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　　摘要: 我國 250 m 以上超高層建筑數(shù)量日益增加，超高層建筑由長三角、珠三角地區(qū)逐漸向全國其他區(qū)域擴展，其中環(huán)渤海地區(qū)以及部分二線城市中超高層建筑發(fā)展迅速。對不同高度的超高層建筑，其常用的結(jié)構(gòu)體系為: 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-巨型支撐結(jié)構(gòu)。分析表明: 隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，巨型框架和巨型支撐應(yīng)用較多，混合結(jié)構(gòu)在超高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。通過實際工程造價分析，研究了建筑高度、抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)材料對超高層建筑工程造價的影響。分別從超高層建筑形態(tài)空氣動力學優(yōu)化和長周期響應(yīng)方面，闡明了超高層建筑結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計中的關(guān)鍵問題。采用黏滯阻尼器可有效降低超高層建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，對黏滯阻尼器在實際超高層建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景進行了簡要介紹。

　　關(guān)鍵詞: 超高層建筑結(jié)構(gòu); 結(jié)構(gòu)體系; 抗風設(shè)計; 長周期地震作用; 耗能減震

　　0 引言

　　近幾十年來，我國陸續(xù)建成了一批超高層建筑，包括金茂大廈( 地上 88 層，總高度 420 m) 、廣州西塔 ( 地上 103 層，總高度 432 m) 、上海環(huán)球金融中心( 地上 101 層，總高度 492 m) 。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，超高層建筑正向著更高的方向邁進，比如上海中心( 地上 124 層，總高度 632 m) 、武漢綠地中心( 地上 125 層，總高度 606 m) 、深圳平安國際金融中心( 地上 120 層，總高度 648 m) 。超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新不僅對超高層建筑的安全性和經(jīng)濟性影響較大，而且對開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)計及建造中的核心技術(shù)。在超高層建筑迅速發(fā)展的同時，結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)。

　　相關(guān)期刊推薦：《建筑結(jié)構(gòu)學報》報道和交流建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中代表我國學術(shù)水平的最新研究成果，反映本學科發(fā)展最新動態(tài)和趨勢，推動國內(nèi)外的學術(shù)交流，主要刊登建筑結(jié)構(gòu)、抗震防振、地基基礎(chǔ)等學科的基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用研究和科學實驗技術(shù)的學術(shù)論文，研究報告及最新進展動態(tài)，為我國建筑科學技術(shù)研究的發(fā)展服務(wù)。

　　鑒于此，本文針對不同高度的高層建筑，分析各種結(jié)構(gòu)體系的適用性; 研究超高層建筑工程造價的影響因素; 探討超高層建筑抗風優(yōu)化設(shè)計和長周期地震響應(yīng)分析中的關(guān)鍵問題; 介紹耗能減震新技術(shù)在超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的應(yīng)用。

　　1 我國超高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀

　　1. 1 建筑高度

　　截至 2012 年底，我國共建成高度超過 250 m 的超高層建筑 94 幢，其高度分布比例如圖 1 所示。高度 250 ～ 300 m 的超高層建筑數(shù)量最多，約占建筑總數(shù)的 59% ; 高度 500 m 以上超高層建筑僅 1 幢; 港澳地區(qū)超高層建筑共計 18 幢，約占總數(shù)的 20% 。這一階段國內(nèi)典型超高層建筑，有上海環(huán)球金融中心( 高度 492 m) 和深圳京基金融中心( 高度 442 m) 。

　　2013—2018 年，我國計劃建成高度 250 m 以上的超高層建筑共計 164 幢，如圖 2 所示。與圖 1 相比，高度 300 ～ 400 m 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不斷增加。高度 500 m 以上的超高層建筑增多，部分建筑高度已突破 600 m。如上海中心大廈，總高度 632 m。建成之后將與高度 420 m 的金茂大廈、492 m 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 648 m。

　　1. 2 分布地區(qū)

　　截至 2012 年底，我國已建成高度 250 m 以上的超高層建筑地域分布如圖 3 所示，可見，超高層建筑主要集中在經(jīng)濟較發(fā)達的珠三角和長三角地區(qū); 主要城市包括上海、香港、廣州和深圳。

　　2013—2018 年，我國計劃建設(shè)高度 250 m 以上的超高層建筑分布如圖 4 所示，可見，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。

　　2 超高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展新特點

　　2. 1 結(jié)構(gòu)體系

　　高度超過 250 m 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，如圖 5 所示?？蚣?核心筒、框筒-核心筒適用于高度 250 ～ 400 m 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 300 m 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，使框架底部剪力和彎矩明顯提高。

