【正文】 1 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究 –結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專項(xiàng)課題 前 言 近年來，天津市的城建工作隨著海河開發(fā)和地鐵的建設(shè)工程，尤其的濱海開發(fā)區(qū)戰(zhàn)略的確立，天津市城區(qū)的房地產(chǎn)市場有了非常迅猛的發(fā)展態(tài)式，一大批高檔酒店、高級(jí)公寓、高檔寫字樓及高層住宅紛紛投資開發(fā)，許多國內(nèi)外著名的房地產(chǎn)開發(fā)商涌向津門。與此同時(shí)，也帶來了更多的國內(nèi)外著名的設(shè)計(jì)院和專家。我們天津市建筑設(shè)計(jì)院，作為全國五大設(shè)計(jì)院之一的設(shè)計(jì)單位，面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。開發(fā)商對(duì)我們的設(shè)計(jì)產(chǎn)品提出了嚴(yán)格的要求，同時(shí)也期待我們?cè)禾峁┘夹g(shù)更先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)更合理的建筑， 這使我們深深的感到我們的技術(shù)儲(chǔ)備不足，人才儲(chǔ)備不足。對(duì)先進(jìn)的結(jié)構(gòu)技術(shù)和材料缺乏了解軟件有硬件的不完備。更重要的是意識(shí)的落后，難以適應(yīng)市場的需要。 對(duì)此，我院決定開展五個(gè)專題的研究，盡快吸收國內(nèi)外成功的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)前人的教訓(xùn)。結(jié)合天津市的自然條件，努力追趕國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)水平。同時(shí)在工程實(shí)踐中，發(fā)揮我院原有的技術(shù)優(yōu)勢，和熟悉天津情況的地利人和等優(yōu)勢條件，把我院的設(shè)計(jì)水平提高到一個(gè)新的高度，達(dá)到與我們大院相匹配的設(shè)計(jì)地位。 針對(duì)目前天津市的高層、超高層房地產(chǎn)項(xiàng)目的開發(fā)形勢，我院對(duì)目前已建成的國內(nèi)外的超高層建筑進(jìn)行 總結(jié)分析整理。同時(shí)對(duì)與超高層設(shè)計(jì)密切相關(guān)的風(fēng)洞試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的情況加以搜集，編輯成冊(cè)，供設(shè)計(jì)人員參考使用。 2 二 ． 國內(nèi)外超高層建筑的基本情況 上海環(huán)球金融中心大廈 ： (1)上海環(huán)球金融中心大廈 (Shanghai World Financial Center)位于上海浦東陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)。主樓，地下 3 層；地上 95 層，高 460m；總建筑面積為 179。 104 ㎡。 (2)大廈塔樓，下段采用正方形平面；中段和上段的建筑平面為六邊形，即自第 32 層起，正方形平面的一組對(duì)角，自下而上按弧形曲線漸變地收進(jìn) ，至樓房頂部 460 m高度處，變成很窄的帶狀。 (3)塔樓頂部橫穿樓房的圓形洞口中， 架設(shè)觀光橋廊，并設(shè)置美術(shù)展廳、咖啡廳等，提供了從 400m 高度處眺望上海市及其郊區(qū)美景的休息場所。 圖 1 為大廈模型的外觀。 ： (1)大廈主樓采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)“筒中筒”體系。樓面外圈的筒體采用由型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱構(gòu)成的框筒；樓面核心部位設(shè)置由鋼筋混凝土墻體構(gòu)成的內(nèi)筒；內(nèi)、外筒之間的樓蓋，采用鋼梁及壓型鋼板為底模的現(xiàn)澆混凝土組合樓板。大樓的上、中段結(jié)構(gòu)平面和結(jié)構(gòu)剖面示于圖 2。 