丁洁民：超高层建筑结构设计现状和一些问题的探讨

作者：　来源：　发布时间：2013年08月28日

各位早上好，非常高兴受邀来给大家汇报，今天汇报的内容起源于去年下半年启动的项目，这个项目主要针对结构，所以我们把这个项目的一部分内容与建筑师关心的内容给大家汇报，不当之处请大家批评指正。

一、我国超高层建筑发展概况

（1）超高层建筑发展概况：我国高度超过250米的超高层建筑分为250~300m，300~400m，400~500m，500m以上四种，采集样本地区包括港澳台地区和中国大陆，分成2012年底完成的项目和2013~2018年可能完成的项目。2012年已建成的250m以上的超高层建筑共94幢，其中 250~300m的占半数以上，港澳台共有18幢，占总数的20%，500m高的仅有一幢。2013~2018年可能建成超高层项目达到114座，按照现在的情况预计会超过200座，这是我们值得对这个问题进行研究思考的数字。其中300m以上超高层建筑大量增加，可能由于土地使用要求和城市形象的需要，也可能是我们对它的主要技术已有足够的控制能力，500m以上的超高层也相应增多，塔楼高度突破600m，而港澳台在未来五年的可建项目只有两个，仅占总数量的1.2%，数量大大减少。若从时间轴上划分可以看出，250m以上的超高层建筑在处于起步阶段的1990年至1999年共有13幢，2000年至2007年23幢，发展阶段的2008年至2012年增至58幢，繁荣阶段的2012年至2018年预计有164幢。我们做这样的研究是觉得我们对产品的了解和把控的速度没有跟上它的发展速度。

（2）超高层建筑地域分布的概况：从区域上看，超高层建筑分布区域明显增加，2012年之前的超高层建筑主要分布在珠三角和长三角地区，两者加起来所占比例已经接近总数的80%，或者说3/4以上，排名前10的城市分别是上海、香港、广州、深圳，重庆紧随其后，另外还有武汉、南京、温州、北京、天津、苏州、沈阳； 2013~2018年即将建成的超高层建筑主要分布地区发生明显变化，向中西部倾斜，环渤海地区成为一个新的超高层建筑集中地区，二线城市超高层建筑数量增加，未来排名前10的城市分别是天津20幢，深圳15幢，无锡9幢，广州8幢，大连8幢，上海7幢，武汉7幢，沈阳7幢，贵阳7幢，重庆6幢，昆明6幢。

(a)2012年前超高层建筑区域分布（b）未来2013~2018年超高层建筑区域分布

（3）超高层建筑结构类型的发展：250m以上超高层建筑主要采用4种结构体系，分别为框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒、巨型框筒-核心筒-巨型支撑。不同建筑高度常用的结构体系也有所区别，其中250~400m 建筑多采用框架-核心筒及框筒-核心筒结构，300m以上采用巨型框架-核心筒及巨型框筒-核心筒-巨型支撑结构。我们可以看出，258幢超高层建筑也是常规的框架-核心筒、框筒-核心筒结构类型占主导地位。我似乎觉得在超高层建筑领域结构体系的进步似乎比大跨度结构来得慢一点，可能因为我们还是太希望保证这种结构的安全性所造成的。这些工程实例的统计数据可为结构体系的选取提供一个大致范围或概念。现在正在建和已经建的超高层建筑高度范围是280m到600多米，广州西塔是用巨型斜撑与斜柱相结合的体系，西安新长安二期高300m，郑州绿地中央广场接近300m。纵观这些结构体系，大致还是以满足建筑需求或者建筑要求为前提来构筑一个合理结构体系的。从超高层建筑的材料的使用情况来看，统计出乎我们的意料，混合结构占98.4%，混凝土结构占1.6%，这些混凝结构大部分都在300m以下，没有一个纯钢结构。我们的理解是混凝土材料本身性能得到大大提升，所以就替代了钢材料的使用。目前钢结构造价很高，业主心理承受水平有限。另外，还可能是因为混合结构和组合构件的研究在我们国家启动的比较早，我们对构件性能的把握度有足够的信心，设计时也有据可依。

