超高層建筑結(jié)構(gòu)

1/1超高層建筑結(jié)構(gòu)這兩天有幸聽了汪大綏總工關(guān)于國內(nèi)幾個超高層建筑方面的講座。

汪總工是國內(nèi)知名的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計大師。

在聽講的過程中，感覺汪總工為人和藹可親，治學(xué)嚴謹，結(jié)構(gòu)概念十分清晰，特別是對于工程上出現(xiàn)的難題的把握和解決能力十分令我欽佩。

他的講座開闊了我的眼界，使我受益匪淺。

趁熱打鐵，草草整理了些筆記寫出來。

汪總工主要介紹了四個工程項目：

2010年上海世博園建筑；上海環(huán)球金融中心；CCTV新臺址；天津津塔。

I、上海世博園上海世博會將于2010年5月1日～10月31日舉行。

作為一次國際參展的盛會，世博園建筑群是非常具有創(chuàng)新性和代表性的。

現(xiàn)在大部分建筑都在緊張而有序地施工中。

世博園建筑群中大部分都作為臨時性建筑，會展結(jié)束后將拆除；而作為永久性建筑的只有一軸四館，即：

世博軸、主題館、中國館、世博中心、演藝中心。

應(yīng)該說作為地區(qū)標(biāo)志性建筑的一軸四館建筑無論從建筑體型還是結(jié)構(gòu)體系來講，都是相當(dāng)前沿和先進的，且富有極強創(chuàng)新性的建筑，融合了一流的建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)，代表了國內(nèi)建筑領(lǐng)域相當(dāng)高的水準。

1主題館：

采用144m跨張弦桁架結(jié)構(gòu)的大跨度屋蓋。

2中國館：

形態(tài)有點類似于一個鼎，上大下小，給人以強烈的視覺沖擊感。

其結(jié)構(gòu)體系采用四個鋼筋砼筒作為主要承重體系，上部懸挑部分采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。

3世博中心：

作為會展中心使用；長度400多米，全鋼結(jié)構(gòu)；值得一提的是在結(jié)構(gòu)中引入了較前沿的防屈曲支撐（BRBS）作為消能減震構(gòu)件來消耗地震時對結(jié)構(gòu)的影響。

4演藝中心：

建筑體型呈飛碟狀，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點之一在于外圍巨大懸挑看臺的處理。

5世博軸：

作為世博會期間人流集散處。

結(jié)構(gòu)為索膜結(jié)構(gòu)，最特別的是陽光谷，呈喇叭開口狀，可以收集雨水，并使陽光透入地下室，故名陽光谷。

其結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工是非常具有難度的：

例如，膜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計算和找形技術(shù)，節(jié)點定位，以及空間方鋼管和節(jié)點的切割（幾千個節(jié)點，沒有兩個是完全一樣的）。

世博主題館中國館施工中的中國館施工中的中國館世博中心施工中的世博中心演藝中心施工中的演藝中心世博軸陽光谷施工中的陽光谷施工中的陽光谷II、上海環(huán)球金融中心1、建筑概況：

492米，地上101層、地下3層。

建筑面積381600m2。

2、結(jié)構(gòu)體系：

主體承重結(jié)構(gòu)由型鋼砼巨型柱、鋼筋砼核心筒、巨型斜撐、外伸桁架、帶狀桁架等組成。

巨型柱采用高含鋼量的型鋼砼巨型柱，分布在結(jié)構(gòu)平面的四角。

核心筒采用分段收進的方式，總共有三段組成。

巨型斜撐分布在巨型柱之間，使結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和抗側(cè)剛度。

帶狀桁架每12層布置一道，外伸桁架主要解決核心筒與外框架之間的協(xié)調(diào)共同工作問題。

在國內(nèi)的高層建筑中首次采用了TMD主動控制技術(shù)（調(diào)頻質(zhì)量阻尼器），大大緩解了強風(fēng)和地震作用帶來的樓層振動。

TMD阻尼器的阻尼比僅僅0.5%，遠小于砼和鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比。

結(jié)構(gòu)的第一階自振周期為7.6s，已超出抗震規(guī)范反應(yīng)譜曲線的最大范圍。

因此，對于這樣一個超高層高柔建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，必然融合了現(xiàn)今結(jié)構(gòu)技術(shù)的許多最先進技術(shù)。

此外，汪總工有一句話非常經(jīng)典：

阻尼是結(jié)構(gòu)的特性，而不是材料的特性。

同樣材料做的結(jié)構(gòu)，矮的和高的阻尼比是不同的。

此外，對風(fēng)荷載和地震作用，今后宜使用不同的阻尼比計算。

[/U]我的理解是，阻尼是結(jié)構(gòu)內(nèi)部耗能機制的一個宏觀體現(xiàn)，有了阻尼，結(jié)構(gòu)的振動才能停止下來。

實際上阻尼是什么誰都說不清楚，只能把這種機制歸結(jié)為阻尼這個東西，因此，阻尼的確應(yīng)該是與結(jié)構(gòu)有關(guān)的一個參數(shù)，但確實是十分復(fù)雜的。

上海環(huán)球金融中心施工中的上海環(huán)球金融中心施工中的上海環(huán)球金融中心III、CCTV新臺址關(guān)于備受爭議的CCTV新樓，我以前也做過一些探討，但由于沒有深入研究過其建筑和結(jié)構(gòu)方案，理解不免膚淺和偏頗。