3 (2)由于內(nèi) 筒的高寬比值較大，約為 14，為了抑制內(nèi)筒的過大彎曲變形，并使外筒翼緣框架中央各柱更充分地參與抵抗傾覆力矩，在大樓上、中段的各設(shè)備層或避難層，設(shè)置縱、橫向剛性伸臂桁架和沿外框筒周邊的環(huán)向桁架，以加強(qiáng)內(nèi)、外筒之間的連接。 (3)大樓頂部第 90 層以上各樓層 (包括頂端大圓洞部位 )，采用鋼支撐組成的立體構(gòu)架。 (4)為了進(jìn)一步提高外圈型鋼混凝土框筒的構(gòu)件延性和受剪承載力，在框筒子結(jié)構(gòu)中剪力較大的部位增配 X 形鋼筋。型鋼混凝土框筒的立柱和窗裙梁的代表性截面如圖 3 所示。 圖 2 上海環(huán)球金融中心大廈 （ a）大樓上段結(jié)構(gòu)平面；（ b）大樓下段結(jié)構(gòu)平面；（ c）結(jié)構(gòu)剖面 4 圖 3 型鋼混凝土框筒的構(gòu)件代 表性截面 (a)框筒立柱； (b)窗裙梁 (5)根據(jù)地基勘察報(bào)告，采取地面下 80m 深的細(xì)砂層作為大樓的地基持力層；并采取鋼管樁和筏形基礎(chǔ)。 ： (1)按照我國《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 (GB50092020)，上海市區(qū)，重現(xiàn)期為100 年、高度為 10m 處的基本風(fēng)速 v0=；地面粗糙度為 B 類時(shí) (地面粗糙度系數(shù)α =，梯度風(fēng)高度為 350m)，大樓頂部的風(fēng)速為 58m/s。 (2)大廈模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)向以 5 度分級(jí)，自零度 (U 軸方向 )逐級(jí)變化到 90 度 (V 軸方向 )，其中以風(fēng)向?yàn)?40 度時(shí) (圖 4a)，結(jié)構(gòu)底面剪力和傾覆力矩的數(shù)值為最大。據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)底面剪力 V0=14179。 104kN(圖 4b)。 圖 4 根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的基底剪力 (a)最不利風(fēng)向； (b)結(jié)構(gòu)底面水平剪力 5 (3)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，可能引發(fā)大樓共振的臨界風(fēng)速約為設(shè)計(jì)風(fēng)速的 4 倍?？梢源_認(rèn)，在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)，大樓不會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的共振。 (4)為防止風(fēng)荷載作用下引起大樓使用者的風(fēng)振不適感，分別按重現(xiàn)期為 10年、 5 年、 1 年時(shí)大樓頂部風(fēng)速為 48m/s、 44m/s、 37m/s，對(duì)大樓進(jìn)行風(fēng)振加速度驗(yàn)算。 ： (1)結(jié)構(gòu)第一階段抗震設(shè)計(jì)，按 7 度、Ⅳ類場地進(jìn)行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移驗(yàn)算。 (2)第二附段抗震設(shè)計(jì)，考慮下列三種情況地震的影響： ①上海附近的震級(jí)為 的淺源地震； ②上海東方海域的震級(jí) 、震中距離 37km的大地震； ③上海西北 350km處地層斷裂錯(cuò)動(dòng)引發(fā)的震級(jí)為 的特大地震。 ： (1)大樓的自振周期較長，除了在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上確保安全外，還應(yīng)將結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制在不致引起大樓使用者不適感的范疇內(nèi)。 (2)在大樓頂部第 95 層內(nèi)安裝 SSD 阻尼裝置，以減小水平荷載引起的大樓振動(dòng)幅值。 6 京廣中心大廈 筑概況： (1)北京市京廣中心大廈主樓，地下 3 層，基礎(chǔ)埋深為 ；地上 51 層，另有屋頂小塔樓兩層，總高度為 208m。主樓為綜合性多用途建筑，下段為旅館，中段為國公用房，上段為公寓，大樓各段的層高分別為 、 。 (2)主樓平面采取半徑為 1/4 圓面切角后所形成的扇形，基本模數(shù)是將 1/4 圓面向徑向分成 21 等分 (即θ =90176。 /21=176。 )。 (3)主樓的總建筑面積為 萬㎡。按 8 度進(jìn)行抗震設(shè)防。 (1)主樓結(jié)構(gòu)屬框架 墻板體系。主樓的典型層結(jié)構(gòu)平面、墻 板布置平面和結(jié)構(gòu)橫剖面，分別示于圖 8(a)、 (b)和 (c)。圖 (b)中，實(shí)線表示的墻板是自第 6 層布置到第 52 層，虛線所示墻板是自第 6 層布置到第 37 層。 圖 8 北京市京廣中心大廈 (a)典型層結(jié)構(gòu)平面； (b)墻板布置平面； (c)結(jié)構(gòu)橫剖面 (2)主樓，地面以下，采用型鋼混凝土框架和現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗震墻；地面以上，采用鋼框架，并沿中心服務(wù)性豎筒各軸線，在框架內(nèi)嵌置帶豎縫的鋼筋混凝土墻板。 (3)主樓底層至第 6 層，以及第 23 層和第 38 層，因?yàn)閷痈咻^大，預(yù)制墻板太重，乃改用抗推剛度相當(dāng)?shù)匿撝?代換混凝土墻板。 7 北京國貿(mào)中心大廈 ： (1)北京于 1989 年建成的中國國際貿(mào)易中心大廈的主樓，建筑面積為 179。104 ㎡，地面以下峽谷層，采用筏板基礎(chǔ)，埋深為 15m；地面以上， 39 層，高155m?？拐鹪O(shè)防烈度為 8 度。 (2)主樓采用鋼結(jié)構(gòu)筒中筒體系。地下室，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；地面以上1~3 層，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)； 4 層以上，采用全鋼結(jié)構(gòu)。 (3)主樓典型層的結(jié)構(gòu)平面如圖 9(a)所示。典型樓層的層高為 。內(nèi)框筒的平面尺寸為 21m179。 21m，外框筒子為 45m179。 45m；內(nèi)、外框筒的柱距均為 3m。房屋的高寬比 (即外筒的高寬比 )為 ，內(nèi)筒的高寬比為 。 圖 9 北京市中國國際貿(mào)易中心大廈 (a)典型層結(jié)構(gòu)平面； (b)結(jié)構(gòu)剖面 (4)內(nèi)、外筒之間的跨度為 12m 的鋼梁兩端，采用鉸接構(gòu)造分別簡支于內(nèi)筒和外筒的鋼柱上。鋼梁的間距與內(nèi)、外框筒的柱距相同，也是 3m，使鋼梁與內(nèi)、外框筒的各根鋼柱一一對(duì)應(yīng)。 (5)為了進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)體系的抗震能力，在內(nèi)框筒四個(gè)邊的兩個(gè)端跨，各設(shè)置豎向支撐一道 (圖 9b)。此外，還利用第 20 層、 38 層的設(shè)備層和避難層，沿內(nèi)、外框筒周圈各設(shè)置一道高度 的鋼 桁架，形成兩道鋼環(huán)梁，以加強(qiáng)內(nèi)、外框筒的豎向抗剪剛度。 這些支撐和環(huán)梁的設(shè)置，也有利于減小框筒的剪力滯后效應(yīng)，減緩框筒角柱的應(yīng)力集中，提高框筒的整體抗彎能力。 8 大連世界貿(mào)易大廈 ： (1)大連世界貿(mào)易大廈主樓，地下 4 層，埋深 ；地上 51 層，屋面高 202m，建筑總高度為 243m。建筑面積為 10 萬㎡。大廈按 7 度進(jìn)行抗震設(shè)防，建筑場地為Ⅱ類。 (2)主樓采用“鋼 混凝土”混合結(jié)構(gòu)，樓層平面的結(jié)構(gòu)軸線尺寸為 179。，房屋高寬比為 ，典型層結(jié)構(gòu)平面如圖 10 所示。 圖 10 大連世貿(mào)大廈典型層結(jié)構(gòu)平面 ： (1)主樓采用“混凝土芯筒 鋼框架”結(jié)構(gòu)體系，芯筒平面尺寸為 179。，芯筒高度比為 。 (2)為提高結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度，于第 30 層和 45 層，沿芯筒縱、橫墻體，各設(shè)置一道一層樓高的伸臂鋼桁架 (剛臂 )和外圈鋼桁架 (環(huán)梁 )，將外圈鋼柱與芯筒連為一體，參與整體抗彎。圖 11(a)為軸線 ○ E 或 ○ F 的結(jié)構(gòu)縱剖面；圖 11(b)為軸線⑤或 ? 