随着改革开放40年国内经济快速发展以及城镇化进程的加速,我国高层建筑和超高层建筑呈现出雨后春笋般的发展,我国已成为全球超高层建筑发展的中心,在该领域总体上已达到国际先进水平。首先以时间为维度,概括回顾了我国高层建筑从20世纪二三十年代起源,七八十年代局部发展,到改革开放之后飞跃发展的历程。其次重点介绍21世纪以来近20年我国超高层建筑结构的新发展:不断攀升的建筑高度和综合建筑功能衍生出的结构效率、延性和可建性更佳的结构体系,所采用的抗风设计手段和各种减振措施,基于性能的抗震设计方法和消能减震技术的广泛应用。精确的计算分析手段和方法验证了超高层建筑结构设计的可行性,部分影响结构经济性的整体结构控制指标需要进一步探讨。大量的试验研究和专项技术研究为结构设计的创新提供了依据,同时也提升了其关键技术。最后,基于目前超高层建筑发展现状、存在的问题和面临的挑战,对今后超高层建筑结构的发展,包括若干重点技术的研发和突破等方面进行展望,也期待我国早日从超高层建筑的大国成为超高层建筑的强国。
0 概述
图1 2020年全球最高20栋超高层建筑(CTBUH提供)
1 高层建筑发展进程的回顾
1990年国家宣布上海浦东开发,使浦东陆家嘴成为高层建筑建设的热土。东方明珠广播电视塔的建设是浦东新区第一个标志性项目。这个完全由中国工程技术人员设计建造的工程采用“大珠小珠落玉盘”的建筑形态和空间巨型框架结构体系,以及先进的施工方法,成为世界塔桅建筑中的一颗明珠。随后大量金融办公建筑同时开始建设,这些项目体量大、设计标准高、空间变化复杂、结构体系多样,吸引了大量国际知名设计事务所参与其设计。在短短的10年左右时间,建筑高度跨越了400,500m两个台阶。我国工程技术人员在参与建设的过程中其设计水平得到了很大提高。浦东陆家嘴CBD代表性建筑有金茂大厦、交银金融大厦、环球金融中心、森茂大厦、信息枢纽大厦等(图2);结构体系中包含了加强层、巨型空间支撑框架、弱联系双塔楼、悬挂结构及部分预制装配结构,体现当时国际水平的先进结构体系和技术得到比较广泛的应用。
进入21世纪以来,改革开放的进一步深入和国力的增强使我国高层建筑的发展进入了一个新的阶段。地域分布进一步拓展,除一线城市及环渤海、长三角、珠三角地区之外,在很多二、三线城市也开始大量建造高层与超高层建筑,数量比较集中的有武汉、合肥、重庆、成都、西安、沈阳等城市。建筑高度进一步增加,建成了一批600m级的超高层建筑。结构体系多样化,当今世界上所有的超高层建筑结构形式,在我国均有建造。混合结构因其比较符合我国国情,继续成为应用最广泛的结构形式。钢结构也得到大力推广,尤其是在高层住宅建筑方面势头良好,出现了一些有中国特色的钢结构体系。性能化设计逐步应用于设计,消能减震技术和振动控制技术也在很多重要工程中得到应用。近20年的发展反映了我国在高层结构领域总体上已达到国际先进水平。近几年我国连续有一些项目(CCTV新台址、深圳平安金融大厦、上海中心大厦等)被CTBUH评为世界最佳高层建筑雄辩地说明了这一点。
我国已经形成了比较完善的高层建筑结构设计、施工的规范和标准体系,对保证工程质量起了巨大的作用。
2 超高层建筑的新进展
近20年来中国超高层建筑和结构的发展主要呈现出以下趋势[1-2]:
(1)建筑高度不断被突破,在上海、深圳、天津、武汉立项了4栋600m级的超高层建筑,目前均已建成或基本建成(其中个别项目因非结构原因建筑高度有调整)。拟建的苏州中南中心建筑高度达到729m。
(2)建筑的功能呈现出多样化和综合化发展,通常以办公、住宅、公寓及酒店为主要使用功能。
(3)结构抗侧力体系以框架-核心筒为主并呈现出多样性,如连体结构、斜交网格筒、桁架筒以及钢板剪力墙等更高效的结构体系逐渐增多。
(4)基于性能的抗震设计方法逐步普及,消能减震(振)技术在超高层建筑结构抗震或抗风设计中应用日益广泛,结构材料更加注重高强和延性。