汪總工是CCTV新樓中方結(jié)構(gòu)設(shè)計（華東設(shè)計院）的總工程師，因此他的講解是最權(quán)威的。

聽完報告，雖然沒有完全領(lǐng)會，但我對CCTV新樓有了許多新的認識。

1、建筑幾何體型：

CCTV新樓外表看似不規(guī)則，其實從建筑體型上它是由一個標(biāo)準的四棱錐被切割和貫穿而形成，兩個塔樓的傾斜實際上是由四棱錐的斜邊而形成的。

2、結(jié)構(gòu)體系：

屬于帶斜撐的框筒結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)構(gòu)件為外部的帶斜撐框架，內(nèi)部電梯間的核心筒實際上是由鋼框架組成，設(shè)計上并不承擔(dān)水平荷載。

外框柱多為含鋼量較高的型鋼砼柱。

外部斜撐的布置也不是均勻的，根據(jù)應(yīng)力分析和優(yōu)化，在應(yīng)力大的部位加密網(wǎng)格，即加密斜撐。

此外，一個斜撐跨越兩個樓層，中間的那個樓層作為次結(jié)構(gòu)，不參與結(jié)構(gòu)整體剛度。

3、結(jié)構(gòu)的動力特性：

第一階自振周期為3.82s，前兩階振型為平動為主，第三階帶扭轉(zhuǎn)。

200多米高的建筑，而T1=3.82s，應(yīng)該說這個結(jié)構(gòu)的剛度是非常大的，其主要原因就在于外部斜撐對結(jié)構(gòu)的巨大剛度貢獻。

4、振動臺試驗：

達到了抵抗9度半罕遇地震的水準，僅局部構(gòu)件發(fā)生損傷。

應(yīng)該說，這個結(jié)構(gòu)方案還是有相當(dāng)?shù)目拐鹉芰Φ?，特別是斜撐的加入對提高結(jié)構(gòu)整體性提供了很大的貢獻。

5、構(gòu)件節(jié)點性能研究：

例如高含鋼率SRC柱的試驗研究（同濟大學(xué)完成），蝶形節(jié)點受力試驗（清華大學(xué)完成），通過試驗得到了關(guān)于這些新式構(gòu)件的許多有意義的結(jié)論。

6、工程施工難點：

汪總工介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計以及施工中的一些難題和處理方案。

例如，施工方案中創(chuàng)新性地提出了施工荷載上下限、延遲構(gòu)件的概念等等。

CCTV新址-塔樓施工頂部懸臂段合攏施工懸臂段合攏IV、天津津塔這個超高層建筑在結(jié)構(gòu)上最大的特點就是使用了鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系（簡稱SPSW）。

我們知道剪力墻一般都使用鋼筋砼澆筑而成，而鋼板剪力墻顧名思義就是使用鋼板作為剪力墻，來抵抗水平荷載。

天津津塔主體結(jié)構(gòu)體系由核心筒（鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)）+外框架+外伸桁架組成。

豎向荷載由框架承擔(dān)，而鋼板剪力墻僅抵抗水平荷載。

這是由于鋼板較薄，在豎向荷載作用下容易失穩(wěn)。

結(jié)構(gòu)計算使用結(jié)構(gòu)分析軟件ETABS和Midas計算校核。

此外，為了解決鋼板在施工過程中豎向荷載作用下容易引起失穩(wěn)的工程難題，汪總工創(chuàng)新性地提出了帶豎肋的鋼板剪力墻，并在清華大學(xué)進行了試驗，取得了非常理想的效果。

試驗結(jié)果表面，帶肋的鋼板較不帶肋的鋼板，具有穩(wěn)定性強，結(jié)構(gòu)滯回耗能能力強，極限穩(wěn)定承載力高等優(yōu)點。

這個創(chuàng)造性的成果，得到了美國專家的稱贊和好評，聽說有可能要引入到美國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中呢。

天津津塔（鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)）總結(jié)：

[/B]汪總工不愧是結(jié)構(gòu)設(shè)計大師。

對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工程難題都能給出非常好的解決方案，十分領(lǐng)我欽佩。

自己也有幾點體會，作為小結(jié)：

（1）結(jié)構(gòu)新技術(shù)：

現(xiàn)今結(jié)構(gòu)設(shè)計也是與時俱進的，上海世博園建筑、環(huán)球金融中心、天津津塔等地標(biāo)性建筑，都融合了現(xiàn)今世界上的眾多結(jié)構(gòu)新技術(shù)、新成果，例如BRBS(防屈曲支撐)、TMD(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)、SPSW(鋼板剪力墻)等等。

隨著這些新技術(shù)的出現(xiàn)，建筑這個傳統(tǒng)行業(yè)也在走向飛躍。

（2）工程難題：

應(yīng)該說任何一個復(fù)雜工程都是有其相伴隨的工程難點的。

這些難題的解決，需要結(jié)構(gòu)工程師的智慧、努力和創(chuàng)造性工作。

汪總工作為結(jié)構(gòu)大師，與一般結(jié)構(gòu)師相比的過人之處就在于對工程難題的把握解決和創(chuàng)新能力。

（例如在SPSW中創(chuàng)造性地提出了帶肋的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)）。

（3）分析軟件：

在汪總工介紹的幾個工程中，實際上大量計算工作都要依靠軟件來完成。

用汪總工的話說：

沒有計算機，很多東西都根本不可能完成。

涉及的幾個工程中，結(jié)構(gòu)整體分析軟件主要有：

ETABS、Midas等；細部分析（如CCTV新樓蝶形節(jié)點受力分析、天津津塔鋼板剪力墻屈曲分析等）主要使用ANSYS或ABAQUS等完成。

的確，結(jié)構(gòu)工程已邁入軟