我國超高層建筑結(jié)構(gòu)分析與探討201905

1、我國超高層建筑結(jié)構(gòu)分析與探討丁潔民 吳宏磊 王世玉同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司2019.05匯報內(nèi)容我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀超高層建筑發(fā)展特點超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討結(jié)論及展望一、我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀1.1 建筑高度1.2 分布地區(qū)1.3 小結(jié)一、我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀1.1 建筑高度截至2018年5月底，我國已建成250m以上的超高層建筑共170幢。超高層建筑主要集中在250300m，約占64%。500m以上已建成超高層建筑僅有4幢，分別為上海中心大廈（632m）、平安金融中心（599.1m）、廣州周大福金融中心（533m）、臺北101大

2、廈（508m）。一、我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀1.1 建筑高度截至2018年5月底，我國在建250m以上的超高層建筑共84幢。在建的超高層建筑主要集中于250300m與300400m，分別占48%和36%。500m以上在建超高層建筑有8幢，典型的有武漢綠地中心（636m）、天津高銀117大廈（596.6m），中國尊大廈（528m）、合肥恒大國際金融中心（518m）等。一、我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀1.2 分布地區(qū)250m以上建成超高層建筑250m以上在建超高層建筑我國已建成的超過250m的超高層建筑主要分布于珠三角、長三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，建筑數(shù)量分別占34%和29%。我國正在建的超過250m的超高層建

3、筑在珠三角、長三角地區(qū)分布比例減少，分布明顯向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，西南地區(qū)約占26%，西北地區(qū)約占9%。地區(qū)分布一、我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀1.2 分布地區(qū)250m以上建成超高層建筑250m以上在建超高層建筑我國已建成的超過250m的超高層建筑主要分布于6度及7度（0.1g）地區(qū)，約占77%；7度（0.15g）及以上高烈度地區(qū)數(shù)量約占23%。我國正在建的超過250m的超高層建筑分布仍以6度及7度（0.1g）地區(qū)為主，但8度以上高烈度地區(qū)數(shù)量明顯增加，約占14%。抗震設(shè)防烈度一、我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀1.2 分布地區(qū)250m以上建成超高層建筑250m以上在建超高層建筑我國已建成的超過250m的超高層建筑

4、中，位于風(fēng)壓大于0.5kN/m2的強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的數(shù)量約占總數(shù)的43%。我國正在建的超過250m的超高層建筑中，位于風(fēng)壓大于0.5kN/m2的強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的數(shù)量有所減小，約占總數(shù)的32%?；撅L(fēng)壓一、我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀1.3 小結(jié)截至2018年5月底，我國已建成250m以上超高層建筑共170幢；在建250m以上超高層建筑共84幢；我國已建成的250m以上超高層建筑主要分布于珠三角、長三角等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域；受“一帶一路”政策影響，我國在建的250m以上超高層建筑分布區(qū)域明顯向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，約占35%；對于我國在建的250m以上超高層建筑，位于8度以上高烈度地震區(qū)的建筑數(shù)量明顯增加（約占14%）；位于基本

5、風(fēng)壓大于0.5kN/m2強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的建筑數(shù)量有所減?。s占32%）。二、超高層建筑發(fā)展特點2.1 建筑功能2.2 結(jié)構(gòu)體系2.3 結(jié)構(gòu)材料2.4 小結(jié)二、超高層建筑發(fā)展特點2.1 建筑功能19301940克萊斯勒大廈（319m）帝國大廈（381m）約翰漢考克中心（344m）世貿(mào)中心（417m）19802000吉隆坡石油雙塔（452m）廣州中信廣場（390m）日本Landmark Tower（296m）建筑功能辦公樓為主辦公樓為主辦公樓、酒店21世紀(jì)以前二、超高層建筑發(fā)展特點2.1 建筑功能2000臺北101508m上海環(huán)球金融中心492m迪拜Almas Tower360m美國特朗普國際酒店423

6、m2020沙特國王塔1000m迪拜哈立法塔828m上海中心632m建筑功能綜合體為主20002020中國尊528m平安金融中心599.1m二、超高層建筑發(fā)展特點2.2 結(jié)構(gòu)體系各結(jié)構(gòu)體系在不同高度超高層建筑中的分布250m以上的超高層建筑結(jié)構(gòu)一般主要采用4種結(jié)構(gòu)體系：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?？蚣?核心筒、框筒-核心筒適用于高度250400m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400m以上的超高層建筑。二、超高層建筑發(fā)展特點2.3 結(jié)構(gòu)材料高度250m以上超高層建筑的材料使用情況（1）超高層建筑所采用的材料可分為三