　　在建的上海中心大廈( 圖 6) 塔樓抗側(cè)力體系為巨型框架-核心筒-外伸臂結(jié)構(gòu)體系[1]。在 8 個機電層區(qū)布置 6 道兩層高的外伸臂桁架和 8 道箱形空間環(huán)形桁架。由箱形空間環(huán)形桁架和巨柱形成外圍巨型框架。在建的深圳平安中心大廈( 圖 7) ，采用巨型斜撐框架-核心筒-外伸臂體系。結(jié)構(gòu)設(shè)置了 4 道鋼外伸臂，將核心筒與巨柱有效地連接在一起，從而控制層間位移，改善結(jié)構(gòu)的承載性能，增加了承載冗余度和結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。7 道空間雙桁架均勻布置于每區(qū)避難/機電層，用于連接巨柱，將結(jié)構(gòu)的外圍形成巨型框架，承擔大部分由側(cè)向力引起的傾覆力矩[2]。

　　2. 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)強度高、自質(zhì)量輕、抗震性能好，施工速度快，但由于造價較高、防火性能差等問題，限制了鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的廣泛應(yīng)用?；炷两Y(jié)構(gòu)可塑性強、用鋼量少，取材方便，維護成本低，加之混凝土和鋼筋強度等級不斷提高，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。

　　圖 8 為我國高度 250 m 以上超高層建筑結(jié)構(gòu)體系材料的使用情況，由圖可見，我國超高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)占 98. 4% 。如上海環(huán)球金融中心及金茂大廈內(nèi)部均為鋼筋混凝土核心筒，外框為型鋼混凝土柱及鋼柱[3-4]; 正在建設(shè)中的天津 117 大廈，外框采用鋼管混凝土柱，核心筒在底部區(qū)域采用鋼板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。

　　2. 3 建筑經(jīng)濟性分析

　　超高層建筑結(jié)構(gòu)工程造價的影響因素主要包括: 建筑造型與平面布置、建筑物所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度和風荷載、結(jié)構(gòu)體系選型和材料等方面。

　　圖 9 統(tǒng)計了上海( 抗震設(shè)防烈度 7 度) 、鄭州( 抗震設(shè)防烈度 7 度，0. 15g) 及蘭州( 抗震設(shè)防烈度 8 度) 地區(qū) 7 座超高層建筑單位面積所需的建安造價和土建造價，以分析建筑高度、結(jié)構(gòu)材料、抗震設(shè)防烈度對工程造價的影響。所涉及的工程實例有: 上海國金 中 心 ( 高 度 250 m) 、鄭 州 綠 地 廣 場 ( 高 度 283 m) [5]、蘭州鴻運金茂( 高度 250 m) [6]、上海嘉里中心( 高度 260 m) 、上海會德豐( 高度 280 m) 、上海恒隆廣場( 高度 280 m) 和上海中心大廈( 高度 632 m) 。其中，上海嘉里中心、上海會德豐及上海恒隆廣場為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其余為 SRC 外框-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。圖 10 以上海中心大廈為例，給出其土建工程各部分造價及其占土建工程總造價的百分比。

　　圖 9 和圖 10 表明: 1) 超高層建筑高度增加，工程造價隨之增加; 2) 混合結(jié)構(gòu)造價高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu); 3) 抗震設(shè)防烈度增加，工程造價隨之增加; 4) 高度 250 ～ 300 m 的超高層建筑，土建工程造價約占建安造價的 30% ～ 35% ，當高度超過 600 m 時，土建工程造價將超過建安造價的 35% ; 5) 超高層建筑地下部分與地上部分土建造價之比約 4∶ 6。

　　3 超高層建筑結(jié)構(gòu)分析進展

　　3. 1 抗風優(yōu)化設(shè)計研

　　隨著建筑高度不斷增加，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)計中一個重要的控制因素。建筑形態(tài)的空氣動力學優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)風荷載和控制建筑舒適度，從而降低結(jié)構(gòu)造價。超高層建筑的空氣動力學優(yōu)化主要體現(xiàn)在平面、立面和局部形態(tài)等方面[7]。

　　3. 1. 1 選取合適的平面形狀

　　一般的高層建筑采用矩形平面，但對于超高層建筑，采用矩形平面不利于結(jié)構(gòu)抗風。相比而言，平面為圓形、橢圓形、三角形、Y 形、月牙形的建筑，對橫向作用力的敏感性沒有矩形平面強。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( 圖 11 [8]) 。角部修正改變剪切層的流動特征，促使分離流再附，減小尾流寬度，從而有效地降低阻力和脈動升力。

　　3. 1. 2 沿高度變化調(diào)整平面

　　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平面的建筑( 圖 12 [8]) ，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速也減小。而邊界層內(nèi)的風剖面表明[8]，風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)生的臨界風速。同時，平面形狀的改變，擾亂脈動風荷載沿高度的相關(guān)性，削弱疊加效應(yīng)，從而達到減弱風致響應(yīng)的目的。