(5)由本土结构工程师自主设计的超高层建筑的数量和高度在不断增加,原创最高建筑高度已突破500m;本土工程师和国外事务所发挥各自优势,共同推动我国超高层建筑结构技术的发展。
(6)开发商对超高层建筑结构的安全、结构造价和可持续性发展日益关注,并引入了结构设计第三方同业审核制度。
2.1 超高层建筑结构体系
超高层建筑结构抗侧力体系是决定超高层建筑结构是否合理和经济的关键。此外,随着建筑高度的不断增加,建筑功能越来越复杂,对结构抗侧力体系的效率要求也越来越高,对结构体系的创新也越来越迫切。超高层建筑结构抗侧力体系的发展除了从传统的框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒、框筒结构逐步向框架-核心筒-伸臂、巨型框架、桁架支撑筒、筒中筒、束筒等结构体系转变外,还衍生出交叉网格筒、米歇尔(Michell)桁架筒以及钢板剪力墙等新型结构体系,并进化出了多种体系杂交混合使用[3]。结构材料也从纯混凝土结构、钢结构向钢-混凝土混合结构转变。
2.1.1混合结构和组合构件迅速发展成为主流
500m级超高层建筑结构体系一览 表1
工程名称 |
建筑高度/m |
结构体系 |
巨柱形式 |
苏州中南中心* |
729 |
1 |
SRC |
武汉绿地中心* |
636 |
1 |
SRC |
上海中心大厦 |
632 |
1 |
SRC |
深圳平安大厦 |
599 |
2 |
SRC |
天津高银117大厦 |
597 |
2 |
CFT |
合肥宝能CBD-T1* |
588 |
1 |
SRC |
沈阳宝能城* |
568 |
2 |
CFT |
广州东塔 |
530 |
1 |
CFT |
北京中信大厦 |
528 |
2 |
CFT |
大连绿地中心* |
518 |
1 |
SRC |
合肥恒大中心* |
518 |
1 |
SRC |
南京江北绿地中心 |
500 |
1 |
SRC |
注:1)*表示在建的超高层建筑高度或有调整;2)结构体系1表示组合巨型框架+RC核心筒;结构体系2表示组合桁架支撑筒+RC核心筒;3)SRC 柱为钢骨混凝土柱,CFT 柱为钢管混凝土柱。
2.1.2结构体系多样化及结构效率提升
我国超高层建筑大多采用以框架-核心筒结构为主的双重抗侧力体系,也有悬挂结构这样的单重抗侧力体系(图4(a))。以常用的框架-核心筒为例,无论外框架、核心筒还是斜撑、伸臂加强层等均有多种不同的组合和变化,体现出结构设计的多样性。
图4 抗侧力体系的多样性
(1)外框架
外框柱通常采用SRC柱、CFT柱以及CFRT柱(矩形钢管混凝土柱)等截面形式(图5)。其中SRC柱中钢骨大多采用实腹式型钢,含钢率4%~6%,而早期建设的金茂大厦以及上海环球金融中心等巨柱采用分离式型钢。武汉中心圆钢管柱(CFT柱)直径达到3m,对梁柱节点进行了专门研究。广州东塔和沈阳宝能金融城采用矩形钢管混凝土柱(CFRT柱),截面面积达20m2;天津高银117大厦的多腔钢管混凝土柱截面面积达到45m2,对其承载力、柱脚节点构造、抗火性能、焊缝构造等均进行了专项研究。
核心筒的布置除了传统布置在平面正中基本对称外,也有采用端部分离式筒体以及多个角筒组合而成(图6(a)),或者采用核心筒偏心布置的形式(图6(b))[7]。
图6 核心筒结构的变化
核心筒结构除了少量全钢结构采用框架支撑筒外,大多采用钢筋混凝土核心筒。核心筒剪力墙通过双翼墙、斜墙以及减少墙肢数量或墙肢长度、核心筒开洞等方式相应收进,以适应高区核心筒面积不断缩小的需求。为了满足墙肢轴压比、减薄墙厚等要求以及提高抗剪承载力,在超高层建筑低区采用钢板组合剪力墙、钢管剪力墙或型钢混凝土剪力墙等。核心筒结构也有采用钢板剪力墙,如天津津塔[8](图6(c))利用钢板屈曲后强度产生的张力场效应来抵抗水平荷载。为了提高施工速度,外包钢板剪力墙也在珠海十字门等工程中尝试应用。为了减轻塔楼结构自重,核心筒结构也有沿建筑高度采用混合结构体系,如上海环球金融中心(IFC)和广州西塔等工程在中低区核心筒采用钢筋混凝土剪力墙,高区核心筒则采用钢-框架斜撑结构。
