提高鋼筋混凝土高層建筑抗震性能的分體柱技術(shù)課件

建筑、環(huán)境與土木工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)

北京，2004年12月25-27日高層建筑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論1內(nèi)容一、高層建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與發(fā)展二、高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論四、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論五、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論六、高層建筑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論的研究方向與課題2一、高層建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)代高層建筑起源于美國(guó)，已有110多年的發(fā)展歷史。最具代表性的建筑是1931年建成的紐約帝國(guó)大廈（高381m，102層）、1972年建成的紐約世界貿(mào)易中心姊妹樓（417m和415m，110層，2001年9月11日受恐怖襲擊而倒塌）和1974年建成的芝加哥西爾斯大廈（442m，110層）。隨著世界經(jīng)濟(jì)和建筑技術(shù)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)高層建筑的高度在不斷的增加，許多國(guó)家為了表明國(guó)家實(shí)力試圖建造世界上最高的建筑。3一、高層建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展以下列舉了世界高度前10位的高層建筑排序建筑名稱城市國(guó)家建成年高度層數(shù)結(jié)構(gòu)材料1101大樓臺(tái)北中國(guó)2003508101鋼-混凝土2PetronasTwinTowers吉隆坡馬來西亞199845288鋼-混凝土3SearsTower芝加哥美國(guó)1974442110鋼4金茂大廈上海中國(guó)199942188鋼-混凝土5中信廣場(chǎng)廣州中國(guó)199639180混凝土6地王大廈深圳中國(guó)199638469鋼-混凝土7EmpireStateBuilding紐約美國(guó)1931381102鋼8中環(huán)廣場(chǎng)香港中國(guó)199237478混凝土9中銀大廈香港中國(guó)198936970鋼-混凝土10EmiratesTowerOne迪拜阿聯(lián)酋199935555鋼-混凝土4一、高層建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展以下列舉了世界高度前10位的高層建筑EmpireStateBuildingPetronasTwinTowerSearsTower5一、高層建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展以下列舉了世界高度前10位的高層建筑101大樓金茂大廈中信廣場(chǎng)6一、高層建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展世界高層建筑的建造重心正由北美洲向亞洲轉(zhuǎn)移，中國(guó)已經(jīng)處于高層建筑迅速發(fā)展時(shí)期，在世界高度前十位的高層建筑中占了6座（其中大陸3座、香港2座、臺(tái)灣1座）。我國(guó)高層建筑在建造總量、高度、層數(shù)和體量等方面不斷有新的突破。正在建設(shè)的上海環(huán)球金融中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度為492m，將是世界第一。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)在今后10-15年內(nèi)，我國(guó)還會(huì)逐步建造超過500m、600m、800m、甚至1000m的高層建筑，繼續(xù)站住國(guó)際領(lǐng)先地位。環(huán)球金融中心7一、高層建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展建造如此高度的高層建筑，我們將面臨著哪些問題需要解決，也就是說高層建筑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論所需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題有哪些？是否應(yīng)包括：（1）高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系（2）高層建筑結(jié)構(gòu)的性態(tài)設(shè)計(jì)理論（3）高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論（4）高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論（5）高層建筑結(jié)構(gòu)的智能控制應(yīng)用技術(shù)（6）高層建筑結(jié)構(gòu)的防爆與抗爆設(shè)計(jì)理論8二、高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系我國(guó)高層建筑的結(jié)構(gòu)材料一直以鋼筋混凝土為主；特別是高層住宅，即使高度在100m以上的超高層住宅，也都采用混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的比重逐步擴(kuò)大，主要用在超高層公共建筑中，以發(fā)揮鋼和鋼筋混凝土的各自優(yōu)勢(shì)，從而改善結(jié)構(gòu)性能。在國(guó)外特別是地震區(qū)，高層建筑結(jié)構(gòu)是以鋼結(jié)構(gòu)為主，而我國(guó)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占絕大部分。