第二章超高層建筑結構體系的選擇(上)

第二章（超）高層建筑結構體形選擇2/5/20231主要內(nèi)容第一節(jié)（超）高層建筑結構設計的控制因素第二節(jié)高層和超高層建筑結構體系第三節(jié)高層和超高層建筑工程實例第四節(jié)高層和超高層建筑結構體系的選擇第五節(jié)超高層建筑的阻尼器問題第六節(jié)結束語2/5/20232風載取值對于一般高層建筑，可按照我國規(guī)范《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2001）。但是，該規(guī)范荷載的規(guī)定是基于低空（8m~12m）風速觀測數(shù)據(jù)以及多層建筑和一般高層建筑的單體模型風洞試驗研究成果以及工程經(jīng)驗，當用于超過200m以上的超高層建筑，可能不大合適。例如，美國SOM（Skidmore,OwingsandMerrill）和LERA（LeslieE.RobertsonAssociate）設計事務所對金茂大廈和上海環(huán)球金融中心的結構設計所采用的風荷遠遠小于我國規(guī)范的計算結果。2/5/20233第一節(jié)（超）高層建筑結構設計的控制因素

1、風荷載

臺北-101的大樓設計，除了參考國內(nèi)規(guī)范，還委托加拿大的RowanWilliamsDavies&IrwinInc.(RWDI)

公司研究大樓的設計荷載，采用風洞試驗確定。以1:500比例制作現(xiàn)場半徑為600m以內(nèi)的風場環(huán)境模輸入以10度為單位風力模擬實際的建筑物受力情況。其中各個角度的風速高度分布特性以1:3000的地形模型中進行邊界層風洞試驗（Boundarylayertunneltest），然后得到大氣邊界層風速分布。結構體的模型采用高頻率力平衡模式(高頻動態(tài)天平測力技術)（High-frequencyforce-balance），結構的基本風壓是由應變計所測到的彎矩，扭力和剪力的分布曲線統(tǒng)計回歸獲得，并且，配合結構動力特性計算結構體的加速度反應。這樣，這些數(shù)據(jù)提供設計單位作為設計風力的依據(jù)。2/5/20234正在施工中的百濟迪拜塔樓，對風荷載進行大量研究和分析工作。例如，風洞試驗，也在加拿大Ontario的邊界層為RWDI’s2.4m×1.9m和4.9m×1.4m的風洞中展開廣泛的風洞試驗研究和其它研究。風洞試驗項目包括剛性模型天平測力試驗(Rigid-modelforcebalancetests)、全氣動彈性模型試驗(fullaeroelasticmodelstudy)、定域壓力測試(localizedpressurestudy)、人行道風環(huán)境研究。試驗時采用的大多是1:500的模型。然而，在人行道風環(huán)境研究(pedestrianwindenvironmentstudies)中采用更大的1:250的模型，目的在于用空氣動力學的方法來分析降低風速。風統(tǒng)計數(shù)據(jù)對于（塔樓的）預測的反應程度和（風）重現(xiàn)期之間建立聯(lián)系起著重要作用。為了確定上層風況(windregime)，廣泛利用地面風數(shù)據(jù)、氣球（探測風）數(shù)據(jù)和區(qū)域性大氣模型方法得到的計算機模擬結果[2]。2/5/202352、地震力地震力的預測，目前尚難準確確定。例如，地震頻繁的日本地區(qū)，對地震已進行許多年的深入研究，地震前也幾乎無法預測何時何地會發(fā)生地震。因此，對待地震應倍加重視。對于地震地區(qū)，除了風力外，必須考慮地震。例如，臺北-101，地處板塊交錯運動頻繁區(qū)域，除了風力，還必須進行地震設計。更重要的是對離建筑場地200m的斷層的深入研究[3]，經(jīng)過多方面的考察與研究，費耗大量人力物力與時間，終于弄請該斷層是非活動斷層，因此，在大樓即將完成的關鍵時刻，遇到臺灣大地震，平安無恙，巍然不動，這是一個寶貴經(jīng)驗。2/5/202363、地基基礎由于風荷載和地震力以及靜荷載，產(chǎn)生的荷載極大，而且一般柱的跨度大，荷載往往達數(shù)萬噸，例如，金茂大廈，總荷載超過3,000,000kN（30萬噸），混凝土巨型柱荷載為101,670kN（1萬余噸）；又如，臺北-101大樓，建筑物總垂直荷載達40萬余噸，因此，對地基基礎的要求高。在上海這樣深厚的軟弱地基，毫無異議，必須采用樁筏或樁箱基礎。臺北-101大樓，利用深度不大的年輕巖基，采用現(xiàn)場澆注樁，深入巖層；而高雄的85層東帝士大樓[4]，巖層在地面100m以下，利用巖層上面的土為常見的層狀沖積土，采用框格式地下連續(xù)墻（Barrette）。新加坡的RaffleCity的72層、42層、32層的高樓群，地層條件好而采用筏板基礎。