7、類：鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)。（2）超高層建筑采用的材料主要以混合結(jié)構(gòu)為主，約占77%；其次為混凝土結(jié)構(gòu)，約占19%；純鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用最少，約占4%。（3）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)體系，可有效發(fā)揮鋼與混凝土自身優(yōu)點，因此，超高層建筑中，鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。一、我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀2.4 小結(jié)隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，超高層建筑功能逐漸由單一功能為主轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合體形式；我國250m以上超高層建筑結(jié)構(gòu)主要采用4種結(jié)構(gòu)體系：框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒、巨型框架-核心筒-巨型支撐；我國250m以上超高層建筑結(jié)構(gòu)材料主要以鋼、混凝土混合應(yīng)用為主

8、。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.1 氣動優(yōu)化技術(shù)研究3.2 風(fēng)振控制技術(shù)研究3.3 耗能減震技術(shù)研究3.4 高性能材料的應(yīng)用研究3.5 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用研究3.6 小結(jié)三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.1 氣動優(yōu)化技術(shù)研究隨著建筑高度的不斷增加，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度趨于變?nèi)?、阻尼降低，結(jié)構(gòu)對風(fēng)作用更加敏感。通過采用氣動優(yōu)化技術(shù)，可有效減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載響應(yīng)，從而降低結(jié)構(gòu)造價。超高層建筑氣動優(yōu)化技術(shù)改變局部形態(tài)：附加開洞、附加擾流翼、塔冠形態(tài)復(fù)雜化建筑物平面外形優(yōu)化：平面輪廓優(yōu)化、角部修正建筑物立面外形優(yōu)化：錐形化立面、階梯縮進(jìn)平面、隨高度改變平面形狀三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.1 氣動優(yōu)化技術(shù)研究（1

9、）建筑物平面外形優(yōu)化平面輪廓優(yōu)化 對于超高層建筑來說，采用矩形平面往往抗風(fēng)效率低。相較而言，平面為圓形、橢圓形、三角形、Y形、月牙形的建筑，對風(fēng)荷載的敏感性均沒有矩形平面的建筑強(qiáng)。瑪利納大樓（圓形平面）美國鋼鐵大廈（三角形平面）多倫多市長大廳（月牙形平面）三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.1 氣動優(yōu)化技術(shù)研究（1）建筑物平面外形優(yōu)化角部修正角部修正通過改變分離剪切層的特征，促使其再附著，減小尾流寬度，從而有效地降低阻力和脈動升力；同時，角部修正對抑制氣彈不穩(wěn)定性也有效。對建筑平面輪廓的角部修正主要有倒角、削角和圓形化等措施。臺北101大廈（削角+倒角）上海中心大廈（圓弧倒角）三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)

10、計新技術(shù)3.1 氣動優(yōu)化技術(shù)研究（2）建筑物立面外形優(yōu)化錐形化立面、階梯縮進(jìn)平面錐形化立面與階梯縮進(jìn)平面只改變平面比例尺寸，不改變平面形狀。錐形化立面隨高度變化，按一定速度連續(xù)縮小平面的比例尺寸。階梯縮進(jìn)每隔一定高度，縮小一次比例尺寸。金茂大廈（階梯縮進(jìn)）上海環(huán)球金融中心（錐形化+削角）三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.1 氣動優(yōu)化技術(shù)研究（2）建筑物立面外形優(yōu)化隨高度改變平面形狀不同的平面形狀對應(yīng)不同的斯托羅哈數(shù)，影響渦激共振產(chǎn)生的臨界風(fēng)速。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)，從而減弱結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)。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。2

11、1018015012090塔樓外表皮旋轉(zhuǎn)120o（平面形狀隨高度扭轉(zhuǎn)）上海中心大廈三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.1 氣動優(yōu)化技術(shù)研究（3）改變局部形態(tài)附加開洞通過附加開洞改變風(fēng)場環(huán)境。合適的開洞有利于控制建筑物整體的風(fēng)致響應(yīng)，同時使建筑更加美觀。相關(guān)研究表明：開洞位置選在0.8H0.9H時，對減弱橫風(fēng)向風(fēng)荷載最為有效。上海環(huán)球金融中心大連綠地中心武漢綠地中心三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.2 風(fēng)振控制技術(shù)研究超高層建筑風(fēng)振舒適度問題顯著，改善超高層建筑風(fēng)振舒適度的措施有：增大結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、空氣動力學(xué)優(yōu)化、附加減振阻尼系統(tǒng)。常用的附加減振阻尼系統(tǒng)主要包括：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）、調(diào)諧液體阻尼

