我國(guó)超高層建筑分析

1、 我國(guó)超高層建筑發(fā)展分析 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 日 期： 摘要：近年來(lái)，我國(guó)超高層建筑發(fā)展迅速，本文對(duì)我國(guó)超高層建筑的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展新特點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，并闡明了超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析中的關(guān)鍵問(wèn)題。關(guān)鍵詞：超高層建筑 結(jié)構(gòu)體系 發(fā)展趨勢(shì) 結(jié)構(gòu)分析0 引言 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超高層建筑逐漸盛行。作為現(xiàn)代城市中的地標(biāo)，超高層建筑已表現(xiàn)出非凡作用，成為國(guó)家、民族以及城市經(jīng)濟(jì)崛起的象征。近幾十年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)建成了一批超高層建筑，包括金茂大廈(地上88層，總高度420m)、廣州西塔(地上103層，總高度432m)、上海環(huán)球金融中心(地上101層，總高度492m)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)

2、展，超高層建筑正向著更高的方向邁進(jìn)，比如上海中心(地上124層，總高度632m)、武漢綠地中心(地上125層，總高度606m)、深圳平安國(guó)際金融中心(地上120層，總高度648m)。超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新不僅對(duì)超高層建筑的安全性和經(jīng)濟(jì)性影響較大，而且對(duì)開(kāi)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(shè)計(jì)及建造中的核心技術(shù)。在超高層建筑迅速發(fā)展的同時(shí)，結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)。1 超高層建筑的界定所謂的高層建筑、超高層建筑有其歷史的局限性，隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，其定義會(huì)隨之發(fā)生變化。因此，高層建筑是一個(gè)相對(duì)而言的概念，至今尚未有統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)，在不同國(guó)家、不同時(shí)期規(guī)定也不一樣：

3、美國(guó)，把2225米以上或7層以上的一般房屋，10層以上的住宅定義為高層建筑；英國(guó)，把24.3米(約80英尺)以上的房屋定義為高層建筑；法國(guó)，把50米以上的居住建筑，28米以上的其它建筑定義為高層建筑；日本，把8層或31米以上的房屋定義為高層建筑，把30層以上的旅游、辦公建筑和20層以上的住宅建筑定義為超高層建筑；前蘇聯(lián)，把1116層以上的住宅定義為中高層住宅，16層以上的建筑定義為高層建筑。在我國(guó)，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(GBJ45-82)規(guī)定：10層及10層以上住宅和建筑高度超過(guò)24米的其它民用建筑為高層建筑；鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(JGJ3-91)規(guī)定：8層及8層以上的建筑為高層

4、建筑；住宅建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ96-86)規(guī)定：79層的住宅為中高層住宅，1030層住宅為高層住宅。根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織所屬世界高層建筑委員會(huì)建議，一般將高層建筑劃分為四類：一類高層建筑：916層，高度不超過(guò)50米；二類高層建筑：1725層，高度不超過(guò)75米；三類高層建筑：2640層，高度不超過(guò)100米；四類高層建筑：40層以上，高度超過(guò)100米。因此，在我國(guó)一般將8層(包括8層)以上的房屋建筑定義為高層建筑，將高度超過(guò)100米以上的房屋建筑定義為超高層建筑。2 超高層建筑的優(yōu)越性分析超高層建筑作為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)建筑業(yè)發(fā)展的一大主流,是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的標(biāo)志,它正在不斷的改變著城市的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)與城市景觀，

5、它的高速發(fā)展有其歷史的必然性和積極意義。首先，超高層建筑的建設(shè)是以高科技、新材料為背景，它推動(dòng)人類科技水平的不斷提高、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)、新型建筑材料的不斷出現(xiàn)、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步。如中華第一高樓即世界第三高樓上海金茂大廈，作為一項(xiàng)國(guó)家級(jí)乃至國(guó)際級(jí)建筑科技的大展示，金茂大廈的落成不僅為申城創(chuàng)造出了又一杰出的標(biāo)志性建筑，而更重要的是由其樹(shù)立的建筑典范為中國(guó)建筑史翻開(kāi)了新的一頁(yè)。其次，高層建筑和超高層建筑可以緩解大、中城市用地緊張的矛盾，用有限的“黃金地段”發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。建筑界有關(guān)人士認(rèn)為:在地價(jià)昂貴的區(qū)域，建高層有利于平衡地價(jià)。第三，高層建筑尤其是超高層建筑可以創(chuàng)造旅游景點(diǎn)和人文景觀。如上