2/5/202374、業(yè)主要求業(yè)主的要求，通常就是建筑藝術、功能和經(jīng)濟。有關建筑藝術將在下節(jié)工程實例闡述。上述三個主要控制因素主要依靠結構工程師和巖土工程師，要滿足建筑藝術、功能和經(jīng)濟的要求，有賴于建筑師、結構工程師和巖土工程師的密切配合。此外，施工技術條件和建筑材料等在一定條件下也可能成為一個控制因素。2/5/20238影響結構選型的四要素：風荷載→風洞試驗確定地震力→難以預測地基基礎→樁筏、樁箱配以框格式地下連續(xù)墻業(yè)主要求→建筑藝術、功能和經(jīng)濟2/5/20239第二節(jié)（超）高層建筑結構體系結構型式要滿足哪些要求？主要結構型式與高層建筑層數(shù)。2/5/202310從技術層面講，高層建筑的結構體系要滿足其強度、剛度、抗剪、抗扭能力等方面的要求，并與建筑外型相適應。主要結構型式：框架、框架剪力墻、剪力墻、筒體。

2/5/2023111．框架結構體系。豎柱的面積較小，構件本身占面積不多，形成較大空間，建筑布置靈活，使用面積可以加大，適用于低層建筑。2．剪力墻結構體系。剪力墻結構實際上是把框架結構的承重柱和柱間的填充墻合二為一，成為一個寬而薄的矩形斷面墻。剪力墻承受樓板傳來的垂直荷載和彎矩，還承受風力或地震作用產(chǎn)生的水平力。剪力墻在抗震結構中也稱抗震墻。其強度和剛度都比較高，有一定的延性。結構傳力直接均勻，整體性好，抗震能力也較強。是一個多功能高強結構體系。因此，可適用于15層以上的高層建筑住宅和旅館。中國最高的53層的水景豪宅——世茂濱江花園就是采用剪力墻結構。2/5/2023123．框架-剪力墻結構（簡稱框剪結構）體系?？蚣艚Y構就是在框架結構中設置一些剪力墻。剪力墻可以單片分散布置，也可以集中布置。剪力墻主要用以抵抗水平荷載，而且承受絕大部分水平荷載。其布置是否合理直接影響結構的安全和經(jīng)濟。在我國基本上用以20層以內(nèi)的高層建筑，也有超過20層，例如，29層的上海賓館。2/5/2023134．筒體結構體系筒體結構就是把高層建筑的墻體圍成一個豎向井筒式的封閉結構，結構剛度很大，具有較大的抗剪和抗扭能力，抗震性能也較好。但是，由于核心筒的平面尺寸受到限制，側向剛度有限，高度一般不能超過30~40層。上世紀的60年代開始，發(fā)展成為框筒結構，其平面尺寸比較大，可用于40層以上的結構。隨著高層建筑的發(fā)展，層數(shù)越來越多，尤其是，電梯間的設置，自然形成一種內(nèi)核心筒，發(fā)展成為筒中筒結構體系。2/5/202314筒中筒結構可分為框筒結構、筒中筒結構、三重筒體結構和成束筒結構等。框筒結構。在高層建筑中，利用電梯間等形成的內(nèi)筒體與外墻做成密排柱結合的結構成為單筒結構。實質上，這是框筒結構。例如，實例5——美國52層的獨特貝殼廣場(OneShellPlaza)。筒中筒結構。一般來說，對于40~50層以上的高層建筑，框筒結構難于滿足要求，此時，需要采用剛度很大的筒中筒結構體系，即內(nèi)外筒的雙筒體結構。美國110層的世界貿(mào)易中心是鋼筒中筒結構。而香港52層的康樂中心大廈卻是鋼筋混凝土筒中筒結構。2/5/202315內(nèi)筒與外筒通常采用密肋樓板連接，使每層樓板在平面內(nèi)的剛度非常大，當采用鋼筋混凝土樓板，其跨度可取8m~12m，當采用鋼結構，其跨度可取約15m。加大內(nèi)外筒的間距，不僅對建筑平面布置有利，而且，也加大內(nèi)外筒的受力。