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)，還沒有經(jīng)受大地震作用的考驗(yàn)。9二、高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系高層建筑結(jié)構(gòu)的基本類型有框架、框架-剪力墻、剪力墻、框支剪力墻、框架-筒體和筒中筒等結(jié)構(gòu)。目前超高層建筑大多采用三種結(jié)構(gòu)體系，即框架-筒體、筒中筒和框架-支撐，這些也是世界其它國(guó)家的超高層建筑所采用的主要結(jié)構(gòu)體系?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)是我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的一種結(jié)構(gòu)體系，且大多采用鋼框架-混凝土核心筒的混合結(jié)構(gòu)形式。國(guó)外很少采用這種混合結(jié)構(gòu)，在抗震結(jié)構(gòu)中更少見；國(guó)內(nèi)工程界對(duì)這種體系的看法也存在一些爭(zhēng)議。采用這種混合結(jié)構(gòu)體系的主要原因是比鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量少，又可減小柱子斷面，常常為業(yè)主所看中。10二、高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系框架-核心筒結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)筒往往要承受80%以上的地震剪力，有的高達(dá)90％以上。由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主，變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限位為基準(zhǔn)；然而由于內(nèi)筒的高寬比很大(約為10-12)，其彎曲變形的側(cè)移較大，靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移，不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，而且效果不大，有時(shí)不得不加大混凝土內(nèi)筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)、形成加強(qiáng)層才能滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的限值。為了安全起見，要求框架承擔(dān)剪力不小于底部剪力的25％，這也會(huì)使鋼材的用量加大；混凝土核心筒的軸壓隨高度增大而增大，為保證其延性，必須加大筒壁的厚度和配筋，因而用鋼量也會(huì)相對(duì)上升。11二、高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系框架-核心筒結(jié)構(gòu)，由于鋼筋混凝土內(nèi)筒與鋼框架的豎向變形性能不同，由徐變、溫度等因素會(huì)引起結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力；在構(gòu)造上，有一些結(jié)構(gòu)為了增加結(jié)構(gòu)剛度而將樓板鋼梁與混凝土內(nèi)筒做成剛接，這不僅增加施工困難，而且鋼與混凝土的連接節(jié)點(diǎn)可靠性較差。采用混凝上核心筒，可以節(jié)省一些鋼材，但是究竟能節(jié)省多少，還要做進(jìn)一步分析。而我國(guó)當(dāng)前的國(guó)情，已經(jīng)不是結(jié)構(gòu)材料越省越好的年代。對(duì)混合結(jié)構(gòu)的抗震性能以及為改善其性能需要采取的措施要有充分認(rèn)識(shí)。內(nèi)筒最好采用鋼骨混凝土剪力墻，以便使鋼梁與鋼骨有可靠的連接。12二、高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系框架-核心筒結(jié)構(gòu)，為減小側(cè)移，通常需要設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu)，形成加強(qiáng)層；在結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí)，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變，常常會(huì)使與加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大，加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。因此，在需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層時(shí)，要慎重選擇加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式，盡量減小其本身剛度，減小其不利影響。斜撐桁架或簡(jiǎn)單的斜撐桿優(yōu)于實(shí)腹梁，在抗震結(jié)構(gòu)中采用厚板作轉(zhuǎn)換層對(duì)抗震是十分不利的。13二、高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系筒中筒體系主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這在國(guó)外地震區(qū)是很少見到的。密柱深梁的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)梁鉸屈服機(jī)制有一定困難。當(dāng)采用鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分注意框筒是否能真正實(shí)現(xiàn)梁鉸機(jī)制，是否能確?？蛲驳难有砸?。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)體系及材料的優(yōu)選。