（4）超高层建筑的经济性分析：超高层经济分析，这些数据在没建好的情况下都是参考值不是最终值，我们分成A类和B类，A类是钢筋混凝土框架+核心筒，B类是SRC外框+钢筋混凝土核心筒。有地震作用、没地震作用也影响我们对组件造价控制。为了进一步区分把土建造价特地做了分解，从这个数据可以看出，如果采用混合结构的话每平方米价格增加200到400元，如果整个建筑面积比较大时，土建造价的差额也是比较显著的。由此我们得出结论：建筑高度增加，工程造价随之增加；混合结构造价高于钢筋混凝土结构；地震烈度增加，工程造价随之增加；高度250~300m的超高层建筑，土建工程造价约占建安造价的30%~35%；高度超过600m，土建工程造价将超过35%；地下部分与地上部分结构造价之比约4：6。

二、超高层建筑控制荷载及作用的研究

（1）竖向荷载组成及优化策略

随着塔楼高度的增加，塔楼墙、柱自重所占的比例增加，这一方面是由于塔楼抗侧刚度需要，另一方面是由于楼面恒载增加，导致承担的竖向荷载较大；楼面恒载所占的比例在20%~25之间，比例较大；优化楼面恒载，不仅可以降低自身的重量，而且进一步降低柱、墙承载的竖向荷载，同时，对降低地震作用也有重要意义。减轻塔楼重量的方法：高强混凝土和高强钢材的使用（降低柱、墙尺寸）；混合结构体系（钢材代替部分混凝土）；采用压型钢板组合楼盖体系；使用轻质隔墙（如轻钢龙骨隔墙）；减小附加恒载（如采用轻质填充材料）。

（2）风荷载研究与优化策略

风工程研究的主要方法有现场监测（最直接、可靠方法，但周期长、费用高）；风洞试验（可系统开展研究，但相似关系无法完全满足）；数值模拟（重要手段与发展方向，成本低，周期短，但目前研究尚不充分）。由于风速较大，且结构高柔，高层建筑易受涡激振动影响产生横风向风荷载。当来流风速增加到一定临界值时，建筑周围产生漩涡脱落现象，从而造成涡激振动。通过沿高度改变建筑截面形状、圆弧倒角、切角和立面开洞等方法，可以减小涡激振动在高层建筑高度方向的一致性，从而减小了建筑的横风向风荷载。上海中心采用了三种方式：圆弧倒角,契形立面, 变截面。

（3）长周期地震作用特点及影响因素

目前国内建成与在建的有许多超高层建筑其自振周期很多都在5.5s以上。对于超高层建筑结构，长周期响应对倾覆力矩起绝对的控制作用；高阶振型响应对基底剪力的影响较显著，不可忽略。

随着我们对超高层建筑的认识，我们把第一周期限制放宽一到两秒左右，上海中心做到9s，刚开始设计的时候所有专家说应该限制在7s，我们放长了一点，这对于降低地震的作用非常有利。随着经验积累和数据更加丰满，可能我们胆子会更大一点。

上海中心、长沙国际金融中心和郑州绿地这三个项目，其中上海中心高632m，所以X向第一周期和第二周期都在长周期上，长沙国金、郑州绿地也是落在长周期上，必须考虑下长周期对于地震效用的影响。长周期在上海中心贡献率达到64%，但是倾覆力距比例达到99%，这是长周期在结构设计中直观的反映，我们以后会有更详细的百分比出来，现在的百分比会给我们一个大概的概念。