6、海雖然沒(méi)有名山大川，但這幾年興建的金茂大廈、東方明珠電視塔等標(biāo)志性建筑創(chuàng)造了壯觀的都市景色，使中外登高旅游者心曠神怡。因此登樓觀光成了上海一個(gè)特色旅游項(xiàng)目。整座金茂大廈由主樓與裙房構(gòu)成，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去其主樓像一支筆，裙房則恰如一本翻開(kāi)的書，在距地面341米的全上海最高的觀光層上，往西看是東方明珠電視塔的三顆紅珠子，黃浦江像一根白絲帶，外灘建筑群更像是一組精雕細(xì)刻的縮微圖。據(jù)介紹，金茂大廈每天接待參觀學(xué)習(xí)、旅游觀光等約10萬(wàn)人次以上，且上海每年還在此舉行一次大型登高比賽。3 我國(guó)超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀3.1 建筑高度截至2012年底，我國(guó)共建成高度超過(guò)250m的超高層建筑94幢，其高度分布比例如圖1所示。

7、高度250300m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(jì)18幢，約占總數(shù)的20%。這一階段國(guó)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(guó)計(jì)劃建成高度250m以上的超高層建筑共計(jì)164幢，如圖2所示。與圖1相比，高度300400m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(lái)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。

8、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。圖1 我國(guó)已建成的超高層建筑高度統(tǒng)計(jì)（截止2012年底，共94幢）圖2 我國(guó)計(jì)劃建成的超高層建筑高度統(tǒng)計(jì)（2013-2018年底，共164幢）3.2 分布地區(qū)截至2012年底，我國(guó)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(jiàn)，超高層建筑主要集中在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的珠三角和長(zhǎng)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(guó)計(jì)劃建設(shè)高度250m以上的超高層建筑分布如圖4所示，可見(jiàn)，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

9、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。圖3 我國(guó)已建成超高層建筑分布（截止2012年底）圖4 我國(guó)計(jì)劃建設(shè)的超高層建筑分布（2013-2018年）4 超高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展新特點(diǎn)4.1 結(jié)構(gòu)體系 高度超過(guò) 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?？蚣?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

10、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(jìn)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(qiáng)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

11、，使框架底部剪力和彎矩明顯提高。4.2 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(qiáng)度高、自質(zhì)量輕!抗震性能好，施工速度快，但由于造價(jià)較高!防火性能差等問(wèn)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(qiáng)、用鋼量少，取材方便，維護(hù)成本低，加之混凝土和鋼筋強(qiáng)度等級(jí)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(wèn)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(diǎn)。5 超高層建筑結(jié)構(gòu)分析進(jìn)展5.1 抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 隨著建筑高度不斷增加，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度趨于

12、變?nèi)帷⒆枘峤档?，結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)中一個(gè)重要的控制因素。建筑形態(tài)的空氣動(dòng)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(jià)。超高層建筑的空氣動(dòng)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。5.1.1 選擇合適的平面形狀一般的高層建筑采用矩形平面，但對(duì)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(duì)橫向作用力的敏感性沒(méi)有矩形平面強(qiáng)。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。角部修正改變剪切層的流動(dòng)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

13、動(dòng)升力。5.1.2 沿高度變化調(diào)整截面沿高度變化調(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(jìn)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(jìn)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，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(duì)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(shí)，平面形狀的改變，擾亂脈動(dòng)風(fēng)荷載沿高度的相關(guān)性，削弱疊加效應(yīng)，從而達(dá)到減弱風(fēng)致響應(yīng)的目的。5.1.3 改變局部形態(tài)改變局部形態(tài)的優(yōu)化方法通常是在

14、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(kāi)洞、附加擾流翼、以及使塔冠形態(tài)復(fù)雜化。5.2 長(zhǎng)周期地震作用研究超高層建筑的長(zhǎng)周期特點(diǎn)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有必要考慮不同長(zhǎng)周期地震運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。受模擬式強(qiáng)震儀頻率特性的限制，長(zhǎng)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(zhǎng)周期定義為大于3s。對(duì)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(dòng)力響應(yīng)的主要成分，針對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)周期效應(yīng)，以3個(gè)超高層結(jié)構(gòu)作為算例進(jìn)行分析，研究長(zhǎng)周期效應(yīng)對(duì)超高層抗震設(shè)計(jì)的影響。5.3 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(jī)能，在地

15、震作用下吸收地震能量，進(jìn)而實(shí)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(guò)依靠速度產(chǎn)生的內(nèi)力吸收能量。6 結(jié)論1) 超高層建筑數(shù)量不斷增加，分布地區(qū)由長(zhǎng)三角、珠三角地區(qū)向全國(guó)其他區(qū)域擴(kuò)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(jià)約占建安造價(jià)30%-40%，隨著塔樓高度的增加，土建造價(jià)將有所提高。4) 將合適的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化方法，在超高層建筑中通過(guò)具體的建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以同時(shí)達(dá)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(zhǎng)周期振型越多; 超高層建筑總動(dòng)力響應(yīng)中，長(zhǎng)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(zhǎng)周期模態(tài)的傾覆力矩占地震總響應(yīng)