12、器（TLD）、主動質(zhì)量阻尼器（AMD）、電磁渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（EC-TMD）等主動質(zhì)量阻尼器（AMD）調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）電磁渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（EC-TMD）調(diào)諧液體阻尼器（TLD）三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.2 風(fēng)振控制技術(shù)研究調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是由彈簧或套索、質(zhì)量塊、阻尼器等組成的減振系統(tǒng)，用來調(diào)整系統(tǒng)的固有頻率，使之與主體結(jié)構(gòu)的控制振型形成共振，系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力，抑制主體結(jié)構(gòu)振動。臺北1011個660噸TMD三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.2 風(fēng)振控制技術(shù)研究調(diào)諧液體阻尼器（TLD）調(diào)諧液體阻尼器是利用晃動的液體吸收并耗散結(jié)構(gòu)振動能量的附加阻尼系統(tǒng)。TLD實

13、質(zhì)上是箱體，部分以液體（一般為水）填充并置于結(jié)構(gòu)頂部。通過選擇合適的TLD箱體尺寸和液體深度，可將晃動的頻率“調(diào)諧”至結(jié)構(gòu)的自振頻率。蘇州國際金融中心消防水箱兼做TLD（約590t）大連國貿(mào)中心淺水水箱（TLD）置于大廈頂層三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.2 風(fēng)振控制技術(shù)研究主動質(zhì)量阻尼器（AMD）主動質(zhì)量阻尼器是將結(jié)構(gòu)響應(yīng)的反饋和結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵位置處激勵的前饋，經(jīng)計算機(jī)分析處理后向驅(qū)動器發(fā)送適當(dāng)?shù)南ⅲ瑢T性控制力施加于結(jié)構(gòu)實現(xiàn)振動控制。Floor 902 sets上海環(huán)球金融中心2個300噸AMD300噸阻尼器三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.2 風(fēng)振控制技術(shù)研究電磁渦流式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（EC-

14、TMD）電磁渦流式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器工作原理：永磁體導(dǎo)體板電磁感應(yīng)定律：導(dǎo)體板在磁場中切割磁力線運(yùn)動，會在導(dǎo)體板中產(chǎn)生電動勢，形成電渦流。楞次定律：電渦流產(chǎn)生與原磁場方向相反的新磁場，形成阻礙導(dǎo)體板運(yùn)動的阻尼力。能量守恒原理：機(jī)械能-電能-熱能，形成能量耗散。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.2 風(fēng)振控制技術(shù)研究電磁渦流式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（EC-TMD）上海中心大廈首次將電磁渦流技術(shù)引入到超高層建筑TMD阻尼系統(tǒng)中，有效提高了TMD的工作效率與穩(wěn)定性。電磁渦流式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器將TMD重量由1200噸降低到1000噸，顯著降低了TMD與主結(jié)構(gòu)的造價。塔樓頂部風(fēng)致加速度降低43%，高端酒店舒適度大幅度提高

15、。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.3 耗能減震技術(shù)研究阻尼器分類金屬阻尼器開孔式軟鋼阻尼器（HADAS）屈曲約束耗能支撐（BRB） 黏彈性阻尼器黏滯類阻尼器黏彈性阻尼器（VED）桿式黏滯阻尼器（VFD）黏滯阻尼墻（VDW） 摩擦阻尼器摩擦阻尼器（FD）常用常用位移型阻尼器速度型阻尼器三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.3 耗能減震技術(shù)研究金屬阻尼器金屬阻尼器主要由軟鋼、低屈服點鋼和鉛等材料制成，利用材料屈服時產(chǎn)生的彈塑性滯回變形耗散能量。超高層建筑中常用的金屬阻尼器主要有屈曲約束支撐（BRB）、軟鋼阻尼器；屈曲約束支撐（BRB）軟鋼阻尼器滯回曲線三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)人民日報社報刊綜合業(yè)務(wù)樓

