發布時間：2021-02-24所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 我國 250 m 以上超高層建筑數量日益增加，超高層建筑由長三角、珠三角地區逐漸向全國其他區域擴展，其中環渤海地區以及部分二線城市中超高層建筑發展迅速。對不同高度的超高層建筑，其常用的結構體系為: 框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒和
摘要: 我國 250 m 以上超高層建筑數量日益增加，超高層建筑由長三角、珠三角地區逐漸向全國其他區域擴展，其中環渤海地區以及部分二線城市中超高層建筑發展迅速。對不同高度的超高層建筑，其常用的結構體系為: 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-巨型支撐結構。分析表明: 隨著結構高度的增加，巨型框架和巨型支撐應用較多，混合結構在超高層建筑結構中廣泛應用。通過實際工程造價分析，研究了建筑高度、抗震設防烈度、結構材料對超高層建筑工程造價的影響。分別從超高層建筑形態空氣動力學優化和長周期響應方面，闡明了超高層建筑結構分析、設計中的關鍵問題。采用黏滯阻尼器可有效降低超高層建筑結構地震響應，對黏滯阻尼器在實際超高層建筑中的應用現狀及發展前景進行了簡要介紹。
關鍵詞: 超高層建筑結構; 結構體系; 抗風設計; 長周期地震作用; 耗能減震
0 引言
近幾十年來，我國陸續建成了一批超高層建筑，包括金茂大廈( 地上 88 層，總高度 420 m) 、廣州西塔 ( 地上 103 層，總高度 432 m) 、上海環球金融中心( 地上 101 層，總高度 492 m) 。隨著社會經濟的發展，超高層建筑正向著更高的方向邁進，比如上海中心( 地上 124 層，總高度 632 m) 、武漢綠地中心( 地上 125 層，總高度 606 m) 、深圳平安國際金融中心( 地上 120 層，總高度 648 m) 。超高層建筑的結構體系的創新不僅對超高層建筑的安全性和經濟性影響較大，而且對開拓建筑空間形式和使用功能具有重要作用，是超高層建筑設計及建造中的核心技術。在超高層建筑迅速發展的同時，結構的分析和設計面臨新的挑戰。
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鑒于此，本文針對不同高度的高層建筑，分析各種結構體系的適用性; 研究超高層建筑工程造價的影響因素; 探討超高層建筑抗風優化設計和長周期地震響應分析中的關鍵問題; 介紹耗能減震新技術在超高層建筑結構抗震設計中的應用。
1 我國超高層建筑發展現狀
1. 1 建筑高度
截至 2012 年底，我國共建成高度超過 250 m 的超高層建筑 94 幢，其高度分布比例如圖 1 所示。高度 250 ～ 300 m 的超高層建筑數量最多，約占建筑總數的 59% ; 高度 500 m 以上超高層建筑僅 1 幢; 港澳地區超高層建筑共計 18 幢，約占總數的 20% 。這一階段國內典型超高層建筑，有上海環球金融中心( 高度 492 m) 和深圳京基金融中心( 高度 442 m) 。
2013—2018 年，我國計劃建成高度 250 m 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 ～ 400 m 的超高層建筑數量顯著增多，約占總數的 43% 。港澳地區超高層建筑共 2 幢，約占總數的 1. 2% 。
除超高層建筑數量增多外，超高層建筑的高度近年來不斷增加。高度 500 m 以上的超高層建筑增多，部分建筑高度已突破 600 m。如上海中心大廈，總高度 632 m。建成之后將與高度 420 m 的金茂大廈、492 m 的環球金融中心共同構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 648 m。
1. 2 分布地區
截至 2012 年底，我國已建成高度 250 m 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濟較發達的珠三角和長三角地區; 主要城市包括上海、香港、廣州和深圳。
2013—2018 年，我國計劃建設高度 250 m 以上的超高層建筑分布如圖 4 所示，可見，超高層建筑分布區域明顯增加，其中環渤海地區將成為超高層建筑的集中地，二線城市的超高層建筑數量亦顯著增加。
2 超高層建筑結構發展新特點
2. 1 結構體系
高度超過 250 m 的超高層建筑結構，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 種結構體系，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 ～ 400 m 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 300 m 以上的超高層建筑。
