我国高度250m以上超高层建筑结构现状与分析进展

作者:查重猫     发表时间:2021-03-17 06:04:33   浏览次数:57



  摘要: 我国 250 m 以上超高层建筑数量日益增加,超高层建筑由长三角、珠三角地区逐渐向全国其他区域扩展,其中环渤海地区以及部分二线城市中超高层建筑发展迅速。对不同高度的超高层建筑,其常用的结构体系为: 框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撑结构。分析表明: 随着结构高度的增加,巨型框架和巨型支撑应用较多,混合结构在超高层建筑结构中广泛应用。通过实际工程造价分析,研究了建筑高度、抗震设防烈度、结构材料对超高层建筑工程造价的影响。分别从超高层建筑形态空气动力学优化和长周期响应方面,阐明了超高层建筑结构分析、设计中的关键问题。采用黏滞阻尼器可有效降低超高层建筑结构地震响应,对黏滞阻尼器在实际超高层建筑中的应用现状及发展前景进行了简要介绍。

  关键词: 超高层建筑结构; 结构体系; 抗风设计; 长周期地震作用; 耗能减震

  0 引言

  近几十年来,我国陆续建成了一批超高层建筑,包括金茂大厦( 地上 88 层,总高度 420 m) 、广州西塔 ( 地上 103 层,总高度 432 m) 、上海环球金融中心( 地上 101 层,总高度 492 m) 。随着社会经济的发展,超高层建筑正向着更高的方向迈进,比如上海中心( 地上 124 层,总高度 632 m) 、武汉绿地中心( 地上 125 层,总高度 606 m) 、深圳平安国际金融中心( 地上 120 层,总高度 648 m) 。超高层建筑的结构体系的创新不仅对超高层建筑的安全性和经济性影响较大,而且对开拓建筑空间形式和使用功能具有重要作用,是超高层建筑设计及建造中的核心技术。在超高层建筑迅速发展的同时,结构的分析和设计面临新的挑战。

  相关期刊推荐:《建筑结构学报》报道和交流建筑结构领域中代表我国学术水平的最新研究成果,反映本学科发展最新动态和趋势,推动国内外的学术交流,主要刊登建筑结构、抗震防振、地基基础等学科的基础理论研究、应用研究和科学实验技术的学术论文,研究报告及最新进展动态,为我国建筑科学技术研究的发展服务。

  鉴于此,本文针对不同高度的高层建筑,分析各种结构体系的适用性; 研究超高层建筑工程造价的影响因素; 探讨超高层建筑抗风优化设计和长周期地震响应分析中的关键问题; 介绍耗能减震新技术在超高层建筑结构抗震设计中的应用。

  1 我国超高层建筑发展现状

  1. 1 建筑高度

  截至 2012 年底,我国共建成高度超过 250 m 的超高层建筑 94 幢,其高度分布比例如图 1 所示。高度 250 ~ 300 m 的超高层建筑数量最多,约占建筑总数的 59% ; 高度 500 m 以上超高层建筑仅 1 幢; 港澳地区超高层建筑共计 18 幢,约占总数的 20% 。这一阶段国内典型超高层建筑,有上海环球金融中心( 高度 492 m) 和深圳京基金融中心( 高度 442 m) 。

  2013—2018 年,我国计划建成高度 250 m 以上的超高层建筑共计 164 幢,如图 2 所示。与图 1 相比,高度 300 ~ 400 m 的超高层建筑数量显著增多,约占总数的 43% 。港澳地区超高层建筑共 2 幢,约占总数的 1. 2% 。

  除超高层建筑数量增多外,超高层建筑的高度近年来不断增加。高度 500 m 以上的超高层建筑增多,部分建筑高度已突破 600 m。如上海中心大厦,总高度 632 m。建成之后将与高度 420 m 的金茂大厦、492 m 的环球金融中心共同构成浦东陆家嘴金融城的新三角。建造中的深圳平安金融中心塔楼桅杆顶高度为 648 m。