三、超高层建筑结构设计中的一些问题探讨

（1）关于结构整体高宽比的讨论

高度和高宽比是超高层结构设计的主要控制因素，也是决定结构刚度的重要指标；基底倾覆力矩与建筑高度的平方成正比；建筑顶部侧移与建筑高度的四次方成正比，并按结构宽度的三次方递减。高宽比直接与超高层结构的受力性态相关：高宽比<2，剪切变形为主；高宽比=2~5，弯剪变形；高宽比>5，弯曲变形为主；高宽比>9，塔楼风荷载下加速度较大，舒适度需要重点考虑。超高层结构由于占地和功能的限制，基底尺寸通常不会过大，一般为60~80m左右，因此，对于超过400m以上超高层，高宽比一般为7~9。当高宽比超过8时，通常外筒设计为巨型框架或巨型支撑框架（框筒），有效提高结构的抗侧刚度。当高宽比超过8时，横风向效应显著增强，在8度设防以下地区，风荷载通常成为控制因素。

（2）关于核心筒高宽比的讨论

核心筒高宽比的影响：对于常规的框架-核心筒结构体系，核心筒承担着大部分剪力和倾覆力矩，故核心筒高宽比也是一个重要参考因素。但对于超高层而言，巨型框架、支撑框筒等高度更大的外框结构常常取代了一般框架，因此，核心筒的承担剪力和倾覆力矩比例会降低。

核心筒面积比例指核心筒的围合面积占楼面面积的比例，是另一个重要参考指标。围合面积比例<20%，核心筒刚度偏弱，宜加强外框筒，采用支撑框筒或巨型结构；围合面积比例=20%~27%，核心筒刚度适中；围合面积比例>27%，核心筒刚度较大，承担剪力和倾覆力矩比例大幅提高，应尤其注重核心筒的性能化设计及二道防线设计。

（3）结构体系选型研究

结构高度达到450m时，对于不含伸臂桁架的弱框筒和筒中筒体系，结构刚重比成为主要控制参数，外框梁截面显著增大。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》中对框架-核心筒体系要求，外框承担的地震剪力标准值不宜小于结构底部剪力标准值的10%。由于框筒体系、弱框筒体系柱距密，框架梁截面高，外框的刚度相对较大，因此，分配的地震剪力较多，可以满足规范10%的要求。对于框架-核心筒、巨型框架-核心筒体系超高层建筑，由于外框柱距较大，外框刚度相比核心筒小很多，10%的外框剪力标准值较难满足。

从结构经济性角度出发，350m高度选择框筒-核心筒体系较优； 450m高度选择巨型框架-核心筒体系较优；对于450m以下的超高层建筑：当结构处于基本烈度7（0.1g）、基本风压0.6kN/m2时，结构弹性指标受风荷载控制；当结构处于基本烈度8（0.2g）、基本风压0.40kN/m2时，结构弹性指标受地震作用控制；当结构高度达到450m时，结构刚重比成为主要控制参数，宜设置伸臂桁架以提高结构刚重比；当结构高度超过450m时，弱框筒和筒中筒结构体系采用外框梁截面较高，导致用钢量较大，经济性较差；随着结构高度增加，巨型框架结构体系表现出良好的受力性能和经济性；超高层结构体系选型需要综合考虑结构经济性、施工的可行性及周期、建筑功能与景观的影响，因此，结构体系选型需要在超高层项目方案阶段尽早介入。

（4）伸臂桁架结构研究

伸臂桁架结构概念：高层建筑框架-核心筒结构体系，存在侧向刚度不足、核心筒倾覆力矩偏大的缺陷。通过设置抗弯刚度较大的伸臂桁架，连接核心筒和外框架，可将周边柱的轴向刚度用来增加结构的抗倾覆力矩，显著提高结构的抗侧刚度，减小核心筒倾覆力矩。

伸臂桁架有四种结构形式：1）两点连接方式；2）单点上部连接方式；3）单点下部连接方式；4）单点中间连接方式。采用SAP2000对各种伸臂桁架形式进行了极限承载力分析，得出结论:形式2,3的刚度较好，形式4的强度较好。