16、建筑高度：180m結(jié)構(gòu)體系：鋼框架-中心支撐（BRB）屈曲約束支撐數(shù)量：890根屈服機(jī)制：屈曲約束支撐在小震下不屈服，保持彈性階段；在中震下部分屈服耗能；在大震下多數(shù)屈服耗能。3.3 耗能減震技術(shù)研究金屬阻尼器三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.3 耗能減震技術(shù)研究金屬阻尼器重慶來福士廣場建筑高度：356m結(jié)構(gòu)體系：巨型框架-核心筒減震技術(shù)：采用組合伸臂系統(tǒng)，在伸臂桁架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用剪切型金屬阻尼器。組合伸臂系統(tǒng)示意三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.3 耗能減震技術(shù)研究黏滯型阻尼器超高層建筑中常用的黏滯型阻尼器有黏滯阻尼器、黏滯阻尼墻等。桿式黏滯阻尼器黏滯型阻尼器黏滯阻尼墻三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3

17、.3 耗能減震技術(shù)研究黏滯型阻尼器 桿式黏滯阻尼器利用活塞與缸筒之間相對運(yùn)動時所產(chǎn)生的壓力差，迫使黏滯流體材料從阻尼孔中通過，從而產(chǎn)生阻尼力，通過黏滯耗能耗散能量。桿式黏滯阻尼器：桿式黏滯阻尼器滯回曲線三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)桿式黏滯阻尼器的應(yīng)用方式：人字支撐對角支撐阻尼伸臂套索支撐3.3 耗能減震技術(shù)研究黏滯型阻尼器三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)墨西哥市長大樓建筑高度：225m結(jié)構(gòu)體系：鋼結(jié)構(gòu)筒中筒（外筒由外框柱和巨型跨層支撐組成的框架支撐筒，內(nèi)筒為鋼框架支撐結(jié)構(gòu)）減震裝置：桿式黏滯阻尼器布置形式：柱間支撐阻尼器數(shù)量：96個3.3 耗能減震技術(shù)研究黏滯型阻尼器三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)山

18、西晉中匯通大廈建筑高度：229.8m結(jié)構(gòu)體系：框架-核心筒減震裝置：桿式黏滯阻尼器布置形式：黏滯阻尼伸臂阻尼器數(shù)量：16個附加阻尼比：3.2%（多遇地震）3.3 耗能減震技術(shù)研究黏滯型阻尼器三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù) 黏滯阻尼墻安裝于結(jié)構(gòu)上下層間，利用結(jié)構(gòu)層間的相對剪切運(yùn)動，使內(nèi)外鋼板之間產(chǎn)生速度梯度引起黏滯材料剪切滯回耗能，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。黏滯阻尼墻：黏滯阻尼墻滯回曲線3.3 耗能減震技術(shù)研究黏滯型阻尼器三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)中國銀聯(lián)運(yùn)營中心建筑高度：150m結(jié)構(gòu)體系：SRC巨柱（14層）+鋼框架（533層）+鋼筋混凝土核心筒減震裝置：黏滯阻尼墻阻尼墻數(shù)量：60片性能目標(biāo)：底

19、部4根巨柱達(dá)到中震彈性3.3 耗能減震技術(shù)研究黏滯型阻尼器三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.4 高性能材料的應(yīng)用研究（1）高強(qiáng)鋼材近些年，隨著鋼材加工工藝的提高，高強(qiáng)鋼（通常指屈服強(qiáng)度不小于390MPa）逐漸被人們重視，越來越多的應(yīng)用于實際工程中。相比于普通強(qiáng)度鋼材，高強(qiáng)鋼具有明顯的優(yōu)勢：高強(qiáng)鋼能減小構(gòu)件尺寸和自重，增大建筑使用空間；高強(qiáng)鋼能降低鋼材用量，減少對資源的消耗；高強(qiáng)鋼能更好地滿足設(shè)計需求。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.4 高性能材料的應(yīng)用研究近年來國內(nèi)典型超高層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼材選材情況：項目名稱截面類型、最大幾何尺寸鋼材型號上海中心型鋼柱，構(gòu)件最大截面53004300Q390G