14二、高層建筑結(jié)構(gòu)的材料與體系現(xiàn)在我國(guó)鋼材產(chǎn)量較大，建筑鋼材的類型及品種逐步增多，鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力逐步增強(qiáng)，因此在有條件的地方，應(yīng)盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土(柱)結(jié)構(gòu)、甚至全鋼結(jié)構(gòu)，以減小框架柱的斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。在超過一定高度后，由于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較小而且較柔，為減小風(fēng)振而需要采用混凝土材料，鋼骨(鋼管)混凝土．通常做為首選。日本阪神地震震害說明，在鋼骨混凝土構(gòu)件中，采用格構(gòu)式的型鋼時(shí)，震害嚴(yán)重，采用實(shí)腹式的大型型鋼或焊接工字鋼時(shí)，則震害輕微。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，若用鋼骨混凝土構(gòu)件，建議采用實(shí)腹式的大型型鋼或焊接工字鋼。15三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.1基于性態(tài)的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)近十年來，特別是1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本阪神地震以后，暴露出現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)思想-基于力或位移的設(shè)計(jì)方法的嚴(yán)重不足。為了克服這些不足，基于性態(tài)的（performance-based）抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)被國(guó)際上廣泛研究，并且被認(rèn)為是未來抗震設(shè)計(jì)的主要指導(dǎo)思想。以往提到的基于力的抗震設(shè)計(jì)或者基于位移的抗震設(shè)計(jì)，由于力和位移都是很明確的物理概念，可以被很容易地理解。但是基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)，由于性態(tài)是一個(gè)宏觀概念，不像力或位移那樣可以直接作為設(shè)計(jì)參數(shù)，但還是可以直接應(yīng)用到設(shè)計(jì)中去。16三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.1基于性態(tài)的高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)事實(shí)上，這里提到的結(jié)構(gòu)性態(tài)往往可以與結(jié)構(gòu)的破壞程度相關(guān)，而結(jié)構(gòu)的破壞程度又可以由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)參數(shù)來表示(如應(yīng)力、力、位移、能量以及具有明確定義的破壞指標(biāo))。所以基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)是比基于力或者基于位移的抗震設(shè)計(jì)更為廣泛的一種設(shè)計(jì)理念，更為直接地滿足個(gè)人或者社會(huì)對(duì)建筑物的要求，即要求建筑物安全可靠、滿足使用需要，而不是普通使用者能提出的建筑物可以抵抗多強(qiáng)的地震力，或者是變形控制在什么程度。17三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.2高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的短柱問題及其抗震性能在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)中，為了保持結(jié)構(gòu)的整體延性需要控制框架柱的軸壓比，這會(huì)導(dǎo)致框架柱的斷面很大，且柱的縱向鋼筋只能構(gòu)造配筋，即使采用高強(qiáng)混凝土，柱斷面尺寸也不能明顯減小。柱的軸壓比問題實(shí)際是柱的塑性變形能力問題，構(gòu)件的變形能力會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)的延性。若柱處于小偏壓受力狀態(tài)，由于是混凝土壓碎喪失承載能力，柱塑性變形能力很小。鋼筋混凝土剪力墻同樣存在塑性變形能力問題。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在著短柱（剪跨比M/VH小于2）甚至超短柱（剪跨比小于1.5）的現(xiàn)象。18三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.2高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的短柱問題及其抗震性能地震時(shí)，短柱剛度大、變形能力差，會(huì)發(fā)生突然脆性破壞，而導(dǎo)致整座高層建筑發(fā)生倒塌；如何提高高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)中短柱的抗震性能，以提高高層建筑的抗震安全性，是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。目前解決鋼筋混凝土短柱問題的途徑有：（1）箍筋采用復(fù)合螺旋箍筋（2）沿柱高X型配置鋼筋（3）采用鋼管混凝土或者型鋼混凝土組合（4）采用將柱子直接批分成幾個(gè)小柱的分體柱技術(shù)（5）等等19三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.3高層建筑結(jié)構(gòu)-樁-土動(dòng)力相互作用

