超高层建筑结构分析

一、国内(超)高层建筑的发展简史以及发展现状由于历史的原因，(超)高层建筑在国内出现得较晚，大约20世纪20年代才在少数几个城市开始出现高层建筑。至于它在国内成规模和成系统的发展，其实也就自上个世纪80年代末90年代初才逐渐开始的，到今天为止仅仅30年左右的时间。所以，与国外(超)高层建筑的发展史相比，国内的发展史在时间跨度上较短，在发展脉络上显得不连贯，并有断层现象的存在。直到1976年，国内建成了第一幢超过100米的超高层建筑，它就是广州的白云宾馆，楼高112米。20世纪80年代以来，随着改革开放的不断深入，建筑业也随着发展的大浪潮呈现出了史无前例的一派景象。1985年，150多米高的深圳国贸大厦以“三天一层”的深圳速度首开大陆超高层建筑建设的浪潮;1990年，北京京广中心突破200米;1996年，深圳地王大厦以“九天四层楼”的新深圳速度将大楼拔高到384米;1998年，金茂大厦以420.5米的高度跃居当时的世界第三和中国第一。今天，这些记录还在被不断地被刷新着，2004年台北101大楼的建成一举以508米的高度夺得当时“世界第一高楼”的称号，而2008年上海环球金融中心也以492米的高度夺得中国内陆“第一高楼”的称号。目前在建的上海中心高度为632m，建成后将成为中国第一高楼。二、目前世界高层著名建筑简介（1）哈利法塔（迪拜塔）【动土时间】2004年9月21日【封顶时间】2009年10月【使用时间】2010年1月4日【建筑高度】总高度：828米（2,684英尺）【建筑用途】综合【建筑层数】162层【结构形式】钢筋混凝土结构【抗震能力】6.3级地震【建筑造价】105亿（RMB）【占地面积】34.4公顷【设计单位】SOM--阿德里安·史密斯【建筑温差】底层-顶层：-10℃【开发单位】伊玛尔地产【施工单位】中国南通六建、韩国三星工程、BESIX、Arabtec(2)台北101台北101（Taipei101），在规划阶段初期原名台北国际金融中心，地上101层，极点高度508米，是目前世界第二高楼（2010年）。位于台湾台北市，由建筑师李祖原设计，KTRT团队建造。工程结构为了因应高空强风及台风吹拂造成的摇晃．大楼内设置了“调谐质块阻尼器”（tunedmassdamper，又称“调质阻尼器”），是在88至92楼挂置一个重达660公吨的巨大钢球，利用摆动来减缓建筑物的晃动幅度。（3）上海环球金融中心【开工日期】：1997年年初；2003年2月工程复工。【竣工日期】：2008年8月29日。【占地面积】：14,400m2。【建筑面积】：381,600m2。【建筑层数】：地上101层、地下3层。【建筑高度】：492米。【结构形式】：钢筋混凝土结构（SRC结构）、钢结构（S结构）。【建筑造价】：1050亿日元。【投资单位】：森海外株式会社（ForestOverseasCo.,Ltd.）。【建筑设计】：KPF建筑师事务所。【结构设计】：籁思理·罗伯逊联合股份有限公司(LERA)。（4）吉隆坡石油双塔【建设地点】：吉隆坡市中市KLCC计划区的西北角【开工时间】：1993年12月27日【竣工时间】：1996年2月13日【占地面积】：40公顷【建筑高度】：452米【建筑层数】：88层【结构形式】：高轧制钢梁支托的金属板，钢筋混凝土【建筑造价】：20亿马币【投资单位】：马来西亚石油公司【设计单位】：凯撒培礼建筑事务所·西泽配利【建设用途】：办公【别称】：佩重纳斯大厦、马来西亚国家石油大厦、国家石油双塔、双子塔（5）金茂大厦【开工日期】：1994年5月10日【竣工日期】：1999年3月18日【占地面积】：2.3公顷【建筑面积】：29万平方米【建筑层数】：地上88层，地下3层【建筑高度】：420.5米【结构形式】：钢筋混凝土结构【建筑造价】：50亿【投资单位】：中国金茂（集团）股份有限公司【建筑设计】：美国芝加哥SOM设计事务所【英文名称】：JinmaoBuilding三、国内部分超高层结构介绍项目名称上海中心深圳平安金融中心上海环球金融中心深圳京基金融中心建筑高度(m)632597492439楼层数12411810198结构类型巨型框架-核心筒-伸臂桁架巨型框架-核心筒-巨型斜撑-伸臂桁架巨型框架-核心筒-巨型斜撑-伸臂桁架巨型框架-核心筒-巨型斜撑-伸臂桁架建筑平面长X宽(m)64.34X64.3456.3X56.357.6X57.640X40建筑高宽比(m)9.810.68.5410.9核心筒墙厚(mm)1200150016001900外框柱截面(mm)3700X53003200X6525异形巨柱2700X3900加强桁架数目6433投资（亿元）14895.57350项名称广州珠江新城西塔南京河西苏宁广场武汉中心建筑高度(m)432400401楼层数1039888结构类型柱斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒巨柱框架-核心筒-伸臂桁架巨柱框架-核心筒-伸臂桁架建筑平面长X宽(m)40X407647.3X47.3建筑高宽比(m)6.59.58.5核心筒墙厚(mm)110011001300外框柱截面(mm)Φ1600X35Φ2520X100Φ2400X45加强桁架数目/43投资（亿元）60//广州珠江新城西塔+=P127广州珠江新城西塔办公标准层平面广州珠江新城西塔酒店客房标准层平面广州西塔修长挺拔，高宽比达6.5，平面为类三角形，外周边由六段曲率不同的圆弧构成；立面由首层至31层外凸，31层至103层内收，剖面外轮廓也呈弧线。