框架-核心筒結構是目前高層及超高層結構中應用最廣泛的結構形式之一。核心筒除了四周的剪力墻外，內部還有樓梯間、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，增大結構抗傾覆力矩的能力，在核心筒和框架柱之間設置水平伸臂構件。伸臂桁架使一側框架柱受壓、另一側框架柱受拉，減小結構的側移和伸臂構件所在樓層以下核心筒的彎矩。為了進一步增大結構的剛度，使周邊的框架柱都參與抗傾覆力矩，在設置伸臂構件的樓層設置周邊環帶構件。設置加強層后，框架-核心筒結構的建造高度與筒中筒結構的建造高度接近。
巨型框架-核心筒-巨型支撐結構具有多道抗震防線。設置巨型支撐可提高結構抗側剛度，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( 圖 6) 塔樓抗側力體系為巨型框架-核心筒-外伸臂結構體系[1]。在 8 個機電層區布置 6 道兩層高的外伸臂桁架和 8 道箱形空間環形桁架。由箱形空間環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( 圖 7) ，采用巨型斜撐框架-核心筒-外伸臂體系。結構設置了 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，改善結構的承載性能，增加了承載冗余度和結構抗側剛度。7 道空間雙桁架均勻布置于每區避難/機電層，用于連接巨柱，將結構的外圍形成巨型框架，承擔大部分由側向力引起的傾覆力矩[2]。
2. 2 結構材料
超高層建筑所采用的材料可分為三類: 鋼結構、混凝土結構和鋼-混凝土混合結構。鋼結構強度高、自質量輕、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，限制了鋼結構在高層建筑中的廣泛應用。混凝土結構可塑性強、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，促使混凝土結構在超高層建筑建造中得到廣泛應用。然而，混凝土結構存在自質量大、結構構件尺寸較大等問題。鋼-混凝土混合結構是將鋼與混凝土組合而成的結構類型，可有效發揮鋼與混凝土自身的優點。
圖 8 為我國高度 250 m 以上超高層建筑結構體系材料的使用情況，由圖可見，我國超高層建筑結構中，鋼-混凝土混合結構占 98. 4% 。如上海環球金融中心及金茂大廈內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]; 正在建設中的天津 117 大廈，外框采用鋼管混凝土柱，核心筒在底部區域采用鋼板混凝土剪力墻結構。
2. 3 建筑經濟性分析
超高層建筑結構工程造價的影響因素主要包括: 建筑造型與平面布置、建筑物所在地區的抗震設防烈度和風荷載、結構體系選型和材料等方面。
圖 9 統計了上海( 抗震設防烈度 7 度) 、鄭州( 抗震設防烈度 7 度，0. 15g) 及蘭州( 抗震設防烈度 8 度) 地區 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、結構材料、抗震設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 250 m) 、鄭 州 綠 地 廣 場 ( 高 度 283 m) [5]、蘭州鴻運金茂( 高度 250 m) [6]、上海嘉里中心( 高度 260 m) 、上海會德豐( 高度 280 m) 、上海恒隆廣場( 高度 280 m) 和上海中心大廈( 高度 632 m) 。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-核心筒結構，其余為 SRC 外框-鋼筋混凝土核心筒結構。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) 混合結構造價高于鋼筋混凝土結構; 3) 抗震設防烈度增加，工程造價隨之增加; 4) 高度 250 ～ 300 m 的超高層建筑，土建工程造價約占建安造價的 30% ～ 35% ，當高度超過 600 m 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 超高層建筑結構分析進展
3. 1 抗風優化設計研
隨著建筑高度不斷增加，結構抗側剛度趨于變柔、阻尼降低，結構對風作用更加敏感，因此，建筑形態成為超高層建筑結構設計中一個重要的控制因素。建筑形態的空氣動力學優化，減小結構風荷載和控制建筑舒適度，從而降低結構造價。超高層建筑的空氣動力學優化主要體現在平面、立面和局部形態等方面[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構抗風。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 沿高度變化調整平面