對(duì)于軟土地基上的高層建筑結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)是經(jīng)常采用的一種基礎(chǔ)形式，土、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)三者之間存在動(dòng)力相互作用，使得樁基和土的的動(dòng)力特性成為結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析所必須考慮的因素之一。高層建筑結(jié)構(gòu)-樁-土動(dòng)力相互作用是一個(gè)很復(fù)雜的問題，多年來一直是高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題之一。近幾十年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)-樁-土動(dòng)力相互作用問題進(jìn)行了大量的理論研究和試驗(yàn)研究工作。20三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.3高層建筑結(jié)構(gòu)-樁-土動(dòng)力相互作用

理論研究又可分為解析法、數(shù)值法及耦合法。受計(jì)算機(jī)技術(shù)條件的限制，解析法在20世紀(jì)70年代得到了較大的發(fā)展，但是，解析法只能用于上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)以及地形地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單的情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值模擬方法被越來越多地用于相互作用的研究。有限元法是應(yīng)用最廣、最有效的數(shù)值方法，可以處理各種復(fù)雜的情況，并且由于其通用性強(qiáng)、有大量的商業(yè)程序，易于為用戶掌握，因而可以用于許多復(fù)雜的土與結(jié)構(gòu)相互作用問題的研究。21三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.3高層建筑結(jié)構(gòu)-樁-土動(dòng)力相互作用

近年來，同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)和天津大學(xué)等都已進(jìn)行了土-結(jié)相互作用的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，獲得了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了有限元分析與試驗(yàn)的對(duì)照分析。主要研究成果有：（1）土層中無限遠(yuǎn)邊界的模擬；（2）高層建筑結(jié)構(gòu)-地基相互作用體系的三階段振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)；（3）高層建筑結(jié)構(gòu)－地基相互作用體系振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)模擬分析；（4）考慮高層建筑結(jié)構(gòu)－地基相互作用的輸入地震動(dòng)研究；（5）相互作用體系動(dòng)力特性參數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法；（6）實(shí)際工程問題的計(jì)算機(jī)模擬；（7）考慮液化影響的計(jì)算分析研究；（8）地基－基礎(chǔ)－支護(hù)結(jié)構(gòu)－高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用體系計(jì)算分析

22三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.4高層建筑結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大量的理論和震害分析表明，高層建筑結(jié)構(gòu)的破壞往往是由于空間扭轉(zhuǎn)振動(dòng)所引起的，而且震害較為嚴(yán)重，特別是復(fù)雜體型的高層建筑。地震時(shí)使高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生空間扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的原因主要有兩個(gè)方面：（1）高層建筑結(jié)構(gòu)本身。嚴(yán)格說來，一般的高層建筑結(jié)構(gòu)均為非對(duì)稱的(質(zhì)量非對(duì)稱或剛度非對(duì)稱),地震時(shí),作用在質(zhì)量中心的慣性力將對(duì)剛度中心產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生平移扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的空間振動(dòng)。（2）外來干擾。地震波通過地面時(shí)的運(yùn)動(dòng)是極其復(fù)雜的，各點(diǎn)的周期和相位是不同的。由于地面質(zhì)點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)的差別，地震時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)不僅存在平動(dòng)分量，而且也存在轉(zhuǎn)動(dòng)分量。這種轉(zhuǎn)動(dòng)分量迫使高層建筑（即使是對(duì)稱結(jié)構(gòu)）產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的空間振動(dòng)。23三、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論3.4高層建筑結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)盡管結(jié)構(gòu)抗震理論與實(shí)踐已有近百年的歷史，但在一般的高層建筑抗震分析中，通常是將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成平面模型，分別在其兩個(gè)主軸方向進(jìn)行計(jì)算。嚴(yán)格上將，這與實(shí)際情況是不相符的。世界各國(guó)某些抗震規(guī)范有的是在計(jì)算公式中僅用某個(gè)系數(shù)來考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（如美國(guó)、日本等），有的是用兩個(gè)地震動(dòng)分量成比例的地震作用效應(yīng)用平方和開平方的方法來考慮雙向地震作用（如中國(guó)規(guī)范），均沒有給出合理的考慮多分量地震動(dòng)作用的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的反應(yīng)譜方法。目前這些方法缺乏足夠的理論根據(jù)，這也是一直是困擾著結(jié)構(gòu)抗震界的懸而未決問題。

