地震中, 按現(xiàn)行抗震規(guī)范設

22、計和建造的高層建筑, 在地震中雖沒有倒塌、保障了生命安全, 但是其填充墻等非結構構件破壞、建筑內(nèi)部物品和設備的破壞造成了較大程度的直接和間接的經(jīng)濟損失。鑒于此, 需要加強研究基于性能的抗震設計方法。此方法目前在超限及復雜工程設計中得到了較多的應用, 但在一般工程中還未得到廣泛的應用, 需要針對下列問題開展進一步的研究:地震作用的進一步研究、結構分析模型和參數(shù)的選用、對非結構和設施的抗震性能要求和震后災害估計的研究等。此外, 隨著我國超高層建筑高度的增加, 結構自振周期增大, 不少超高層建筑的自振周期已超過6s, 有的甚至達10s 以上, 而我國“抗震規(guī)范”地震影響系數(shù)曲線只有6s 以內(nèi)的相關參數(shù), 長周期結構的地震反應應如何考慮, 需要進一步研究。3.2 加強對高層結構隔震減振控制技術的研究減振控制技術是抗震、抗風設計的一條重要途徑, 近年來在日本、美國等發(fā)達國家得到了較為廣泛的應用, 近兩年我國在新建工程中開始應用。但我們的研究工作與世界先進水平尚有較大差距, 需要深入開展相關研究工作。隔震技術在高層建筑中開始有一定應用, 但尚有一些技術問題, 如隔