西塔外周边共30根钢管混凝土斜柱于空间相贯，节点层间距离27m；73层以下每节点层间分6层，层高4.5m；其余分8层，层高3.375m。广州珠江新城西塔结构体系分析1.1抗侧力结构体系采用巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+钢筋混凝土内筒的筒中筒体系。69层以上，由于建筑使用功能的需要，取消了核心筒的内墙，仅保留部分核心筒外墙并向内倾斜，电梯井道移至核心筒外，形成巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒+剪力墙结构体系。水平荷载（包括风荷载和地震作用）产生的倾覆力矩大部份由斜交网格柱外筒斜柱的轴力承担，基底剪力大部份由钢筋混凝土内筒承担。广州西塔斜交网格外筒的组成包括：①、竖向构件——以一定角度相交的斜柱；②、水平构件——沿外周边布置、连接网格节点的环梁及沿外周边布置、支承于斜柱的楼面梁。斜交网格筒体的几何构成决定了它抵抗水平力的独特优点，侧向刚度和扭转刚度也远优于框筒，但竖向刚度比框筒稍差。水平力由斜柱的轴向力平衡，倾覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱的轴力平衡。斜柱中弯矩产生的原因：一是节间的竖向荷载，并与斜柱的交角和层高相关；二是网格节点的水平位移，相邻层间节点水平位移差越大，斜柱的柱端弯矩越大。网格节点水平位移的大小除取决于斜柱轴力、平面内的交角和平面外的折角外，还取决于网格筒环梁、内外筒间的拉梁和楼板的轴向刚度。节点的水平约束越强，斜柱截面的剪力和弯矩越小，同时，结构的竖向刚度越大。计算分析表明，西塔的层高不大，斜柱的交角也不大，由13.63゜～34.09゜，自重引起的弯矩也不大；对各节点层施加了体外预应力，阻止了竖向荷载作用下网格节点的向外水平位移，大大减少了斜柱的柱端弯矩和剪力，提高了结构的竖向刚度。不论是竖向还是水平荷载，斜柱的主要内力是轴力，剪力和弯矩均很小。钢管混凝土柱轴向刚度大，承载力高，延性好，以轴力的形式来抵抗风荷载和地震作用产生的水平力和倾覆力矩，正好发挥了钢管混凝土结构的优势，十分高效。此外，由于斜柱底端弯矩、扭矩很小，即使释放支座处X、Y、Z三个方向的转角约束，结构自振频率的变化甚微，即斜柱支座刚接或铰接对结构的侧向刚度和构件内力的影响很小，这就可以简化支座的设计和构造。钢管混凝土外筒斜柱断面尺寸：从基底开始，钢管直径1800mm，壁厚35mm，每一个节点层直径缩小50mm或100mm，至顶层钢管直径700mm，壁厚20mm。核心筒外墙厚：地下室1100mm，出地面1000mm，沿高度方向逐渐减薄至酒店层下层500mm；酒店层以上4层350mm，其余300mm；核心筒内墙厚：500mm。1.2、楼盖结构体系首层以下及核心筒内采用钢筋混凝土梁板，板厚130～200mm。内外筒之间采用钢－混凝土组合楼盖，梁跨度约8～15m，工字钢梁高一般为450mm，跨度较大处加高至600mm；办公楼层板厚一般为110mm，酒店楼层板厚一般为130mm，板跨度较大处局部加厚。1.3、基础主塔楼位置基础底板已到达中微风化泥质粉砂岩层。考虑到部分柱位下岩石裂隙较发育，采用人工挖孔桩（墩）基础，持力层均为微风化粉砂岩或砾岩，设计要求岩样天然湿度单轴抗压强度不小于13MPa。桩径3200~4800mm，桩长约6~13m。单桩竖向承载力特征值为110000kN~247000kN。部分桩有抗拔要求，单桩抗拔承载力特征值为5000kN~15000kN。主塔楼位置基础底板厚2.5m。1.4、主要结构用料钢材：Q345B－除节点外的外筒钢管混凝土斜柱，楼盖钢梁及其他钢结构构件Q345GJC－节点部分的钢管、椭圆拉板及加强环板1860级高强低松弛钢绞线－节点层体外预应力索1.4、主要结构用料混凝土：C50－桩及基础底板C80~C50－核心筒及剪力墙C70~C60－外筒钢管混凝土斜柱C90~C60－外筒钢管混凝土斜柱节点C40~C35－楼板上海中心上海中心上海中心上海中心深圳平安金融中心深圳平安金融中心上海环球金融中心上海环球金融中心深圳京基金融中心南京河西苏宁广场武汉中心武汉中心武汉中心三、超高层建筑结构总结从以上著名实例可见，超高层建筑结构体系具有明显的特点：高度高、刚度大、荷载重，外观美。具体表现在1）框架-筒体结构、筒中筒结构和成束筒结构以及混合结构、巨型框架-核心筒-加强桁架、巨型框架-核心筒-巨型斜撑-伸臂桁架成为主要的结构体系。2）巨型柱为主要承重结构，巨型柱的荷载极重，超过万吨。3)塔楼标准层平面结构均为钢结构以减轻结构自重.4)结构风荷载受力复杂，风荷载在整体荷载作用效应中比例很大。故多采用塔形，既美观，又减小风力。5)基础平面一般为矩形，方形和三角形，巨型柱布置对称，有利于抗风抗震，受力均匀。因此，在选择结构体系时各专业应密切配合，综合考虑超高层建筑结构设计的四个控制因素：竖向荷载、水平荷载、地基基础和业主要求，方能选择一个结构先进外形美观、方便施工。既安全有经济的方案。