24四、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論經(jīng)過數(shù)十年的努力，對(duì)高層建筑外加風(fēng)荷載的研究已經(jīng)取得了比較豐富的成果。尤其是在順風(fēng)向風(fēng)荷載和響應(yīng)研究方面，Davenport建立的風(fēng)荷載模型及后續(xù)的研究成果具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和足夠的工程實(shí)用精度，被各國(guó)規(guī)范所采用，解決了大量的工程問題，推動(dòng)了工程抗風(fēng)理論與技術(shù)的進(jìn)步。盡管如此，由于現(xiàn)代建筑風(fēng)工程研究?jī)H有40多年歷史，加之這一研究涉及多門學(xué)科的交叉，理論和應(yīng)用問題都非常復(fù)雜，高層建筑抗風(fēng)研究中還存在很多沒有很好解決的基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用技術(shù)問題，很多主要成果尚沒有在規(guī)范中體現(xiàn)。目前，除了需要解決這些尚未解決的基礎(chǔ)性問題以外，還要面臨很多新的挑戰(zhàn)性問題。隨著結(jié)構(gòu)的高度更高、跨度更大、更輕、更柔，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)風(fēng)荷載和動(dòng)力響應(yīng)出現(xiàn)了很多新的理論問題，實(shí)際工程應(yīng)用也面臨更大的困難。25四、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論目前，面臨的主要問題有：（1）單體高層建筑的橫風(fēng)向荷載和響應(yīng)的研究尚存在很多有待深入之處；（2）復(fù)雜高層建筑扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載和響應(yīng)的研究還很少；（3）順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)三維等效靜力風(fēng)荷載的計(jì)算方法還在初步階段；（4）復(fù)雜群體建筑的風(fēng)荷載和響應(yīng)研究有待深入，現(xiàn)有結(jié)果的表達(dá)難以適應(yīng)規(guī)范的應(yīng)用；（5）建筑風(fēng)環(huán)境研究尚沒有引起足夠的重視；（6）CFD(ComputationalFluidDynamics

)方法在計(jì)算三維高層建筑的風(fēng)荷載和氣動(dòng)彈性響應(yīng)方面還難以取得重要突破。這些研究如能取得新的進(jìn)展，高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)將更科學(xué)、更合理。26五、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論世界上的第一座高層鋼結(jié)構(gòu)建筑HomeInsurance大樓1885年誕生在美國(guó)芝加哥。剛剛過去的二十世紀(jì)見證了高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的蓬勃發(fā)展。在我國(guó)，從20世紀(jì)80年代中期開始，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在上海、北京、深圳、廣州、大連、廈門、沈陽、天津等地相繼出現(xiàn)。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的分析理論與設(shè)計(jì)理論是這一研究領(lǐng)域的兩大關(guān)鍵問題。高度的不斷突破依賴于高層建筑的結(jié)構(gòu)理論的不斷發(fā)展。高層鋼結(jié)構(gòu)分析理論和設(shè)計(jì)理論現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展成比較完備的體系，為工程實(shí)踐提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。27五、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論早在20世紀(jì)50年代末60年代初，美國(guó)學(xué)者分別提出雙分量梁模型和單分量梁模型用于鋼框架結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，這兩種模型均為集中塑性鉸模型；以后國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)一步提出精煉塑性鉸模型、分布塑性模型等，可考慮構(gòu)件桿端塑性分布對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性性能的影響。在結(jié)構(gòu)三維彈塑性分析方面，日本較早提出采用桿端彈簧模型，而國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)于20世紀(jì)90年代提出的基于塑性流動(dòng)法則的三維彈塑性梁?jiǎn)卧Ｐ?，具有?jì)算更簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。