超高層防震建筑結(jié)構(gòu)論文

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1我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀

1.1建筑高度

截至2012年底，我國共建成高度超過250m的超高層建筑94幢，其高度分布比例如圖1所示。高度250～300m的超高層建筑數(shù)量最多，約占建筑總數(shù)的59%;高度500m以上超高層建筑僅1幢;港澳地區(qū)超高層建筑共計18幢，約占總數(shù)的20%。這一階段國內(nèi)典型超高層建筑，有上海環(huán)球金融中心(高度492m)和深圳京基金融中心(高度442m)。2013—2018年，我國計劃建成高度250m以上的超高層建筑共計164幢，如圖2所示。與圖1相比，高度300～400m的超高層建筑數(shù)量顯著增多，約占總數(shù)的43%。港澳地區(qū)超高層建筑共2幢，約占總數(shù)的1.2%。除超高層建筑數(shù)量增多外，超高層建筑的高度近年來不斷增加。高度500m以上的超高層建筑增多，部分建筑高度已突破600m。如上海中心大廈，總高度632m。建成之后將與高度420m的金茂大廈、492m的環(huán)球金融中心共同構(gòu)成浦東陸家嘴金融城的新三角。建造中的深圳平安金融中心塔樓桅桿頂高度為648m。

1.2分布地區(qū)

截至2012年底，我國已建成高度250m以上的超高層建筑地域分布如圖3所示，可見，超高層建筑主要集中在經(jīng)濟較發(fā)達的珠三角和長三角地區(qū);主要城市包括上海、香港、廣州和深圳。2013—2018年，我國計劃建設(shè)高度250m以上的超高層建筑分布如圖4所示，可見，超高層建筑分布區(qū)域明顯增加，其中環(huán)渤海地區(qū)將成為超高層建筑的集中地，二線城市的超高層建筑數(shù)量亦顯著增加。

2超高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展新特點

2.1結(jié)構(gòu)體系

高度超過250m的超高層建筑結(jié)構(gòu)，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-巨型支撐4種結(jié)構(gòu)體系，分別適用于不同高度的超高層建筑，如圖5所示。框架-核心筒、框筒-核心筒適用于高度250～400m的超高層建筑;巨型框架-核心筒、巨型框架-核心筒-巨型支撐適用于高度300m以上的超高層建筑。框架-核心筒結(jié)構(gòu)是目前高層及超高層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一。核心筒除了四周的剪力墻外，內(nèi)部還有樓梯間、電梯間的分隔墻，核心筒的剛度和承載力都較大，成為抗側(cè)力的主體，框架承受的水平剪力較小。為使周邊框架柱參與抗傾覆，增大結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩的能力，在核心筒和框架柱之間設(shè)置水平伸臂構(gòu)件。伸臂桁架使一側(cè)框架柱受壓、另一側(cè)框架柱受拉，減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移和伸臂構(gòu)件所在樓層以下核心筒的彎矩。為了進一步增大結(jié)構(gòu)的剛度，使周邊的框架柱都參與抗傾覆力矩，在設(shè)置伸臂構(gòu)件的樓層設(shè)置周邊環(huán)帶構(gòu)件。設(shè)置加強層后，框架-核心筒結(jié)構(gòu)的建造高度與筒中筒結(jié)構(gòu)的建造高度接近。巨型框架-核心筒-巨型支撐結(jié)構(gòu)具有多道抗震防線。設(shè)置巨型支撐可提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，且減小剛度突變;水平地震作用下，巨型支撐可提高外框架剛度，使框架底部剪力和彎矩明顯提高。在建的上海中心大廈塔樓抗側(cè)力體系為巨型框架-核心筒-外伸臂結(jié)構(gòu)體系［1］。在8個機電層區(qū)布置6道兩層高的外伸臂桁架和8道箱形空間環(huán)形桁架。由箱形空間環(huán)形桁架和巨柱形成外圍巨型框架。在建的深圳平安中心大廈，采用巨型斜撐框架-核心筒-外伸臂體系。結(jié)構(gòu)設(shè)置了4道鋼外伸臂，將核心筒與巨柱有效地連接在一起，從而控制層間位移，改善結(jié)構(gòu)的承載性能，增加了承載冗余度和結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。7道空間雙桁架均勻布置于每區(qū)避難/機電層，用于連接巨柱，將結(jié)構(gòu)的外圍形成巨型框架，承擔(dān)大部分由側(cè)向力引起的傾覆力矩。