20、J,Q345GJ中國尊大廈鋼管混凝土巨柱，底部4根面積為60.8m2的異型巨柱Q390GJ,Q345GJ+Z15,Z25上海環(huán)球金融中心型鋼柱，構(gòu)件最大截面2870mm3150mm，最大壁厚130mmA572-GR50,DI-MC460B,SN490,Q345B央視新臺址型鋼柱，構(gòu)件最大截面19001250Q420,Q390廣州新電視塔鋼管柱斜撐，最大截面200070，雙向鉸節(jié)點，板厚140mmQ460GJC,Q390GJC,Q345GJC+Z15,Z25深圳京基大廈鋼管柱27003950，最大壁厚100mmQ420GJC,Q345GJC+25廣東煙草大廈復(fù)合鋼骨柱，截面90070010010

21、0Q420GJC,Q390GJC,Q345GJC+Z15,Z25可見，高強(qiáng)鋼在超高層建筑中的應(yīng)用已越來越廣泛。（1）高強(qiáng)鋼材三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.4 高性能材料的應(yīng)用研究（2）高性能混凝土由于混凝土材料造價較低，來源豐富，且具有良好的可塑性；同時鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)過合理的設(shè)計，可獲得較好的抗震性能，鋼筋混凝土始終是高層及超高層建筑主要建筑材料之一。傳統(tǒng)混凝土材料在超高層建筑中的應(yīng)用也受到一定限制，主要表現(xiàn)在：自重過大，混凝土強(qiáng)度不足；混凝土的豎向運(yùn)輸隨高度增加，難度不斷增加；超高層建筑施工時混凝土振搗困難；高強(qiáng)混凝土延性較差。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.4 高性能材料的應(yīng)用研究泵送

22、混凝土、自密實混凝土纖維混凝土輕型混凝土高強(qiáng)混凝土（2）高性能混凝土 隨著高性能混凝土材料的研制和不斷發(fā)展，混凝土的強(qiáng)度等級、韌性性能和運(yùn)輸?shù)壤щy正在不斷地得到改善。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.4 高性能材料的應(yīng)用研究泵送混凝土、自密實混凝土 流動性好，運(yùn)輸方便，施工簡便，使高層及超高層使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)成為可能。（2）高性能混凝土三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.4 高性能材料的應(yīng)用研究纖維混凝土 具有良好的耐沖擊、耐疲勞、抗爆性能，大大提高了混凝土的延性。（2）高性能混凝土輕型混凝土 有利于結(jié)構(gòu)降低重量，降低下部混凝土強(qiáng)度，有利于建筑高度的提高。混凝土的強(qiáng)度等級和韌性也不斷得到改善。三、

23、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.4 高性能材料的應(yīng)用研究高強(qiáng)混凝土 目前，混凝土的強(qiáng)度等級已經(jīng)可以達(dá)到C100以上，在高層建筑中應(yīng)用高強(qiáng)混凝土可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，減少結(jié)構(gòu)自重。（2）高性能混凝土項目名稱最高混凝土標(biāo)號上海中心C70中國尊大廈C70平安金融中心C70上海新天地禮興酒店C80廣州西塔C90沈陽遠(yuǎn)吉大廈C100國內(nèi)典型超高層高強(qiáng)混凝土的工程應(yīng)用情況三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.5 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用研究超高層建筑設(shè)計具有以下特點：（1）超高層建筑造型趨于復(fù)雜化，給傳統(tǒng)二維設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)；（2）超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計隨建筑方案的改變而不斷調(diào)整，需要不斷重新建模或調(diào)整模型，從而導(dǎo)致工作效率

24、低下；（3）超高層建筑設(shè)備層涉及專業(yè)多，設(shè)備管線復(fù)雜，空間緊張，利用傳統(tǒng)設(shè)計手段，難以協(xié)調(diào)設(shè)備管線與各專業(yè)之間的關(guān)系；（4）超高層建筑鋼構(gòu)件設(shè)計、建造分離，導(dǎo)致構(gòu)件加工精度較低，返工率高，增加建造成本與施工工期。因此，現(xiàn)代超高層建筑設(shè)計需借助數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.5 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用研究（1）基于數(shù)字化技術(shù)的建筑找形+三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.5 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用研究（2）基于數(shù)字化技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計RHINO（建筑）+SAP2000（結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)師隨形而動。根據(jù)建筑師調(diào)整后的形體， 迅速調(diào)整幕墻結(jié)構(gòu)。利用程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)互動。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.5