  1. 2 分布地区

  截至 2012 年底,我国已建成高度 250 m 以上的超高层建筑地域分布如图 3 所示,可见,超高层建筑主要集中在经济较发达的珠三角和长三角地区; 主要城市包括上海、香港、广州和深圳。

  2013—2018 年,我国计划建设高度 250 m 以上的超高层建筑分布如图 4 所示,可见,超高层建筑分布区域明显增加,其中环渤海地区将成为超高层建筑的集中地,二线城市的超高层建筑数量亦显著增加。

  2 超高层建筑结构发展新特点

  2. 1 结构体系

  高度超过 250 m 的超高层建筑结构,一般采用框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撑 4 种结构体系,分别适用于不同高度的超高层建筑,如图 5 所示。框架-核心筒、框筒-核心筒适用于高度 250 ~ 400 m 的超高层建筑; 巨型框架-核心筒、巨型框架-核心筒-巨型支撑适用于高度 300 m 以上的超高层建筑。

  框架-核心筒结构是目前高层及超高层结构中应用最广泛的结构形式之一。核心筒除了四周的剪力墙外,内部还有楼梯间、电梯间的分隔墙,核心筒的刚度和承载力都较大,成为抗侧力的主体,框架承受的水平剪力较小。为使周边框架柱参与抗倾覆,增大结构抗倾覆力矩的能力,在核心筒和框架柱之间设置水平伸臂构件。伸臂桁架使一侧框架柱受压、另一侧框架柱受拉,减小结构的侧移和伸臂构件所在楼层以下核心筒的弯矩。为了进一步增大结构的刚度,使周边的框架柱都参与抗倾覆力矩,在设置伸臂构件的楼层设置周边环带构件。设置加强层后,框架-核心筒结构的建造高度与筒中筒结构的建造高度接近。

  巨型框架-核心筒-巨型支撑结构具有多道抗震防线。设置巨型支撑可提高结构抗侧刚度,且减小刚度突变; 水平地震作用下,巨型支撑可提高外框架刚度,使框架底部剪力和弯矩明显提高。

  在建的上海中心大厦( 图 6) 塔楼抗侧力体系为巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系[1]。在 8 个机电层区布置 6 道两层高的外伸臂桁架和 8 道箱形空间环形桁架。由箱形空间环形桁架和巨柱形成外围巨型框架。在建的深圳平安中心大厦( 图 7) ,采用巨型斜撑框架-核心筒-外伸臂体系。结构设置了 4 道钢外伸臂,将核心筒与巨柱有效地连接在一起,从而控制层间位移,改善结构的承载性能,增加了承载冗余度和结构抗侧刚度。7 道空间双桁架均匀布置于每区避难/机电层,用于连接巨柱,将结构的外围形成巨型框架,承担大部分由侧向力引起的倾覆力矩[2]。

  2. 2 结构材料

  超高层建筑所采用的材料可分为三类: 钢结构、混凝土结构和钢-混凝土混合结构。钢结构强度高、自质量轻、抗震性能好,施工速度快,但由于造价较高、防火性能差等问题,限制了钢结构在高层建筑中的广泛应用。混凝土结构可塑性强、用钢量少,取材方便,维护成本低,加之混凝土和钢筋强度等级不断提高,促使混凝土结构在超高层建筑建造中得到广泛应用。然而,混凝土结构存在自质量大、结构构件尺寸较大等问题。钢-混凝土混合结构是将钢与混凝土组合而成的结构类型,可有效发挥钢与混凝土自身的优点。

  图 8 为我国高度 250 m 以上超高层建筑结构体系材料的使用情况,由图可见,我国超高层建筑结构中,钢-混凝土混合结构占 98. 4% 。如上海环球金融中心及金茂大厦内部均为钢筋混凝土核心筒,外框为型钢混凝土柱及钢柱[3-4]; 正在建设中的天津 117 大厦,外框采用钢管混凝土柱,核心筒在底部区域采用钢板混凝土剪力墙结构。