沿高度變化調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( 圖 12 [8]) ，平面寬度隨建筑高度的增加而減小，產生渦激共振的臨界風速也減小。而邊界層內的風剖面表明[8]，風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生改變。不同的平面形狀對應著不同的斯脫羅哈數，這將影響渦激共振產生的臨界風速。同時，平面形狀的改變，擾亂脈動風荷載沿高度的相關性，削弱疊加效應，從而達到減弱風致響應的目的。
3. 1. 3 改變局部形態
改變局部形態的優化方法通常是在前兩類方法的基礎上使用。該方法具體可分為建筑附加開洞、附加擾流翼、以及使塔冠形態復雜化[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構設計的重點。在超高層建筑結構設計中，有必要考慮不同長周期地震運動參數的影響。受模擬式強震儀頻率特性的限制，長周期地震記錄數量較少或者欠精確，準確的記錄往往集中在 3 s 以內。因此，本文的長周期定義為大于 3 s。
對超高層建筑，由于高 寬 比 較 大，自 振 頻 率 較低，結構低階自振頻率的響應構成結構動力響應的主要成分，針對結構的長周期效應，以 3 個超高層結構作為算例進行分析，研究長周期效應對超高層抗震設計的影響。
工 程 概 況: 上 海 中 心 大 廈 ( 模 型 A) 高 度 為 632 m，124 層，采用巨型框架-核心筒-環帶桁架-伸臂桁架結構體系，包括 12 根巨柱，8 道環帶桁架，6 道伸臂桁架和內含鋼骨的核心筒剪力墻[1]。長沙國際金融中心( 模型 B) 高 452 m，采用框架-核心筒-環帶桁架-伸臂桁架結構體系，包括 20 根框架柱，5 道環帶桁架，2 道伸臂桁架和內含鋼骨的核心筒剪力墻[9]。鄭州綠地廣場( 模型 C) 高度為 283 m，采用框架-核心筒-環帶桁架結構體系[5]。結構模型如圖 13 所示。
采用 ETABS 軟件進行模態分析。結構沿 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 3 s) ，結構越高，長周期振型越多。
采用設計地震反應譜法對對上述 3 個結構模型進行地震響應分析。多遇地震設計參數如表2 所示。表 3 給出了 3 個結構模型 X 向地震響應結果。由表 2、3 可見，結構長周期模態的基底剪力占結構地震總響應的 50% 以上; 長周期模態的傾覆力矩占結構總響應的 90% 以上。超高層建筑總動力響應中，長周期響應分量占據了絕大部分。
3. 3 耗能減震技術研究
消能減震結構是在結構上附加衰減機能，在地震作 用下吸收地震能量，進而實現消能減振。消能減震結構所使用的消能部件分為: 利用位移相關性的消能部件和利用速度相關性的消能部件。黏滯阻尼器為速度相關性消能部件，此種消能部件通過依靠速度產生的內力吸收能量。
菲律賓馬尼拉 Saint Francis Shangri-La 雙塔[10]，每個塔樓高 210 m，在加強層處設置 8 個懸臂墻，每個懸臂墻的端部連接處設置 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向荷載作用下的結構響應，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用。通過對比普通剛性伸臂加強層方案與設置粘滯阻尼器的伸臂方案在地震作用下的結構動力響應，分析塑性損傷結果及能量耗散情況，結果表明: 黏滯阻尼器在伸臂桁架結構中的設置可以吸收地震能量，減小結構的地震響應，同時減小核心筒剪力墻的塑性損傷，是提高結構抗震性能的有效方法。
4 結論及展望
1) 超高層建筑數量不斷增加，分布地區由長三角、珠三角地區向全國其他區域擴展，環渤海地區以及部分二線城市超高層建筑發展迅速。
2) 隨著建筑結構高度的增加，巨型框架和巨型支撐應用較多，鋼-混凝土混合結構在超高層建筑結構中應用廣泛。
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優化方法，在超高層建筑中通過具體的建筑與結構設計來實現，可以同時達到減小建筑的風致響應與保證建筑形態優美的目的。
5) 結構高度越高，長周期振型越多; 超高層建筑總動力響應中，長周期模態的基底剪力占結構地震總響應的 50% 以上; 長周期模態的傾覆力矩占地震總響應的 90% 以上。長周期地震作用對超高層建筑結構影響顯著。
6) 耗能減震技術可有效降低結構的地震作用響應，提高超高層建筑結構抗震性能，是未來超高層建筑結構抗震的發展方向。——論文作者：丁潔民，吳宏磊，趙 昕
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