因此，筒中筒結構的側向剛度很大，在水平荷載作用下，側向變形小，抵抗水平荷載產(chǎn)生的傾覆彎矩和扭轉力矩的能力強。多筒結構。對于超高層建筑，一般均采用多筒結構體系。三重筒體結構、群筒結構、成束筒結構和組合筒結構。這種結構的剛度特別大，抗震力也特別強。2/5/202316第三節(jié)（超）高層建筑工程實例每一實例的上部結構型式基礎其他特點2/5/202317實例1——上海工業(yè)展覽中心（ShanghaiIndustrialExhibitionCenter）這是一座位于南京西路鬧市區(qū)的1953年建造的展覽館，由前蘇聯(lián)專家設計。中央大廳為框架結構，14層，塔頂最高為91.3m，見圖2-6。大廳采用箱基，兩翼為條形基礎。箱基的尺寸為46.5m×46.5m×7.27m，頂板厚度為0.2m，底板厚度為1.0m，基礎埋深只有50cm，基底壓力為129kPa，附加壓力為120kPa,地基為淤泥質軟土，壓縮性大，在壓縮層范圍內(nèi)平均壓縮模量為2.5MPa（25kg/cm2），限于當時歷史條件，前蘇聯(lián)專家不了解上海的軟土特點，堅持采用埋置深度很淺的箱形基礎。1954年建成尚未投入使用時的沉降已超過1m。在1974年間根據(jù)上海市水文地質二大隊近20年的辛勤勞動獲得的沉降觀測資料，由趙錫宏教授繪制和推算的沉降量為166.6cm，沉降隨時間變化的曲線見圖2-7。現(xiàn)在工程使用良好。2/5/2023182/5/202319實例2——國際飯店（ParkHotel）這是一座位于南京路鬧市區(qū)的1932年建造有大上海之美稱的國際飯店。24層，高83.8m,上部結構為鋼-混凝土結構（SRC），設有旋轉餐廳，見圖2-8。樁筏基礎，基礎面積為1827m2,樁約40m，為地下水位以上的混凝土樁加地下水位以下的38m木樁組成，別具風格，風貌依舊，仍然是當今南京路上的美景。2/5/202320實例4——錦江飯店（JinJiangHotel）錦江飯店位于上?；春Ｖ新芬员?，瑞金路以西，長樂路南側。這是1929年建造。上部結構采用鋼結構，15層，高57m，地基為深厚的淤泥質土，基礎采用30m長的木樁，見圖2-28。當時按照簡易的上部結構與地基基礎共同作用理論設計，地基土承受老八噸（80kPa)，其余由樁承擔，但是，由于施工方偷工減料，把部分樁的下半段砍斷，上世紀70年代下沉約1.5m，現(xiàn)下沉增至近2.0m，經(jīng)裝修后，見圖2-10的b）和c)，至今使用良好。2/5/202321a）建筑立面照片b)裝修后建筑正門(原地面一層下沉到地下室)c)裝修后建筑邊門(原地面一層下沉到地下室)2/5/202322實例5——美國獨特貝殼廣場(OneShellPlaza)獨特貝殼廣場[7]建造于1970年，位于美國休斯敦（Texas.），是一座高217.6m，52層的辦公大樓，是當時最高的鋼筋混凝土大樓。休斯敦的地基在600多m內(nèi)主要是粘土。要求結構體系必須使整個建筑物最為經(jīng)濟，建筑物包括基礎全部采用輕質混凝土。這座大樓的結構體系：上部結構采用鋼筋混凝土筒中筒（見圖2-11和圖2-12），由間距1.83m(6ft)外柱的混凝土框筒和剪力墻的內(nèi)墻筒組成，又見圖2-13。這種體系在當時是剪力墻與框架共同作用結構的發(fā)展。樓板結構采用密肋樓板，見圖2-13，混凝土外框柱外面為玻璃帷幕。這樣，使得整個建筑別有風格，尤為美觀2/5/202323圖2-11筒中筒體系的示意圖圖2-12獨特貝殼廣場平面2/5/202324