結(jié)構(gòu)橫剖面 。 9 圖 11 大連世貿(mào)大廈結(jié)構(gòu)剖面 (a)縱剖面； (b)橫剖面 (3)每榀伸臂桁架均貫通芯筒，并于芯筒墻體內(nèi)與桁架相交處埋置小鋼柱，與桁架連接，此鋼柱向上、向下各延伸一個(gè)樓層。 10 大連遠(yuǎn)洋大廈 ： (1)大連市于 1998 年建成的大連遠(yuǎn)洋大廈，是一座集商場、酒店、辦公于一體的高層建筑，主樓為酒店，地下四層；地上 48 層，另有屋頂小塔樓 3 層，高201m；副樓為辦公樓，地上 27 層；兩樓之間的裙房，地面以上 6 層。主樓建筑面積為 179。 104 ㎡。 (2)主樓，采用帶小切角的方形平面，底層的建筑平面尺寸為 38m179。 38m。 (3)主樓采用“混凝土芯筒 鋼框架”結(jié)構(gòu)體系。鋼筋混凝土芯筒沿樓面中心的服務(wù)性面積周圍布置，平面尺寸為 179。 ，其高寬比值為 。外圈框架沿樓層平面外邊線向內(nèi)退進(jìn) ，由 16根立柱和各樓蓋邊梁所組成，基本柱距為 8m。典型樓層的結(jié)構(gòu)平面如圖 12 所示。 圖 12 大連遠(yuǎn)洋大廈典型層結(jié)構(gòu)平面 (4)外圈框架，地下 1 層至地上 6 層，采用型鋼混凝土柱和鋼筋混凝土梁； 7層以上，采用鋼柱和鋼梁；但第 7 至第 9 層，鋼柱外側(cè)按構(gòu)造要求包以鋼筋混凝土。主樓外圈框 架的立面如圖 13 所示。 11 (5)主樓 6 層以下的各層樓蓋，以及與之相連的六層裙房各層樓蓋，均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁和板。主樓 6 層以上的各層樓蓋，采用焊接工字形鋼梁和以壓型鋼板為底模的現(xiàn)澆混凝土組合樓板。 (6)為減小主樓側(cè)向剛度的劇變，混凝土芯筒截面厚度的變化，與外圈框架鋼柱截面尺寸的變化，不設(shè)置在同一樓層，而是錯(cuò)開一或兩個(gè)樓層。 圖 13 大連遠(yuǎn)洋大廈軸線⑥、 ?鋼框架立面 12 中保大廈 ，是一幢智能型、多功能、綜合型大廈。主樓，建筑平面采取矩形加兩個(gè)半圓形構(gòu)成；地下 3 層；地上 39 層，高 196m。總建筑面 積約為 6179。 104 ㎡。 “多筒 鋼梁體系”。多個(gè)鋼筋混凝土筒體和框架柱組成的結(jié)構(gòu)主體，平面呈啞鈴狀，承擔(dān)大樓的重力荷載和全部水平荷載。 ，采用直接擱置于角筒上的大跨度鋼桁架來承托。鋼桁架之上為型鋼次梁和以壓型鋼板為底模的組合樓扳。圖 14(a)、 (b)分別為大廈的典型層結(jié)構(gòu)平面和大廈的外觀。 圖 14 中保大廈的多筒 鋼梁體系 (a)典型層結(jié)構(gòu)平面； (b)大廈外觀 、西立面，于第 4 樓層分別設(shè)置一榀一層樓高或兩層樓高、跨度為 (圖 15a)；并從第 6 層至第 30 層，每隔 4 層設(shè)置一榀一層樓高、跨度為 (圖 15b)。為了保證空腹桁架的幾何不變性，桁架的各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成全剛性連接 (對(duì)接剖口熔透焊 )。各榀桁架在鋼筋混凝土筒體上的支座也都設(shè)計(jì)成剛性連接。 ，除考慮重力荷載外，還考慮水平荷載下結(jié)構(gòu)體系整體分析所得層間變形的影響。計(jì)算結(jié)果表明，后者引起的桿件最大附加內(nèi)力約占7%(空腹桁架 )或 16%(帶斜桿桁架 )。溫度變化引起的弦桿附加軸力最大值達(dá) 30%。 13 香港中國銀行大樓 ： (1)香 港于 1989 年建成的新的中國銀行大樓，地面以上 70 層，高 315m，屋頂天線的頂端高度為 368m；底段建筑平面為正方形，底層平面尺寸為 52m179。 52m。 (2)按照貝聿銘建筑師關(guān)于建筑造型的構(gòu)想，大樓底段采取正方形平面，然后沿對(duì)角線方各，將正方形劃分 為形狀為三角形的 4 個(gè)區(qū)，向上分別每隔 21層、 13 層、 13 層，各切去一個(gè)區(qū)，到樓房的頂段，樓層平面變成原面積 1/4 的三角形 (圖 16)。結(jié)構(gòu)上配合采用大型支撐筒體系，將部分斜桿外露。遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，整座大樓宛如幾立在海邊的一座光彩奪目的多棱晶體。 圖 16 香港中國銀行大樓的樓層平面 (a)第 51 層； (b)第 38 層； (