2.2結(jié)構(gòu)材料

超高層建筑所采用的材料可分為三類:鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)強度高、自質(zhì)量輕、抗震性能好，施工速度快，但由于造價較高、防火性能差等問題，限制了鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的廣泛應(yīng)用。混凝土結(jié)構(gòu)可塑性強、用鋼量少，取材方便，維護成本低，加之混凝土和鋼筋強度等級不斷提高，促使混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑建造中得到廣泛應(yīng)用。然而，混凝土結(jié)構(gòu)存在自質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大等問題。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)是將鋼與混凝土組合而成的結(jié)構(gòu)類型，可有效發(fā)揮鋼與混凝土自身的優(yōu)點。圖8為我國高度250m以上超高層建筑結(jié)構(gòu)體系材料的使用情況，由圖可見，我國超高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)占98.4%。如上海環(huán)球金融中心及金茂大廈內(nèi)部均為鋼筋混凝土核心筒，外框為型鋼混凝土柱及鋼柱［3-4］;正在建設(shè)中的天津117大廈，外框采用鋼管混凝土柱，核心筒在底部區(qū)域采用鋼板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

2.3建筑經(jīng)濟性分析

超高層建筑結(jié)構(gòu)工程造價的影響因素主要包括:建筑造型與平面布置、建筑物所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度和風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)體系選型和材料等方面。圖9統(tǒng)計了上海(抗震設(shè)防烈度7度)、鄭州(抗震設(shè)防烈度7度，0.15g)及蘭州(抗震設(shè)防烈度8度)地區(qū)7座超高層建筑單位面積所需的建安造價和土建造價，以分析建筑高度、結(jié)構(gòu)材料、抗震設(shè)防烈度對工程造價的影響。所涉及的工程實例有:上海國金中心(高度250m)、鄭州綠地廣場(高度283m)［5］、蘭州鴻運金茂(高度250m)［6］、上海嘉里中心(高度260m)、上海會德豐(高度280m)、上海恒隆廣場(高度280m)和上海中心大廈(高度632m)。其中，上海嘉里中心、上海會德豐及上海恒隆廣場為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其余為SRC外框-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。圖10以上海中心大廈為例，給出其土建工程各部分造價及其占土建工程總造價的百分比。圖9和圖10表明:1)超高層建筑高度增加，工程造價隨之增加;2)混合結(jié)構(gòu)造價高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);3)抗震設(shè)防烈度增加，工程造價隨之增加;4)高度250～300m的超高層建筑，土建工程造價約占建安造價的30%～35%，當(dāng)高度超過600m時，土建工程造價將超過建安造價的35%;5)超高層建筑地下部分與地上部分土建造價之比約4∶6。

3超高層建筑結(jié)構(gòu)分析進展

3.1抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計研究

隨著建筑高度不斷增加，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度趨于變?nèi)帷⒆枘峤档停Y(jié)構(gòu)對風(fēng)作用更加敏感，因此，建筑形態(tài)成為超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個重要的控制因素。建筑形態(tài)的空氣動力學(xué)優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和控制建筑舒適度，從而降低結(jié)構(gòu)造價。超高層建筑的空氣動力學(xué)優(yōu)化主要體現(xiàn)在平面、立面和局部形態(tài)等方面［7］。

3.1.1選取合適的平面形狀

一般的高層建筑采用矩形平面，但對于超高層建筑，采用矩形平面不利于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)。相比而言，平面為圓形、橢圓形、三角形、Y形、月牙形的建筑，對橫向作用力的敏感性沒有矩形平面強。此外，角部修正也是建筑平面形狀優(yōu)化的另一重要方面。角部修正主要有倒角、削角和圓形化(圖11［8］)。角部修正改變剪切層的流動特征，促使分離流再附，減小尾流寬度，從而有效地降低阻力和脈動升力。

3.1.2沿高度變化調(diào)整平面

沿高度變化調(diào)整平面可以分為兩種形式:一種是錐形化立面與階梯縮進平面;另一種是隨高度變化改變平面形狀。錐形立面與階梯縮進平面的建筑平面寬度隨建筑高度的增加而減小，產(chǎn)生渦激共振的臨界風(fēng)速也減小。而邊界層內(nèi)的風(fēng)剖面表明［8］，風(fēng)速隨高度的增加而增大，這就使得渦激共振得到有效控制。隨高度改變平面形狀的方法，主要是使建筑在不同高度處的平面形狀發(fā)生改變。不同的平面形狀對應(yīng)著不同的斯脫羅哈數(shù)，這將影響渦激共振產(chǎn)生的臨界風(fēng)速。同時，平面形狀的改變，擾亂脈動風(fēng)荷載沿高度的相關(guān)性，削弱疊加效應(yīng)，從而達到減弱風(fēng)致響應(yīng)的目的。

3.1.3改變局部形態(tài)

改變局部形態(tài)的優(yōu)化方法通常是在前兩類方法的基礎(chǔ)上使用。該方法具體可分為建筑附加開洞、附加擾流翼、以及使塔冠形態(tài)復(fù)雜化［7］。