(3)斜撑
(4)结构加强层
连体结构不仅给予了建筑师在立面和平面上充分的创造空间,同时也在防火和疏散方面提供了新的思路[11-12],使得超高层建筑塔楼可以同时朝竖向和水平两个方向延伸(图8)。连体结构中的各组成塔楼可以在一定程度上突破传统结构设计中高宽比限制、平面和立面规则性限制等问题,使超高层建筑呈现更多的可变性。连体结构在提高多塔结构抗侧刚度的同时,也带来结构刚度突变、结构扭转效应、施工模拟、风环境以及抗震性能等新的技术问题,需要对具体工程进行有针对性的专门分析与研究。
图8 连体结构
2.2 结构抗风与风振控制
2.2.1风荷载确定
建筑高度大于200m、高宽比较大、建筑体型复杂或地形和环境复杂时宜进行风洞试验或数值风洞模拟确定风荷载(图9)。数值风洞模拟结果受到数值模型本身和数值迭代算法等诸多因素影响,分析结果离散性较大,一般用于建筑方案设计阶段,用来探讨建筑体型变化对结构抗风性能的影响及优化建筑体型。常用的风洞试验方法有测压模型试验、测力天平试验、气弹模型试验和高雷诺数试验等。
测压模型试验通过测压计测得作用于模型上风压力分布,一般用于确定主体结构上的风荷载和围护结构上的风荷载。测力天平试验通过测力仪测得作用于模型底部的整体弯矩,进而估算建筑物的风荷载和响应,不能用于局部结构和围护结构设计。
如高度超过500m的超高层建筑或高宽比大于10的重要结构,宜通过气弹模型试验评估风致动力响应和风荷载。对表面为连续曲面不带尖角的建筑,如上海中心、迪拜哈利法塔等,其绕流状态随雷诺数有较大的变化,需通过高雷诺数试验,验证小比例边界层风洞模型试验的结果是否可以用于实际结构的设计。
风洞试验中的地面粗糙度应结合实际周边地形和建筑物分布来设置。金茂大厦在90年代初设计时考虑了将来陆家嘴区域规划中周边上海IFC等拟建高层建筑的影响,与自身单栋塔楼相比其横风向响应增大33%。
图9风洞试验
2.2.2风荷载动力响应优化
(1)建筑平面外形优化
某超高层建筑在不改变整体建筑形态的前提下,风工程顾问通过风洞试验尝试了不同的塔楼平面角部处理方式,以找出降低横风向涡激幅度的方案。图10所列的角部凹口或切角的宽度达到平面宽度的10%~15%。与原设计方案相比,通过建筑平面角部优化,设计风荷载可降低25%左右。
图10 建筑平面角部优化
(2)建筑立面外形优化
通过沿大楼高度改变塔楼宽度与形状等,造成漩涡脱落特性随高度变化,从而降低横风向涡激的相关性,破坏其共振条件。常用的方法有以下几类(图11):1)建筑宽度沿高度收缩;2)建筑立面扭转;3)建筑外形呈阶梯状退台;4)大体量的建筑物立面开洞。
图11 立面外形优化
日本学者对大量超高层建筑结构阻尼比实测值结果表明[13],高度大于250m的建筑结构的阻尼比在0.5%~1%之间,且随着结构高度的增加阻尼比逐步下降。在结构抗风设计中,由于结构固有阻尼比较难精确估计,因此一般采用较低阻尼比且相对保守地计算结构风荷载以及舒适度。实际工程通常通过加大结构抗侧刚度来满足舒适度要求,但往往结构造价不经济;另一途径就是设置减振装置,如调谐质量阻尼器AMD,TMD,调谐液体阻尼器TLD和黏滞阻尼器或黏弹阻尼器(如VCD等)等。
调谐阻尼器对减小塔楼顶部风致振动有显著效果,已应用于如台北101大楼、上海环球金融中心、上海中心大厦等超高层建筑中(图12)。调谐阻尼器与主体结构质量比在0.5%~2.0%,与主体结构形成谐振即频率比接近1.0时,减振效果最佳。超高层建筑中调谐阻尼器通常仅用于减小风振加速度,提高风荷载下建筑物的舒适度,将阻尼器作为可能增加的安全储备,而不作为减小结构设计风荷载的手段。