伸臂桁架结构连接节点：1）伸臂桁架与核心筒连接节点，采用方式1即伸臂桁架正方（工型），采用单板与墙体内钢骨连接。其优点是墙肢内连接简单，适用于墙肢较薄情况。缺点是节点板较厚，应用工程案例有重庆国金中心，上海中心7、8区节点；采用方式2即伸臂桁架侧方（H型），采用双板在墙体内与钢骨连接。其优点为节点板厚度较小，缺点是墙体内钢筋连接复杂，适用于墙肢较厚情况，应用工程案例有深圳京基中心，上海中心1~6区。 2）伸臂桁架与框架柱连接节点：采用方式1其优点是内力传递直接，节点板最少，适用于十字形钢骨；缺点是伸臂桁架与框架柱内纵筋、箍筋相碰（型钢混凝土柱的缺点），应用工程案例有重庆国金中心、上海白玉兰广场。采用方式2的优点是适用于钢管混凝土柱或者内包钢管的型钢混凝土柱，缺点是伸臂桁架与框架柱内纵筋、箍筋相碰（型钢混凝土柱的缺点），应用工程案例有上海中心等。

（5）耗能阻尼器应用研究

阻尼器的布置共有三种方案，方案1为单根阻尼支撑的布置形式；方案2为水平方向布置粘滞阻尼器；方案3为垂直方向布置粘滞阻尼器。

设置阻尼器后，优化了加强层构件之间的相对刚度比，弱化了地震作用下的层间刚度突变，降低了核心筒墙体的损伤程度，提高了主要竖向构件的地震作用安全度。

设置阻尼器后，部分的塑性耗能被粘滞阻尼器耗能代替，从能量的角度说明阻尼器对主要结构构件起了保护作用。

在伸臂桁架阻尼器布置方案的选择上，一般应将粘滞阻尼器设置在变形和速度最大的位置，使得粘滞阻尼器充分变形，最大程度地耗散地震能量，减小结构的地震反应。将粘滞阻尼器设置在伸臂桁架与外框架连接处的方案3，比方案1、2减震效果更明显。

环带桁架阻尼器较优位置研究：由结构阻尼环带最优位置研究，可以看出：

1）最大层间位移角与最大层间相对速度出现的位置较为一致。

2）将阻尼器布置在层间位移角或层间相对速度大的位置，减震效果较好，这与《建筑消能减震技术规程》待审稿的条文3.1.6消能部件宜设置在层间相对变形或层间速度较大的位置相符。

环带桁架阻尼器与结构高度的关系研究发现：

1)从基底剪力和层间位移角分布来看，随着结构高度的增加，阻尼器的耗能效率在降低，当塔楼高度增加到 400m以上时，阻尼器对降低塔楼层间位移角的效果不明显了；

2)从耗能和层间速度角度来看，随着结构高度的增加，塔楼在地震作用下的层间速度降低，这导致阻尼器的效率下降，从而使塔楼结构高度在超过400m后，整体的耗能减震效果逐渐不明显。

（6）巨型柱设计研究

上海中心巨型柱受力情况：竖向荷载分配：54%；底部剪力分配：57%；底部倾覆力矩分配：79%；巨型柱的地位非常重要，对构件的选型需要重点考虑。目前常用的两种构件形式： 1）SRC型钢混凝土柱，包括上海中心、深圳平安、上海环球金融中心等；2）CFT钢管混凝土柱，包括天津117、台北101、深圳京基中心等。上海中心巨型柱选型时，从受力角度，两种巨型柱形式都满足要求；从吊装和安装角度，型钢混凝土柱较有优势。450m以上巨型柱的结构会越来越多的使用，上海中心8个巨型柱，这个柱子是一个三维体，在做这个项目前两三年就开始研究了。台北101柱子是243米，三米以内都可以用这个柱子断面形，三米以外都不行，我相信他们做这个之前也有研究积累。我们也对弹塑性强度也做了研究，延性系数达到2.81，所以应该说巨型柱还是可以当作一般柱在构造中特殊处理。