20世紀(jì)70年代開始，美國(guó)學(xué)者對(duì)半剛性連接鋼框架的分析理論進(jìn)行了深入研究，而歐洲學(xué)者等對(duì)半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)及半剛性連接組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了半剛性連接鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。28五、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論從1923年日本關(guān)東大地震開始，鋼結(jié)構(gòu)卓越的抗震性能在歷次大地震中顯露無遺，因而高層鋼結(jié)構(gòu)體系在地震區(qū)有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。然而，1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本阪神地震后發(fā)現(xiàn)的大量鋼結(jié)構(gòu)震害現(xiàn)象打破了“鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)震壞”的神話。高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接的傳統(tǒng)形式存在著嚴(yán)重的斷裂隱患，為此美、日分別提出了加強(qiáng)連接強(qiáng)度、削弱桿端截面或改進(jìn)連接構(gòu)造等措施，以防止斷裂現(xiàn)象，提高梁柱連接的抗震性能。29五、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論三個(gè)新的研究熱點(diǎn)：（1）性態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求根據(jù)事先選擇的性態(tài)目標(biāo)而確定，性態(tài)目標(biāo)越高，結(jié)構(gòu)抗震性能的要求就越高，結(jié)構(gòu)的造價(jià)也越高；（2）損傷累積和斷裂機(jī)理鋼結(jié)構(gòu)在三向應(yīng)力約束和應(yīng)力集中情況下容易發(fā)生斷裂，應(yīng)當(dāng)考慮所有可能的前期階段的損傷對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的影響，這樣才能準(zhǔn)確的估計(jì)發(fā)生斷裂的可能性，也才能對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)全生命周期的工作性能作出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)；（3）抗震措施如結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)措施、節(jié)點(diǎn)附近梁截面削弱措施(狗骨式節(jié)點(diǎn))、低屈服鋼耗能減震裝置、防屈曲支撐、鋼板耗能墻等。30六、高層建筑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論的研究方向與課題6.1研制高層建筑結(jié)構(gòu)的新材料與新體系

研制新型結(jié)構(gòu)材料現(xiàn)有主要結(jié)構(gòu)材料有：鋼筋混凝土、鋼、鋼-混凝土組合；其中鋼是超高層建筑結(jié)構(gòu)的首選材料能否開發(fā)出新型高強(qiáng)或高性能的結(jié)構(gòu)材料？研制新型結(jié)構(gòu)體系現(xiàn)有主要結(jié)構(gòu)體系有：框架-筒體，筒中筒，框架-支撐等；能否開發(fā)出新型的、更為安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系？31六、高層建筑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論的研究方向與課題6.2完善和發(fā)展高層建筑鋼結(jié)構(gòu)及性態(tài)設(shè)計(jì)理論研制高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的半剛性連接節(jié)點(diǎn)，如采用高強(qiáng)螺栓連接，實(shí)際上也是結(jié)構(gòu)體系的一個(gè)重要發(fā)展。完善和發(fā)展高層鋼結(jié)構(gòu)全周期分析理論?？紤]損傷累積的高層鋼結(jié)構(gòu)全周期分析理論涉及許多基本理論問題需要解決，與結(jié)構(gòu)耐久性的研究相互補(bǔ)充。完善和發(fā)展高層建筑結(jié)構(gòu)的性態(tài)設(shè)計(jì)理論。雖然性態(tài)設(shè)計(jì)的概念已經(jīng)建立，相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也已經(jīng)制定，但相關(guān)的研究基礎(chǔ)還很不夠。建立高層建筑結(jié)構(gòu)的非線性分析和設(shè)計(jì)理論。一方面，對(duì)于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，目前尚沒有成熟可靠的實(shí)用非線性分析和設(shè)計(jì)理論；另一方面，性態(tài)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展尚有賴于實(shí)用非線性分析理論的發(fā)展。32六、高層建筑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論的研究方向與課題6.3完善和發(fā)展高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論繼續(xù)研制提高高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)短柱抗震性能的新型實(shí)用技術(shù)，確保工程設(shè)計(jì)的抗震安全性；完善和發(fā)展高層建筑結(jié)構(gòu)-樁-土動(dòng)力相互作用理論，建立新的分析方法和手段進(jìn)行第三階段試驗(yàn)的計(jì)算分析，與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并與前兩階段所采用的