半主动的质量阻尼器AMD,可以较小的附加质量并在较小的风速下发挥减振作用。由于AMD需要额外的电源,在极端风荷载下,额外电源的可靠性就必须更为重视。
上海IFC在塔楼394m的高度伸臂桁架加强层(94层)布置了两台阻尼器(图12(a)),总重约270t/台,尺寸(长×宽×高)为910cm×910cm×414cm。设置AMD后,在10年一遇风荷载下,塔楼顶部风致加速度由11.4gal减少到6.2gal[14]。
上海材料研究所和加拿大RWDI风工程顾问合作,将电涡流阻尼技术引入到传统的摆式TMD中,设计了一个电涡流阻尼器(EC-TMD)以减少上部楼层的风致加速度(图12(b))。上海中心大厦的EC-TMD位于塔楼125层,质量块重1000t,广义质量比约0.96%,吊索长度20.6m,频率比约99.3%。设置TMD后,塔楼顶部10年一遇风荷载下的风致加速度从8gal减少到4.3gal。
(3)TLD
利用塔楼顶部的消防水箱作为TLD不会给主体结构带来附加质量,同时节省造价。TLD的水箱质量一般为主体结构的0.5%~3.0%。苏州国金中心(图12(c))TLD水箱位于塔楼93层,内部尺寸(长×宽×高)为19m×16.3m×4.2m,静水深约为1.92m,可以提供约600t的水。风洞试验结果表明,安装TLD后塔楼顶部10年一遇风荷载风致加速度可从17gal减少到12gal。
图12 各类调谐阻尼器
2.3 结构抗震与消能减震
2.3.1 基于性能的抗震设计方法
2010年出版《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)正式提出性能化抗震设计的理念。基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展,使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标转变。超高层建筑设计因其独特的重要性和敏感性,是抗震性能化设计思想和设计应用的最初落脚点,并在抗震性能化设计的具体应用上起到引领性作用。
抗震性能化设计不再只是关注小震水准的设计要求,同时也对其他不同重现期地震作用下的结构行为与性能要求予以足够的重视,特别是更明确地强调建筑结构在大震作用下的结构弹塑性变形发展、预期结构性能与倒塌防止控制等方面,提出了基于静力或动力的弹塑性分析要求。动力弹塑性时程分析作为抗震性能化设计的一项重要内容和手段,关键的几个问题是分析模型建立、地震波的选择、时域积分算法和计算结果的合理评价。
目前我国建筑结构性能化抗震设计没有考虑结构延性对结构承载力以及构造要求的影响。因此也有学者[15]建议调整并明确结构抗震设计三水准性能化目标的具体要求为:计算结构弹性变形,保证“小震不坏”;考虑不同结构延性确定地震作用(承载力要求),验算结构承载力,并根据结构延性要求确定结构构造要求,以保证“中震可修”;验算结构弹塑性变形,保证“大震不倒”。
2.3.2振动台试验
近20年来国内相关科研院所进行了数百栋实际工程的模拟振动台试验研究(图13)。CABR根据28幢不同地震烈度、建筑高度及结构体系的超高层建筑振动台模拟结果分析[16],得出以下结论:在不考虑非结构构件破坏前提下,模型阻尼比随地震作用增强基本呈线性增大,实测模型阻尼比均值分别为小震2.66%,中震3.09%,大震3.58%;模型刚度随地震作用增强发生退化,根据刚度退化反算连梁刚度折减系数均值分别为小震0.39,大震0.19;水平加速度沿建筑高度放大效应比较明显,尤其在塔楼0.8H(H为结构高度)以上部位的不规则结构布置处。CABR首次对设置了屈曲约束支撑和黏滞阻尼器等减震措施的昆明春之眼主楼进行了1:35的缩尺模型振动台试验[17];同济大学应用多功能振动台阵对重庆来福士广场四塔楼高位减(隔)震连体结构进行了1:25模型振动台试验[18]。