25、數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用研究（3）基于數(shù)字化技術(shù)的復(fù)雜設(shè)備層協(xié)同設(shè)計復(fù)雜設(shè)備層的結(jié)構(gòu)機(jī)電協(xié)同設(shè)計，大幅降低現(xiàn)場安裝工程的返工率。三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.5 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用研究鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計模型提取構(gòu)件導(dǎo)出加工信息尺寸信息導(dǎo)入加工設(shè)備（4）基于數(shù)字化技術(shù)的鋼構(gòu)件設(shè)計與深化加工數(shù)字化技術(shù)的價值“設(shè)計、建造分離”到“設(shè)計+制造+建造一體化”提高精度與效率，降低成本，壓縮時間三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.5 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用研究上海中心大廈采用數(shù)字化技術(shù)產(chǎn)生價值：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件損耗不超過 2 噸機(jī)電管線減少60%現(xiàn)場制工作量機(jī)電安裝工程減少90%的焊接、膠粘等危險與有毒有害作業(yè)機(jī)電管道制作預(yù)制率達(dá)到7

26、0%三、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計新技術(shù)3.6 小結(jié)超高層建筑氣動優(yōu)化技術(shù)主要包括建筑物平面外形優(yōu)化、建筑物立面外形優(yōu)化、改變局部形態(tài)以及建筑朝向優(yōu)化，設(shè)計時，往往多種優(yōu)化方式混合應(yīng)用，以取得更好的優(yōu)化效果；超高層建筑舒適度控制主要通過附加減振阻尼系統(tǒng)的形式保證，主要包括調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）、調(diào)諧液體阻尼器（TLD）、主動質(zhì)量阻尼器（AMD）、電磁渦流式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（EC-TMD）；耗能減震技術(shù)主要分為位移型阻尼器、速度型阻尼器；在超高層建筑工程應(yīng)用中，主要以金屬阻尼器（BRB、軟鋼阻尼器），黏滯阻尼器（桿式黏滯阻尼器、黏滯阻尼墻）為主；隨著研究的不斷深入，高性能材料不斷被研發(fā)成功并逐漸應(yīng)用與超

27、高層建筑中，比如高強(qiáng)鋼、高性能混凝土；隨著社會的發(fā)展，超高層建筑更加趨于復(fù)雜化，借助數(shù)字化技術(shù)，采用三維設(shè)計手段，保證建筑的順利實施，同時可大幅提高工作效率，保證設(shè)計精度。四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系4.2 控制荷載4.3 構(gòu)件設(shè)計4.4 節(jié)點設(shè)計4.5 經(jīng)濟(jì)性分析4.6 小結(jié)四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系各結(jié)構(gòu)體系在不同高度超高層建筑中的分布我國300m級超高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)體系的組成：由梁、柱組成的框架結(jié)構(gòu)布置在結(jié)構(gòu)周邊，由兩個方向的剪力墻和內(nèi)部隔墻構(gòu)成筒體布置在中間。四、300

28、m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系300m級超高層建筑蘭州鴻運(yùn)金茂綜合體建筑信息內(nèi)容地理位置甘肅蘭州建筑高度285m結(jié)構(gòu)高度279m建筑面積11.2萬m2抗震設(shè)防烈度8度（0.2g）結(jié)構(gòu)體系框架-核心筒加強(qiáng)層布置2道伸臂桁架3道環(huán)帶桁架四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系300m級超高層建筑蘭州鴻運(yùn)金茂綜合體結(jié)構(gòu)體系組成=+結(jié)構(gòu)整體鋼管混凝土外框架混凝土核心筒伸臂桁架+環(huán)帶桁架四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系300m級超高層建筑韓城綠地黃河中心建筑信息內(nèi)容地理位置陜西渭南建筑高度303m結(jié)構(gòu)高度268.6m建筑面積

29、12.2萬m2抗震設(shè)防烈度7度（0.15g）結(jié)構(gòu)體系框架-核心筒加強(qiáng)層布置2道阻尼伸臂1道環(huán)帶桁架四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系300m級超高層建筑韓城綠地黃河中心結(jié)構(gòu)體系組成=+結(jié)構(gòu)整體SRC柱型鋼框架混凝土核心筒阻尼伸臂+環(huán)帶桁架四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系各結(jié)構(gòu)體系在不同高度超高層建筑中的分布我國500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)體系主要為： 巨型框架-核心筒、巨型框架-核心筒-巨型支撐巨型框架結(jié)構(gòu)的組成：（1）巨型柱實腹式鋼骨混凝土柱、鋼管混凝土柱、空間格構(gòu)式柱；（2）巨型梁采用高度在一層以上的平面或空間格構(gòu)式桁架，一般隔若干