3.2長周期地震作用研究

超高層建筑的長周期特點成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有必要考慮不同長周期地震運動參數(shù)的影響。受模擬式強震儀頻率特性的限制，長周期地震記錄數(shù)量較少或者欠精確，準(zhǔn)確的記錄往往集中在3s以內(nèi)。因此，本文的長周期定義為大于3s。對超高層建筑，由于高寬比較大，自振頻率較低，結(jié)構(gòu)低階自振頻率的響應(yīng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的主要成分，針對結(jié)構(gòu)的長周期效應(yīng)，以3個超高層結(jié)構(gòu)作為算例進行分析，研究長周期效應(yīng)對超高層抗震設(shè)計的影響。工程概況:上海中心大廈(模型A)高度為632m，124層，采用巨型框架-核心筒-環(huán)帶桁架-伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，包括12根巨柱，8道環(huán)帶桁架，6道伸臂桁架和內(nèi)含鋼骨的核心筒剪力墻［1］。長沙國際金融中心(模型B)高452m，采用框架-核心筒-環(huán)帶桁架-伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，包括20根框架柱，5道環(huán)帶桁架，2道伸臂桁架和內(nèi)含鋼骨的核心筒剪力墻［9］。鄭州綠地廣場(模型C)高度為283m，采用框架-核心筒-環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系［5］。采用ETABS軟件進行模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)沿X向的自振周期如表1所示。可見，模型A的前2階振型、模型B和模型C的第1階振型均為長周期振型(周期大于3s)，結(jié)構(gòu)越高，長周期振型越多。采用設(shè)計地震反應(yīng)譜法對對上述3個結(jié)構(gòu)模型進行地震響應(yīng)分析。多遇地震設(shè)計參數(shù)如表2所示。表3給出了3個結(jié)構(gòu)模型X向地震響應(yīng)結(jié)果。由表2、3可見，結(jié)構(gòu)長周期模態(tài)的基底剪力占結(jié)構(gòu)地震總響應(yīng)的50%以上;長周期模態(tài)的傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總響應(yīng)的90%以上。超高層建筑總動力響應(yīng)中，長周期響應(yīng)分量占據(jù)了絕大部分。

3.3耗能減震技術(shù)研究

消能減震結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)上附加衰減機能，在地震作用下吸收地震能量，進而實現(xiàn)消能減振。消能減震結(jié)構(gòu)所使用的消能部件分為:利用位移相關(guān)性的消能部件和利用速度相關(guān)性的消能部件。黏滯阻尼器為速度相關(guān)性消能部件，此種消能部件通過依靠速度產(chǎn)生的內(nèi)力吸收能量。菲律賓馬尼拉SaintFrancisShangri-La雙塔［10］，每個塔樓高210m，在加強層處設(shè)置8個懸臂墻，每個懸臂墻的端部連接處設(shè)置2個垂直放置的黏滯阻尼器。該阻尼器的布置較好地降低了塔樓在側(cè)向荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，工作效率較高。文獻［11］研究了黏滯阻尼器在伸臂桁架體系中的應(yīng)用。通過對比普通剛性伸臂加強層方案與設(shè)置粘滯阻尼器的伸臂方案在地震作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，分析塑性損傷結(jié)果及能量耗散情況，結(jié)果表明:黏滯阻尼器在伸臂桁架結(jié)構(gòu)中的設(shè)置可以吸收地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，同時減小核心筒剪力墻的塑性損傷，是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效方法。

4結(jié)論及展望

1)超高層建筑數(shù)量不斷增加，分布地區(qū)由長三角、珠三角地區(qū)向全國其他區(qū)域擴展，環(huán)渤海地區(qū)以及部分二線城市超高層建筑發(fā)展迅速。2)隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，巨型框架和巨型支撐應(yīng)用較多，鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)在超高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。3)超高層建筑土建工程造價約占建安造價的30%～40%，隨著塔樓高度的增加，土建造價將有所提高。4)將合適的空氣動力學(xué)優(yōu)化方法，在超高層建筑中通過具體的建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)，可以同時達到減小建筑的風(fēng)致響應(yīng)與保證建筑形態(tài)優(yōu)美的目的。5)結(jié)構(gòu)高度越高，長周期振型越多;超高層建筑總動力響應(yīng)中，長周期模態(tài)的基底剪力占結(jié)構(gòu)地震總響應(yīng)的50%以上;長周期模態(tài)的傾覆力矩占地震總響應(yīng)的90%以上。長周期地震作用對超高層建筑結(jié)構(gòu)影響顯著。6)耗能減震技術(shù)可有效降低結(jié)構(gòu)的地震作用響應(yīng)，提高超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，是未來超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展方向。

作者：丁潔民吳宏磊趙昕工作單位：同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司