  2. 3 建筑经济性分析

  超高层建筑结构工程造价的影响因素主要包括: 建筑造型与平面布置、建筑物所在地区的抗震设防烈度和风荷载、结构体系选型和材料等方面。

  图 9 统计了上海( 抗震设防烈度 7 度) 、郑州( 抗震设防烈度 7 度,0. 15g) 及兰州( 抗震设防烈度 8 度) 地区 7 座超高层建筑单位面积所需的建安造价和土建造价,以分析建筑高度、结构材料、抗震设防烈度对工程造价的影响。所涉及的工程实例有: 上海国金 中 心 ( 高 度 250 m) 、郑 州 绿 地 广 场 ( 高 度 283 m) [5]、兰州鸿运金茂( 高度 250 m) [6]、上海嘉里中心( 高度 260 m) 、上海会德丰( 高度 280 m) 、上海恒隆广场( 高度 280 m) 和上海中心大厦( 高度 632 m) 。其中,上海嘉里中心、上海会德丰及上海恒隆广场为钢筋混凝土框架-核心筒结构,其余为 SRC 外框-钢筋混凝土核心筒结构。图 10 以上海中心大厦为例,给出其土建工程各部分造价及其占土建工程总造价的百分比。

  图 9 和图 10 表明: 1) 超高层建筑高度增加,工程造价随之增加; 2) 混合结构造价高于钢筋混凝土结构; 3) 抗震设防烈度增加,工程造价随之增加; 4) 高度 250 ~ 300 m 的超高层建筑,土建工程造价约占建安造价的 30% ~ 35% ,当高度超过 600 m 时,土建工程造价将超过建安造价的 35% ; 5) 超高层建筑地下部分与地上部分土建造价之比约 4∶ 6。

  3 超高层建筑结构分析进展

  3. 1 抗风优化设计研

  随着建筑高度不断增加,结构抗侧刚度趋于变柔、阻尼降低,结构对风作用更加敏感,因此,建筑形态成为超高层建筑结构设计中一个重要的控制因素。建筑形态的空气动力学优化,减小结构风荷载和控制建筑舒适度,从而降低结构造价。超高层建筑的空气动力学优化主要体现在平面、立面和局部形态等方面[7]。

  3. 1. 1 选取合适的平面形状

  一般的高层建筑采用矩形平面,但对于超高层建筑,采用矩形平面不利于结构抗风。相比而言,平面为圆形、椭圆形、三角形、Y 形、月牙形的建筑,对横向作用力的敏感性没有矩形平面强。此外,角部修正也是建筑平面形状优化的另一重要方面。角部修正主要有倒角、削角和圆形化( 图 11 [8]) 。角部修正改变剪切层的流动特征,促使分离流再附,减小尾流宽度,从而有效地降低阻力和脉动升力。

  3. 1. 2 沿高度变化调整平面

  沿高度变化调整平面可以分为两种形式: 一种是锥形化立面与阶梯缩进平面; 另一种是随高度变化改变平面形状。锥形立面与阶梯缩进平面的建筑( 图 12 [8]) ,平面宽度随建筑高度的增加而减小,产生涡激共振的临界风速也减小。而边界层内的风剖面表明[8],风速随高度的增加而增大,这就使得涡激共振得到有效控制。随高度改变平面形状的方法,主要是使建筑在不同高度处的平面形状发生改变。不同的平面形状对应着不同的斯脱罗哈数,这将影响涡激共振产生的临界风速。同时,平面形状的改变,扰乱脉动风荷载沿高度的相关性,削弱叠加效应,从而达到减弱风致响应的目的。

  3. 1. 3 改变局部形态

  改变局部形态的优化方法通常是在前两类方法的基础上使用。该方法具体可分为建筑附加开洞、附加扰流翼、以及使塔冠形态复杂化[7]。

  3. 2 长周期地震作用研究

  超高层建筑的长周期特点成为结构设计的重点。在超高层建筑结构设计中,有必要考虑不同长周期地震运动参数的影响。受模拟式强震仪频率特性的限制,长周期地震记录数量较少或者欠精确,准确的记录往往集中在 3 s 以内。因此,本文的长周期定义为大于 3 s。