圖2-13樓板結構示意圖2-14筏板基礎的剖面基礎采用筏板基礎，見圖2-14。埋深為18.3m，筏厚2.52m，該筏板從大樓的四邊各伸出6.1m，整個筏板的尺寸為70.76m×52.46m。風荷載采用休斯敦地區(qū)的颶風的風力，沿整個建筑物高度作用40lb/ft2(195.3kg/m2)，在風荷載作用下產(chǎn)生的擺動限制在1/600高度。2/5/202325實例6——美國西爾斯大樓（SearsTower）1974年在美國芝加哥建成443m高（加上天線達500m）110層的西爾斯大樓[6]（見圖2-15），成為當時世界最高的建筑，紐約的世界貿(mào)易中心大廈（412m,110層）只能讓位，退居第二。大樓由9個標準方形鋼筒體(22.9m22.9m)組成。該結構由SOM設計，建筑師為BruceGraham,結構工程師為Srinivasa

IyengarandFazlurKahn。建造到52層減少2個筒體，到67層再減少2個筒體，到92層又再減少3個筒體，到頂部變成2個筒體（見圖2-16）。這種獨特結構的確引人入勝。它是多筒結構中的巨型結構，每一個筒體都是單獨筒體，本身具有很好的剛度和強度，能夠單獨工作?；A采用筏基，下面200個沉箱基礎，深入基巖達30m(100feet)。2/5/202326圖2-15西爾斯大樓的立面圖2-16西爾斯大樓各樓段的平面2/5/202327實例7——香港中國銀行大樓（BankofChinaTower）香港中國銀行大樓是一座高369m70層的超高層建筑，1989年建成，名列世界高層的第八高度（見表1-1,圖1-20）。該大樓采用5根型鋼混凝土巨型柱及8片(?)平面支撐組成的巨型支撐結構體系。大樓的底部平面為52m×52m的正方形，以對角線劃分成四個三角形區(qū)，由下往上每格若干層減少一個三角形區(qū)，經(jīng)過三次變化，到上部樓層只保留一個三角形區(qū)直到頂部。這樣，在建筑藝術具有獨特的風格，把建筑結構與建筑藝術相結合。這是按照貝律銘建筑大師的建筑造型的構思產(chǎn)物。在該大樓的四個型鋼混凝土巨型角柱和中間巨型柱承擔大樓的大部分荷載。2/5/202328a)香港中國銀行大樓立面b)香港中國銀行大樓各樓段平面圖2－17香港中國銀行大樓2/5/2023292/5/202330大樓的基礎由多種基礎形式組成[8]，見圖2-18。四個巨型角柱直接由四個巨型沉箱基礎支承。其直徑（擴孔后）分別為7.2m,8.2m,9.5m和10.5m，承受靜活荷載分別為164,000kN,209,00kN,322,000kN和380,000kN。沉箱基礎深入至離地面20余米以下的微風化花崗巖，地基設計強度為5Mpa。此外，大樓的地下室結構由89根鉆孔樁支承，中央剪力墻結構由16根人工挖孔樁支承。為抵抗風力引起上拔力和地下水浮力，人工挖孔樁和大樓周邊地下連續(xù)墻的底部設置77根豎直錨桿深入至離地面20~50m下巖層。2/5/2023312/5/202332基礎特點總結：基礎型式隨基巖面起伏而變化。巨型柱下沉箱基礎剪力墻下挖孔灌注樁人工挖孔樁及周邊地下連續(xù)墻下錨桿。地下連續(xù)墻是否為地下室外墻？2/5/202333實例8——馬來西亞石油大廈（PetronasTwinTower）石油大廈是一座452m高88層的雙塔大樓[9]，位于馬來西亞的吉隆坡（KualaLumpur），1997年建成之日，當時是世界第一高樓（見圖1-12和圖2-19）。這是一座鋼與鋼筋混凝土的混合結構?；旧蠈儆跇藴仕?，與實例金茂大廈的外形類似。連接橋的斜撐在中心圓環(huán)處連接，連接橋鉸接于兩邊。由于這種滑動連接不傳力，使得塔樓能獨立擺動。如圖2－20所示。該大樓采用墻式或連續(xù)墻（Barrette）樁基，樁基平面圖見圖2-21。樁最長可達103.6m(340英尺)但未達到基巖層，截面尺寸為1.22m×2.74m(4英尺×9英尺)的長方形。2/5/202334矩形樁的施工機械2/5/202335圖2-20石油雙塔連接橋2/5/202336