图13 超高层建筑振动台试验
2.3.3消能减震
近年来随着减震技术的发展,在超高层建筑结构设计中采用消能减震技术成为一种新的抗震设计思路。地震作用下,通过在结构中设置减震装置(阻尼器)来消耗能量,减少主体结构承担的地震作用,有效地保护主体结构在地震作用下的安全。
超高层建筑消能减震常用的阻尼器主要有位移型阻尼器、速度型阻尼器以及混合型阻尼器(Viscous CompoundDamper, VCD)三种。位移型阻尼器主要是金属阻尼器,包括防屈曲支撑(BRB)、防屈曲钢板墙、剪切型软钢阻尼器和耗能连梁等,主要用于结构减震。速度型阻尼器主要为黏滞阻尼器,不提供结构刚度;但在变形很小的情况下,黏滞阻尼器就开始耗能,减小结构动力响应,因此可以用于抗风、抗震和提高塔楼顶部舒适度。减震阻尼器布置在相对位移或相对速度较大的楼层,同时采用套索或悬挑桁架等措施增加阻尼器两端的相对变形或相对速度,以提高阻尼器的减震效率。针对不同的地震水准要求,可混合应用不同类型的减震装置。
人民日报社报刊综合楼(图14(a))采用了890根屈曲约束支撑,最大屈服承载力为6650kN。大震作用下结构的基底剪力约为小震的3.5倍,主体结构仅为中等破坏,且主要集中在屈曲约束支撑和框架梁上。
图14 减震耗能装置在超高层建筑中应用
昆明春之眼主楼(图14(b))建筑高度407m,塔楼综合应用了悬臂式黏滞阻尼器、屈曲约束支撑以及巨柱间跨层布置的黏滞阻尼器等多种混合减震装置,有效降低地震作用,在罕遇地震下最大变形可减少25%。
上海世茂国际广场在塔楼和裙房之间的防震缝内设置黏滞阻尼器[19],减少裙房结构的扭转变形并降低地震作用,也是消能减震技术在相邻建筑中首次应用,为消能减震技术的应用开拓了更广泛的空间。
2.4 结构计算分析
2.4.1分析软件与计算假定
(1)分析软件
超高层结构分析软件选取需根据结构类型、结构特点、软件功能、前处理和后处理的便利性综合确定。弹性计算分析软件广泛采用国产商业化软件如SATWE,PMSAP,YJK以及国际通用程序如ETABS,MIDAS,SAP2000等。弹塑性分析软件主要有国内自主开发的EPDA,SAUSAGE以及PERFORM-3D,ABQUS,LSDYNA等大型非线性分析程序。超高层建筑结构分析通常采用两种不同软件完成,并相互校核。
超高层结构构件截面尺寸较大,截面形状复杂,约束条件多种,且往往采用组合截面,结构分析对结构构件的模拟需依据假定合理和简化计算的原则,充分考虑巨型构件的“尺寸效应”,如刚域对结构刚度的作用、约束条件、偏心力矩以及构件承载力的验算。
巨柱具有截面尺寸大、不对称、单边收进、多构件相连且相连构件不汇交截面形心等特点。巨柱可根据其截面类型、约束条件、计算量的大小分别采用杆单元、壳单元或实体单元模拟。
钢筋混凝土剪力墙墙肢通常采用壳单元并根据墙肢尺寸大小进行适当的剖分。核心筒墙肢长度收分时,在轴向力作用下墙肢的内力突变以及对周边结构的内力重分配以及附加变形等需要充分考虑。
连梁根据跨高比大小可采用梁单元或壳单元,抗震分析时考虑刚度折减。当连梁高度较高,采用梁单元无法反映连梁对墙肢的实际弯曲约束时,一般采用壳单元模拟。
楼板分别选用膜单元、壳单元和刚性隔板假设等,以满足楼板对结构构件刚度影响、横膈作用以及以轴向受力为主的结构构件的承载力验算等不同需求。
其他结构整体分析采用的计算参数如阻尼比(包括抗震和抗风)、周期折减系数、嵌固层的假设等根据结构高度、结构体系、建筑功能以及地下室约束程度等分别确定。
2.4.2结构整体控制指标
近年来我国超高层建筑结构高度增加及体型复杂,计算分析手段先进和丰富,以及对结构设计认识不断,在此背景下,有必要对结构控制指标再思考和进一步研究[20]。