30、層才設(shè)置一道。四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系500m級超高層建筑上海中心大廈建筑信息內(nèi)容地理位置上海建筑高度632m結(jié)構(gòu)高度580m建筑面積57.6萬m2抗震設(shè)防烈度7度（0.1g）結(jié)構(gòu)體系巨型框架-核心筒加強(qiáng)層布置6道伸臂桁架8道環(huán)帶桁架四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系500m級超高層建筑上海中心大廈結(jié)構(gòu)體系組成巨型柱環(huán)帶桁架核心筒伸臂桁架伸臂桁架+ 環(huán)帶桁架環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系：巨型框架（巨型柱+環(huán)帶桁架）+核心筒+伸臂桁架四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系500m級超高層建筑中國尊大廈建筑信息內(nèi)容

31、地理位置北京建筑高度528m結(jié)構(gòu)高度522m建筑面積43.7萬m2抗震設(shè)防烈度8度（0.2g）結(jié)構(gòu)體系巨型框架-核心筒-巨型支撐加強(qiáng)層布置8道環(huán)帶桁架四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.1 結(jié)構(gòu)體系500m級超高層建筑中國尊大廈結(jié)構(gòu)體系組成=+結(jié)構(gòu)整體巨型框架+巨型支撐混凝土核心筒四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.2 控制荷載一般情況下，隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載敏感性越強(qiáng)，風(fēng)荷載更可能成為結(jié)構(gòu)水平控制荷載。影響超高層建筑水平控制荷載的因素除建筑高度外，還包括抗震設(shè)防烈度、基本風(fēng)壓、建筑體型等。建筑名稱地理位置建筑高度（m）抗震設(shè)防烈度基本風(fēng)壓（kN/m2

32、）水平控制荷載300m級蘭州鴻運(yùn)金茂綜合體甘肅蘭州2858度（0.20g）0.30地震作用韓城綠地黃河中心陜西渭南3037度（0.15g）0.35地震作用長富金茂大廈廣東深圳304.37度（0.10g）0.75風(fēng)荷載廈門國際中心福建廈門339.887度（0.15g）0.80風(fēng)荷載500m級中國尊大廈北京5288度（0.20g）0.45地震作用天津周大福金融中心天津5307度（0.15g）0.50地震作用平安金融中心廣東深圳599.17度（0.10g）0.75風(fēng)荷載上海中心大廈上海6327度（0.10g）0.55地震作用、風(fēng)荷載武漢綠地中心湖北武漢6366度（0.05g）0.35風(fēng)荷載四、300

33、m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.3 構(gòu)件設(shè)計300m級超高層建筑多采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，框架柱截面面積一般不超過5m2；框架柱截面形式多為CFT柱（一般無需分腔）、SRC柱（一般為十字型鋼骨）；（1）框架柱300m級超高層建筑晉中匯通大廈 229.8m（SRC柱，2.25m2）深圳匯德大廈 260.6m（CFT柱，1.32m2）四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.3 構(gòu)件設(shè)計500m級超高層建筑多采用巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，巨型柱截面面積一般不小于10m2；巨型柱截面形式一般為CFT柱或SRC柱。（1）巨型柱500m級超高層建筑上海中心SRC巨柱（5.3mX3.

34、7m，19.61m2）天津高銀117大廈CFT巨柱（45m2）中國尊大廈CFT巨柱（60.8m2）四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.3 構(gòu)件設(shè)計巨型柱承載力驗算方法主要有三種：規(guī)范計算法、纖維單元法、實體單元法。對于500m級超高層建筑巨型柱承載力的驗算，往往需要采用多種驗算方法相結(jié)合，以保證計算的安全度。上海中心巨型柱驗算采用規(guī)范驗算法與纖維單元法相結(jié)合的方式，從而即保證巨型柱承載力計算的安全度，同時又不會過于保守，節(jié)約造價。巨型柱截面承載力驗算方法巨型柱纖維單元模型（上海中心）承載力驗算（上海中心）（1）巨型柱500m級超高層建筑四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)

35、計探討4.3 構(gòu)件設(shè)計巨型柱計算長度確定500m級超高層建筑巨型柱截面尺寸遠(yuǎn)大于一般框架柱，樓面梁剛度較小，均無法對其形成有效約束。因此，巨型柱計算長度不能簡單取為樓層層高。采用分區(qū)巨型框架模型，通過線彈性屈曲分析，計算巨型柱1階屈曲臨界荷載，再結(jié)合歐拉公式，反推得到計算長度系數(shù)。巨型框架分區(qū)模型1階屈曲模態(tài)線彈性屈曲分析臨界荷載歐拉公式分區(qū)分區(qū)高度/m臨界荷載/ kN計算長度/m計算長度系數(shù)876.656787132.090.42776.6141122531.790.42674.7251134929.740.40574.7231068734.480.46470.2304218234.340.