圖2-19石油大廈立面圖圖2-21石油大廈的樁基平面圖2/5/202337實例9——德國商業(yè)銀行大樓（CommerzbanktowerinFrankfurtamMain）德國299m高59層的商業(yè)銀行大樓[建造在美茵河畔（FrankfurtamMain）的商業(yè)中心，直接靠近已有103m高的商業(yè)銀行大樓，見圖1-30和圖2-22。1997年建成的商業(yè)銀行大樓是歐洲最高的大樓，該大樓為鋼框筒結構（SteelFramewithVirendeelFrame），具有剛度大、開敞面積的特殊建筑設計。平面為近似圓角的等三角形（見圖2-23），曲線形的邊長約為60m。在三角形的角端有三個筒體，高度不同，有豎向承重構件。筒體用Virendeel框架，跨長超過40m進行連接。每個筒體有2個巨型柱，平面為7.70m×1.2m;大樓的荷載主要集中在6個巨型柱，占荷載的59%，而3個廳柱和12個內(nèi)柱分別承擔大樓的17%和24%2/5/202338基礎為三角形，筏板厚4.45m，面積為2690m2。筏板下有111根大直徑望遠鏡式的鋼筋混凝土就地灌注樁，長度從37.6m到45.6m。頂部23m范圍內(nèi)直徑為1.8m，逐步降低到下面的直徑為1.5m。地下水位在地面下大約5~6m。樁集中在塔樓三個核心筒下面，很少量在周圍墻下面。樁的布置盡可能靠近大樓柱。樁傳遞大樓上部結構/下部結構通過相當弱的Frankfurt粘土到堅硬的下臥層的Frankfurt石灰石，樁埋置在Frankfurt石灰石中的平均長度為8.8m。當取大樓總荷載為1634MN，則在2690m2面積的基底壓力約60t/m2，平均樁承受14.72MN。2/5/2023392/5/202340實例10——金茂大廈（JinmaoBuilding）金茂大廈[11]位于上海浦東陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，與“東方明珠（OrientalPearl）電視塔”和2008年建成的上海環(huán)球金融中心（高度492m，101層）相鄰。它是一座88層402.5m高綜合性大樓，裙房6層。1998年建成后成為中國建筑第一高，世界第五高的超高層建筑（見圖1-17和圖2-24）。主樓的上部結構采用鋼筋混凝土核心筒與鋼結構外框架結合的混合結構體系。主要由核心筒、外框架、巨型鋼桁架和樓板組成。核心筒的平面八角形，外包尺寸27m×27m。53層以下有井字形內(nèi)墻，分隔成九格；53層以上無中間隔墻，為一個空心鋼筋混凝土筒。外框架在主樓四側各有二根斷面為1.5m×5.0m巨型勁性鋼筋混凝土柱，由框架鋼柱與鋼梁與其相連，形成環(huán)抱核心筒的外框架。巨型鋼桁架是超高層建筑內(nèi)筒與外框之間傳遞水平力與協(xié)調(diào)變形的重要構件，分別設在24~26層、51~53層和85~87層。三道桁架從外框的巨型柱伸入到鋼筋混凝土核心筒內(nèi)壁，形成剛度很大的抗側力體系。2/5/202341主樓的基礎為樁筏基礎（見圖2-25），八角形，相當59.32m59.32m的方形基礎。筏板厚4m，樁基為入土82.5m的直徑914mm鋼管樁，429根。樁位呈八角形分布，樁距有2.7m和3.0m兩種，是典型的群樁。因此，整個大樓和和樁筏基礎是一個共同作用的剛度很大的整體結構。在建筑藝術方面，總建筑師史安鈞（AdrianD.Smith）借鑒中國古塔，取其寶塔神韻，試圖創(chuàng)造一個舉世無雙的建筑形象。的確，金茂大廈的外形很自然令人想起古代中國的塔。2/5/202342

圖2-24金茂大廈的剖面圖圖2-25金茂大廈的基礎平面2/5/202343實例11——高雄東帝士85超高大樓(T&CTower)高雄東帝士大樓[4]是一座347.6m高85層的超高大樓，位于臺灣高雄市，雙翼裙房均為35層，地面以上的建筑面積約為52m×120m，地下室五層。大樓立面見圖2-43。采用三個正方形筒串連（TripleTubeinSeries）結構。把大樓內(nèi)八個10m×10m電梯間的四角型結構視作巨型柱（MegaColumn），作為三個大方形筒體結構的立柱，支撐大樓的大部分荷載，使荷載對稱且較為均布。根據(jù)結構分析，風力控制基礎的荷載。中央有四個電梯間，每間四個角各一立柱，每根柱的靜載約6000t，活載為3000t；兩側有四個電梯間，每個角的柱的靜載約為3600t，活載超過2000t。其余次要柱的靜載在