(1)平均质量
近80幢高度超过250m的超高层建筑的结构分析统计表明[6],其平均质量分布在13~21kN/m2之间,且建筑高度越高,平均质量越大。对于400m以上的超高层建筑,平均质量分布在17~21kN/m2之间。此外,超高层建筑平均质量大小与塔楼高宽比、塔冠虚高比例、结构体系以及水平荷载等综合因素有关。
(2)自振周期
CABR[21]以我国414栋已建或已通过超限审查的高层建筑为数据源,统计分析了我国高层建筑自振周期的分布规律,在满足我国设计规范对结构整体稳定性、位移限值以及最小剪重比等要求基础上,结构自振周期的合理分布范围为:当结构高度H≥250m时,基本周期T1在0.3H~0.4H之间;当150m≤H<250m时,T1在0.25H~0.40H之间。这为宏观上把握我国超高层建筑结构刚度和质量提供了参考数据。
(3)层间位移角
层间位移角限值是反映结构刚度和稳定性的综合性指标。当建筑高度较高、高宽比较大以及水平荷载较大时,层间位移角往往成为结构控制指标。对建筑高度高于150m的超高层建筑,我国按结构构件采用弹性刚度,考虑无害位移(整体弯曲变形)影响的总层间位移角进行简化控制。但此方法有较大的局限性且偏于严格。如何考虑超高层建筑结构中非结构构件对抗侧刚度的贡献,可否采用基于区格的广义剪切变形算法,复杂建筑形体中在结构自重荷载作用下产生的水平变形与水平荷载引起的变形是否叠加等问题都有待进一步讨论和深入研究。
超高层建筑结构基本周期较长,场地特征周期Tg较小时,剪重比(即《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中地震剪力系数)往往难以满足规范相关要求。工程设计领域对剪重比限值问题进行了深入讨论,普遍认为“超高层建筑剪重比不满足要求时,可采取增大楼层设计剪力的方法以代替结构刚度调整,或采用合理的计算参数或计算方法,如足够多的振型数,避免采用Ritz法等,并建议在确定剪重比限值时综合考虑场地土、结构高度等因素的影响”。
另外,建筑体型复杂或沿高度质量分布不均匀时的刚重比计算方法,框架-核心筒结构中核心筒承担倾覆力矩超过60%时核心筒剪力墙墙肢的轴压比限值,巨型框架承担的外框地震剪力调整等超出了目前现行规范或标准的计算和分析假设或已有的试验研究基础,需要根据实际结构的具体情况做专门分析和研究。
2.4.3施工模拟分析
对超高层建筑来说,一次性加载条件夸大了在结构上部和顶部由于内外竖向构件的竖向变形差异,引起连接竖向构件的刚接水平构件(例如刚接梁、伸臂桁架刚接弦杆、腹杆等)产生较大的附加内力,导致内力结果失真。采用刚度逐步成形的施工模拟分析方法可以解决上述问题。此外刚性连体结构、大跨转换结构、悬挂结构等计算分析也要考虑施工模拟。
(1)延迟安装构件
超高层建筑中的伸臂桁架斜杆、巨型斜撑以及受力较大的关键构件通常延迟安装,从而有意识地控制这些构件的内力分布。施工模拟分析可以准确模拟结构刚度形成与荷载施加过程中构件受力与变形的真实情况,从而为构件设计与施工变形控制提供可靠依据。
如:1)CCTV新台址主楼采用钢支撑筒结构,共有10多根关键构件(包括框架柱和支撑)在施工过程中延迟安装,且安装顺序及时机预先确定(图15)。关键构件的延迟安装主动控制了竖向荷载下结构力的流向,使得筒体的角柱截面更加合理,避免吸收更多的地震作用[22]。2)天津高银117大厦(高度597m)外框采用巨型支撑筒,斜撑与次框架承重结构分离布置。巨型斜撑延迟于主体结构安装,可显著减小由于巨柱压缩变形对巨型支撑的附加轴力(图16)。
图15 CCTV主楼延迟安装构件与施工模拟
图16 巨型斜撑延迟安装示意
(2)混凝土收缩徐变