  对超高层建筑,由于高 宽 比 较 大,自 振 频 率 较低,结构低阶自振频率的响应构成结构动力响应的主要成分,针对结构的长周期效应,以 3 个超高层结构作为算例进行分析,研究长周期效应对超高层抗震设计的影响。

  工 程 概 况: 上 海 中 心 大 厦 ( 模 型 A) 高 度 为 632 m,124 层,采用巨型框架-核心筒-环带桁架-伸臂桁架结构体系,包括 12 根巨柱,8 道环带桁架,6 道伸臂桁架和内含钢骨的核心筒剪力墙[1]。长沙国际金融中心( 模型 B) 高 452 m,采用框架-核心筒-环带桁架-伸臂桁架结构体系,包括 20 根框架柱,5 道环带桁架,2 道伸臂桁架和内含钢骨的核心筒剪力墙[9]。郑州绿地广场( 模型 C) 高度为 283 m,采用框架-核心筒-环带桁架结构体系[5]。结构模型如图 13 所示。

  采用 ETABS 软件进行模态分析。结构沿 X 向的自振周期如表 1 所示。可见,模型 A 的前 2 阶振型、模型 B 和模型 C 的第 1 阶振型均为长周期振型( 周期大于 3 s) ,结构越高,长周期振型越多。

  采用设计地震反应谱法对对上述 3 个结构模型进行地震响应分析。多遇地震设计参数如表2 所示。表 3 给出了 3 个结构模型 X 向地震响应结果。由表 2、3 可见,结构长周期模态的基底剪力占结构地震总响应的 50% 以上; 长周期模态的倾覆力矩占结构总响应的 90% 以上。超高层建筑总动力响应中,长周期响应分量占据了绝大部分。

  3. 3 耗能减震技术研究

  消能减震结构是在结构上附加衰减机能,在地震作 用下吸收地震能量,进而实现消能减振。消能减震结构所使用的消能部件分为: 利用位移相关性的消能部件和利用速度相关性的消能部件。黏滞阻尼器为速度相关性消能部件,此种消能部件通过依靠速度产生的内力吸收能量。

  菲律宾马尼拉 Saint Francis Shangri-La 双塔[10],每个塔楼高 210 m,在加强层处设置 8 个悬臂墙,每个悬臂墙的端部连接处设置 2 个垂直放置的黏滞阻尼器。该阻尼器的布置较好地降低了塔楼在侧向荷载作用下的结构响应,工作效率较高。

  文献[11]研究了黏滞阻尼器在伸臂桁架体系中的应用。通过对比普通刚性伸臂加强层方案与设置粘滞阻尼器的伸臂方案在地震作用下的结构动力响应,分析塑性损伤结果及能量耗散情况,结果表明: 黏滞阻尼器在伸臂桁架结构中的设置可以吸收地震能量,减小结构的地震响应,同时减小核心筒剪力墙的塑性损伤,是提高结构抗震性能的有效方法。

  4 结论及展望

  1) 超高层建筑数量不断增加,分布地区由长三角、珠三角地区向全国其他区域扩展,环渤海地区以及部分二线城市超高层建筑发展迅速。

  2) 随着建筑结构高度的增加,巨型框架和巨型支撑应用较多,钢-混凝土混合结构在超高层建筑结构中应用广泛。

  3) 超高层建筑土建工程造价约占建安造价的 30% ~ 40% ,随着塔楼高度的增加,土建造价将有所提高。

  4) 将合适的空气动力学优化方法,在超高层建筑中通过具体的建筑与结构设计来实现,可以同时达到减小建筑的风致响应与保证建筑形态优美的目的。

  5) 结构高度越高,长周期振型越多; 超高层建筑总动力响应中,长周期模态的基底剪力占结构地震总响应的 50% 以上; 长周期模态的倾覆力矩占地震总响应的 90% 以上。长周期地震作用对超高层建筑结构影响显著。

  6) 耗能减震技术可有效降低结构的地震作用响应,提高超高层建筑结构抗震性能,是未来超高层建筑结构抗震的发展方向。——论文作者:丁洁民,吴宏磊,赵 昕

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