　　3. 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洞、附加擾流翼、以及使塔冠形態(tài)復雜化[7]。

　　3. 2 長周期地震作用研究

　　超高層建筑的長周期特點成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有必要考慮不同長周期地震運動參數(shù)的影響。受模擬式強震儀頻率特性的限制，長周期地震記錄數(shù)量較少或者欠精確，準確的記錄往往集中在 3 s 以內(nèi)。因此，本文的長周期定義為大于 3 s。

　　對超高層建筑，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)動力響應(yīng)的主要成分，針對結(jié)構(gòu)的長周期效應(yīng)，以 3 個超高層結(jié)構(gòu)作為算例進行分析，研究長周期效應(yīng)對超高層抗震設(shè)計的影響。

　　工 程 概 況: 上 海 中 心 大 廈 ( 模 型 A) 高 度 為 632 m，124 層，采用巨型框架-核心筒-環(huán)帶桁架-伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，包括 12 根巨柱，8 道環(huán)帶桁架，6 道伸臂桁架和內(nèi)含鋼骨的核心筒剪力墻[1]。長沙國際金融中心( 模型 B) 高 452 m，采用框架-核心筒-環(huán)帶桁架-伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，包括 20 根框架柱，5 道環(huán)帶桁架，2 道伸臂桁架和內(nèi)含鋼骨的核心筒剪力墻[9]。鄭州綠地廣場( 模型 C) 高度為 283 m，采用框架-核心筒-環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系[5]。結(jié)構(gòu)模型如圖 13 所示。

　　采用 ETABS 軟件進行模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)沿 X 向的自振周期如表 1 所示?？梢?，模型 A 的前 2 階振型、模型 B 和模型 C 的第 1 階振型均為長周期振型( 周期大于 3 s) ，結(jié)構(gòu)越高，長周期振型越多。

　　采用設(shè)計地震反應(yīng)譜法對對上述 3 個結(jié)構(gòu)模型進行地震響應(yīng)分析。多遇地震設(shè)計參數(shù)如表2 所示。表 3 給出了 3 個結(jié)構(gòu)模型 X 向地震響應(yīng)結(jié)果。由表 2、3 可見，結(jié)構(gòu)長周期模態(tài)的基底剪力占結(jié)構(gòu)地震總響應(yīng)的 50% 以上; 長周期模態(tài)的傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總響應(yīng)的 90% 以上。超高層建筑總動力響應(yīng)中，長周期響應(yīng)分量占據(jù)了絕大部分。

　　3. 3 耗能減震技術(shù)研究

　　消能減震結(jié)構(gòu)是在結(jié)構(gòu)上附加衰減機能，在地震作 用下吸收地震能量，進而實現(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，此種消能部件通過依靠速度產(chǎn)生的內(nèi)力吸收能量。

　　菲律賓馬尼拉 Saint Francis Shangri-La 雙塔[10]，每個塔樓高 210 m，在加強層處設(shè)置 8 個懸臂墻，每個懸臂墻的端部連接處設(shè)置 2 個垂直放置的黏滯阻尼器。該阻尼器的布置較好地降低了塔樓在側(cè)向荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，工作效率較高。

　　文獻[11]研究了黏滯阻尼器在伸臂桁架體系中的應(yīng)用。通過對比普通剛性伸臂加強層方案與設(shè)置粘滯阻尼器的伸臂方案在地震作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，分析塑性損傷結(jié)果及能量耗散情況，結(jié)果表明: 黏滯阻尼器在伸臂桁架結(jié)構(gòu)中的設(shè)置可以吸收地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，同時減小核心筒剪力墻的塑性損傷，是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效方法。

　　4 結(jié)論及展望

　　1) 超高層建筑數(shù)量不斷增加，分布地區(qū)由長三角、珠三角地區(qū)向全國其他區(qū)域擴展，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約占建安造價的 30% ～ 40% ，隨著塔樓高度的增加，土建造價將有所提高。

　　4) 將合適的空氣動力學優(yōu)化方法，在超高層建筑中通過具體的建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)，可以同時達到減小建筑的風致響應(yīng)與保證建筑形態(tài)優(yōu)美的目的。

　　5) 結(jié)構(gòu)高度越高，長周期振型越多; 超高層建筑總動力響應(yīng)中，長周期模態(tài)的基底剪力占結(jié)構(gòu)地震總響應(yīng)的 50% 以上; 長周期模態(tài)的傾覆力矩占地震總響應(yīng)的 90% 以上。長周期地震作用對超高層建筑結(jié)構(gòu)影響顯著。

　　6) 耗能減震技術(shù)可有效降低結(jié)構(gòu)的地震作用響應(yīng)，提高超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，是未來超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展方向。——論文作者：丁潔民，吳宏磊，趙 昕