施工模拟分析时考虑混凝土构件在长期荷载作用下收缩徐变的影响,可提供更准确的竖向构件压缩变形及差异的结果。构件竖向压缩变形也可为楼面标高补偿以及确定构件下料长度预调值提供可靠依据(图17)。
图17 某超高层建筑施工完成后30年累计竖向变形
(3)基础不均匀沉降
在软土地基上建造的强连接连体结构,当各塔楼之间存在差异沉降,连体部分就会产生较大的附加内力;框架-核心筒结构基础通常出现“锅底沉降”,也会加剧连接核心筒和外框架的伸臂桁架的附加内力。当嵌岩桩桩长较长,且基底岩面起伏加大时,长短桩桩身压缩差异导致上部结构产生较大的附加内力。基础不均匀沉降与结构施工过程和加载历程有关,因此应考虑施工过程的影响,通过施工模拟来详细分析结构的附加内力。
2.4.4 结构专项分析
除了上述结构整体分析外,对于超高层建筑结构关键构件失效引起的防连续倒塌分析,大跨楼盖或连廊竖向振动分析,复杂节点的有限元分析,作为抗侧力体系中起变形协调的楼板应力分析、钢结构抗火分析、复杂截面和受力状态下构件承载力验算等专项分析技术日益成熟,为超高层建筑结构的安全性、鲁棒性以及舒适性提供了可靠支撑。
2.5 科研与技术创新
2.5.1 高性能结构材料
目前C60以上高强混凝土已广泛应用于超高层建筑结构,国内最高混凝土强度等级已达C100。天津高银117大厦将C60高强混凝土成功泵送至621m的高度;轻质混凝土楼板的采用,进一步减轻了超高层建筑结构自重;自密实混凝土解决了超高层建筑结构构件截面钢筋布置密集、混凝土振捣困难的施工难题。高性能混凝土材料既可以减轻结构自重,又可以提高混凝土耐久性以及施工可行性。
屈服强度Q390,Q420以及Q460高强度钢材也已成功应用于如CCTV新台址主楼等工程实践;屈服强度波动范围小、可焊性及抗震性能更好的GJ系列钢材已普遍用于超高层建筑结构;Q600钢、耐候钢、耐火钢以及施焊时不需预热的超厚钢板等新型高性能钢也在研制和开发。
此外,低屈服点钢材(钢材屈服强度100~160N/mm2)具有高延伸率、屈服强度稳定等特点,已普遍在BRB支撑、防屈曲钢板剪力墙等应用,成为结构抗震的保险丝,保护主体结构在中、大震下免于破坏。
正火状态交货的可焊铸钢以及锻钢等在伸臂桁架与核心筒连接等节点中已有所应用,也为超高层建筑结构中大承载力、多杆件汇交的复杂节点构造设计提供了新的选择。
2.5.2 新型节点及构件试验研究
除振动台模拟试验和风洞试验外,众多超高层建筑工程进行了大比例构件和节点试验研究,以验证结构的安全性和可靠性,并为结构设计提供参考。
CABR结合振动台试验及模型静力试验相关计算分析工作,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。针对混合结构和组合构件应用广泛的特点,开展了分离式型钢混凝土组合柱、钢板混凝土组合剪力墙、带钢斜撑混凝土组合剪力墙、内藏钢桁架混凝土组合剪力墙等多种形式的研究工作[23]。
ECADI和国内科研院所及高校合作,对超高层建筑工程中关键节点或新型结构进行了大量缩尺模型力学试验(图18),如上海环球金融中心巨型斜撑与巨柱连接节点、武汉中心伸臂桁架与核心筒的连接节点、CCTV大楼高含钢率SRC柱受力和变形性能以及蝶形节点受力性能、天津津塔考虑屈曲后效应钢板剪力墙的抗震试验、天津高银117大厦巨型BRB支撑受力与变形试验、巨型钢管混凝土组合柱防火性能试验、天津周大福蝶形铸钢节点试验等都取得了丰富的成果。国内其他设计及科研单位针对CFT巨柱钢和混凝土共同工作机理、钢管混凝土剪力墙、外包钢板剪力墙受力性能以及自复位结构等也进行了专项试验和研究。上述结构试验和专项技术研究成果对超高层建筑结构关键技术的应用或改进起了至关重要的作用,一方面确保结构安全、合理,有力地提升了工程项目的设计品质,另一方面也填补了国内设计规范或标准的部分空白并在其他工程实践中推广应用。