36、49370.2430945632.690.47265.7687894731.860.48137.82044221421.600.57（1）巨型柱500m級超高層建筑四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.3 構(gòu)件設(shè)計巨型柱延性分析巨型柱實體有限元模型（ABAQUS）混凝土巨型柱鋼骨鋼筋籠500m級超高層建筑巨型柱的延性對保障結(jié)構(gòu)抗震性能至關(guān)重要，設(shè)計時，需對巨型柱進(jìn)行精細(xì)的有限元分析。通過建立精細(xì)的有限元模型，對上海中心巨型柱延性進(jìn)行分析。分析結(jié)構(gòu)表明，巨型柱延性系數(shù)達(dá)到2.81，接近于3.0（常規(guī)混凝土構(gòu)件），巨型柱延性較好。（1）巨型柱500m級超高層建筑四、300m級與500

37、m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.3 構(gòu)件設(shè)計300m級超高層建筑 一般采用鋼筋混凝土剪力墻，必要時設(shè)置適量鋼骨；（2）核心筒剪力墻500m級超高層建筑 由于結(jié)構(gòu)自重和水平荷載較大，且剪力墻抗震性能目標(biāo)提高，鋼筋混凝土剪力墻往往需設(shè)置鋼板，形成鋼板組合剪力墻，以滿足設(shè)計要求。墻肢纖維單元模型鋼板組合剪力墻四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.4 節(jié)點設(shè)計300m級超高層建筑 由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸相對常規(guī)，節(jié)點設(shè)計一般采用相對成熟的節(jié)點做法即可滿足設(shè)計要求，不需要節(jié)點試驗。500m級超高層建筑 由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸趨于巨型化，節(jié)點復(fù)雜，按傳統(tǒng)設(shè)計方法處理節(jié)點無法準(zhǔn)確的反應(yīng)其力學(xué)性能，往往需要進(jìn)

38、行精細(xì)的有限元分析，同時進(jìn)行節(jié)點試驗。 對于500m級超高層建筑，復(fù)雜節(jié)點主要有以下幾類： （1）由于巨型柱尺寸巨大帶來的巨柱分叉節(jié)點； （2）巨型柱與伸臂桁架、環(huán)帶桁架的連接節(jié)點； （3）超長螺栓拼接節(jié)點。四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.4 節(jié)點設(shè)計（1）巨柱分叉節(jié)點（以中國尊大廈為例）巨型柱分叉位置示意巨型柱截面形狀中國尊大廈采用巨型框架-核心筒-巨型支撐結(jié)構(gòu)體系。隨著建筑外形的曲面變化，每個角部的巨柱在結(jié)構(gòu)底部匯交在一起，形成結(jié)構(gòu)底部4根面積為60.8m2的多腔體鋼管混凝土巨型柱。巨型柱分叉節(jié)點設(shè)計步驟：（1）由豎向面板、分腔板以及內(nèi)填混凝土組成分叉節(jié)點的整體骨架，以承擔(dān)主要豎向力；（2）增加水平隔板，為面板、分腔板提供主要的側(cè)向約束；（3）增加豎向加勁肋與水平拉結(jié)筋，進(jìn)一步為面板、分腔板提供約束，滿足寬厚比要求；（4）在各分腔混凝土中增加鋼筋芯柱，以抵抗混凝土自身的收縮、徐變以及溫度應(yīng)力。四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.4 節(jié)點設(shè)計整體混凝土鋼管內(nèi)部加勁肋斜撐及桁架精細(xì)的有限元分析節(jié)點試驗（1）巨柱分叉節(jié)點（以中國尊大廈為例）四、300m級與500m級超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探討4.4 節(jié)點設(shè)計（2）巨柱與伸臂桁架連接節(jié)點（以上海中心大廈為例）巨