另外,上海中心大厦、天津周大福大厦等设置结构性态监测系统,在施工过程和使用阶段的监测结果(如结构阻尼比、周期等动力特性、基础沉降、塔楼加速度、变形以及关键构件的应变等)用以验证结构设计的合理性,或改进结构的设计方法。
3 展望
(1)千米级大楼、大高宽比(大于1:10)、倾斜体型、扭转体型、核心筒偏置等复杂形体的超高层建筑以及由超高层建筑群组成的“空中城市”将给结构设计和施工提出更大的挑战。
(2)调谐质量阻尼器和黏滞(黏弹)阻尼器将在更多的超高层建筑中应用,其提供的附加阻尼弥补了现行规范可能高估超高层建筑结构固有阻尼而存在的风险。超高层建筑抗风体型优化将由单一减少风荷载措施向综合措施方向发展,如建筑体型风致响应优化+MIA(振型干预方法)[24]。风致振动控制将由单一的TMD制振向联合制振方向发展。
(3)建议进一步开展超高层混合结构体系在高地震烈度区的抗震性能研究。在高地震烈度区优先采用全钢结构或在混合结构中设置消能减震装置。超高层建筑中采用层间隔震+减震技术给抗震设计提供了新的选择。包含自复位结构、摇摆结构以及可更换构件等可恢复功能的结构体系,可以实现既定的地震可恢复功能,具有广阔的工程应用前景[25]。在中、低地震烈度区,建议考虑超过现行规范规定的超大震地震作用。
(4)建议对超高层建筑结构设计控制指标如长周期地震作用、结构层间位移角、刚重比、剪重比、外框承担剪力比、核心筒轴压比等作进一步研究,以保证结构安全的同时,降低结构材料用量。
(5)钢-混凝土组合巨柱、超长大承载力的斜撑、超厚的基础筏板及混凝土剪力墙等巨型结构构件的设计方法、节点构造以及施工可建性等已超越了现行规范或标准的范围,需要进一步的理论分析、试验研究、结构性态监测和工程实践来验证及完善。
(6)建议加快高性能混凝土(C70及以上混凝土)、轻质混凝土以及高性能钢材(Q500以上)在超高层建筑结构中的可行性研究[26]。
(7)“千米级摩天大楼”[27]、“英里塔”计划、 “4D”超高层建筑、超高层建筑木结构、UHPC(Ultra HighPerformance Concrete)及再生混凝土以及模块化超高层建筑等新理念和新技术,为我国超高层建筑的发展提供了新的方向。
参考文献
作者简介
№1
汪大绥
全国工程勘察设计大师,国务院特殊津贴专家,国家有突出贡献中青年专家,教授级高级工程师,一级注册结构工程师,现任华东建筑设计研究总院资深总工程师。
兼任《建筑结构》编委,中国建筑学会高层建筑委员会副主任,建设部超限高层建筑专家委员会委员,中国钢结构协会专家委员会委员,英国注册工程师协会资深会员。
主要代表作中央电视台新台址CCTV主楼、东方明珠电视塔、浦东机场航站楼、上海环球金融中心、天津津塔、天津高银117大厦、2010上海世博会世博轴等工程。
多项工程获得中国建设部优秀设计和中国建筑学会结构设计大奖,参加多项国家设计规范的编制和审查工作。
荣获“庆祝中华人民共和国成立70周年”纪念章、上海市建设功臣、全国劳动模范、中国钢协30年杰出贡献专家、中国高层建筑杰出贡献奖等荣誉称号。
№2
包联进
现任华东建筑设计研究总院结构副总工程师,英国注册结构工程师,教授级高级工程师,中国建筑学会高层建筑人居环境学术委员会秘书长,中国钢结构协会专家委员会委员,上海市超限高层建筑抗震设防专项审查委员会委员。《钢结构》编委,《建筑结构学报》、《建筑结构》审稿专家。负责完成了中央电视台新台址CCTV主楼、天津高银117大厦、大连绿地中心、合肥恒大中心、上海奔驰文化中心、上海世博中心以及国家会展中心等一批标志性项目。曾获上海市五一劳动奖章,多次获得国家和上海科技进步奖以及优秀设计奖,在核心期刊及学术会议发表论文70余篇。
本文刊登于《建筑结构》2019年第19期,题为《我国超高层建筑结构发展与展望》,作者:汪大绥,包联进,单位:华建集团华东建筑设计研究总院。敬请查阅!