结构大师汪大绥总工高层建筑讲座笔记

结构大师汪大绥总工高层建筑讲座笔记这两天替领导去参加培训，有幸听了华东院汪大绥总工关于国内几个超高层建筑方面的讲座。汪总工是国内知名的高层建筑结构设计大师。在听讲的过程中，感觉汪总工为人和蔼可亲，治学严谨，结构概念十分清晰，特别是对于工程上出现的难题的把握和解决能力十分令我钦佩。他的讲座开阔了我的眼界，使我受益匪浅。趁热打铁，草草整理了些笔记写出来。汪总工主要介绍了四个工程项目：2010年上海世博园建筑；上海环球金融中心；CCTV新台址；天津津塔。I、上海世博园上海世博会将于2010年5月1日～10月31日举行。作为一次国际参展的盛会，世博园建筑群是非常具有创新性和代表性的。现在大部分建筑都在紧张而有序地施工中。世博园建筑群中大部分都作为临时性建筑，会展结束后将拆除；而作为永久性建筑的只有“一轴四馆”，即：世博轴、主题馆、中国馆、世博中心、演艺中心。应该说作为地区标志性建筑的“一轴四馆”建筑无论从建筑体型还是结构体系来讲，都是相当前沿和先进的，且富有极强创新性的建筑，融合了一流的建筑结构技术，代表了国内建筑领域相当高的水准。1主题馆：采用144m跨张弦桁架结构的大跨度屋盖。2中国馆：形态有点类似于一个鼎，上大下小，给人以强烈的视觉冲击感。其结构体系采用四个钢筋砼筒作为主要承重体系，上部悬挑部分采用钢桁架结构。3世博中心：作为会展中心使用；长度400多米，全钢结构；值得一提的是在结构中引入了较前沿的防屈曲支撑（BRBS）作为消能减震构件来消耗地震时对结构的影响。4演艺中心：建筑体型呈飞碟状，其结构设计的难点之一在于外围巨大悬挑看台的处理。5世博轴：作为世博会期间人流集散处。结构为索膜结构，最特别的是“阳光谷”，呈喇叭开口状，可以收集雨水，并使阳光透入地下室，故名“阳光谷”。其结构设计和施工是非常具有难度的：例如，膜结构风荷载计算和找形技术，节点定位，以及空间方钢管和节点的切割（几千个节点，没有两个是完全一样的）。世博主题馆中国馆施工中的中国馆施工中的中国馆世博中心施工中的世博中心演艺中心施工中的演艺中心世博轴“阳光谷”施工中的“阳光谷”施工中的“阳光谷”II、上海环球金融中心1、建筑概况：492米，地上101层、地下3层。建筑面积381600m2。2、结构体系：主体承重结构由型钢砼巨型柱、钢筋砼核心筒、巨型斜撑、外伸桁架、带状桁架等组成。巨型柱采用高含钢量的型钢砼巨型柱，分布在结构平面的四角。核心筒采用分段收进的方式，总共有三段组成。巨型斜撑分布在巨型柱之间，使结构具有很好的整体性和抗侧刚度。带状桁架每12层布置一道，外伸桁架主要解决核心筒与外框架之间的协调共同工作问题。在国内的高层建筑中首次采用了TMD主动控制技术（调频质量阻尼器），大大缓解了强风和地震作用带来的楼层振动。TMD阻尼器的阻尼比仅仅0.5%，远小于砼和钢结构的阻尼比。结构的第一阶自振周期为7.6s，已超出抗震规范反应谱曲线的最大范围。因此，对于这样一个超高层高柔建筑的结构设计，必然融合了现今结构技术的许多最先进技术。此外，汪总工有一句话非常经典：“阻尼是结构的特性，而不是材料的特性。同样材料做的结构，矮的和高的阻尼比是不同的。此外，对风荷载和地震作用，今后宜使用不同的阻尼比计算。”我的理解是，阻尼是结构内部耗能机制的一个宏观体现，有了阻尼，结构的振动才能停止下来。实际上阻尼是什么谁都说不清楚，只能把这种机制归结为“阻尼”这个东西，因此，阻尼的确应该是与结构有关的一个参数，但确实是十分复杂的。上海环球金融中心施工中的上海环球金融中心施工中的上海环球金融中心III、CCTV新台址关于备受争议的CCTV新楼，我以前也做过一些探讨，但由于没有深入研究过其建筑和结构方案，理解不免肤浅和偏颇。汪总工是CCTV新楼中方结构设计（华东设计院）的总工程师，因此他的讲解是最权威的。听完报告，虽然没有完全领会，但我对CCTV新楼有了许多新的认识。1、建筑几何体型：CCTV新楼外表看似不规则，其实从建筑体型上它是由一个标准的四棱锥被切割和贯穿而形成，两个塔楼的倾斜实际上是由四棱锥的斜边而形成的。2、结构体系：属于带斜撑的框筒结构。结构主要抗侧构件为外部的带斜撑框架，内部电梯间的核心筒实际上是由钢框架组成，设计上并不承担水平荷载。外框柱多为含钢量较高的型钢砼柱。外部斜撑的布置也不是均匀的，根据应力分析和优化，在应力大的部位加密网格，即加密斜撑。此外，一个斜撑跨越两个楼层，中间的那个楼层作为次结构，不参与结构整体刚度。3、结构的动力特性：第一阶自振周期为3.82s，前两阶振型为平动为主，第三阶带扭转。200多米高的建筑，而T1=3.82s，应该说这个结构的刚度是非常大的，其主要原因就在于外部斜撑对结构的巨大刚度贡献。4、振动台试验：达到了抵抗9度半罕遇地震的水准，仅局部构件发生损伤。应该说，这个结构方案还是有相当的抗震能力的，特别是斜撑的加入对提高结构整体性提供了很大的贡献。5、构件节点性能研究：例如高含钢率SRC柱的试验研究（同济大学完成），蝶形节点受力试验（清华大学完成），通过试验得到了关于这些新式构件的许多有意义的结论。6、工程施工难点：汪总工介绍了结构设计以及施工中的一些难题和处理方案。例如，施工方案中创新性地提出了施工荷载上下限、延迟构件的概念等等。CCTV新址塔楼施工顶部悬臂段合拢施工悬臂段合拢IV、天津津塔这个超高层建筑在结构上最大的特点就是使用了“钢板剪力墙结构体系”（简称SPSW）。我们知道剪力墙一般都使用钢筋砼浇筑而成，而钢板剪力墙顾名思义就是使用钢板作为剪力墙，来抵抗水平荷载。天津津塔主体结构体系由核心筒（钢板剪力墙结构）+外框架+外伸桁架组成。竖向荷载由框架承担，而钢板剪力墙仅抵抗水平荷载。这是由于钢板较薄，在竖向荷载作用下容易失稳。结构计算使用结构分析软件ETABS和Midas计算校核。此外，为了解决钢板在施工过程中竖向荷载作用下容易引起失稳的工程难题，汪总工创新性地提出了“带竖肋的钢板剪力墙”，并在清华大学进行了试验，取得了非常理想的效果。试验结果表面，带肋的钢板较不带肋的钢板，具有稳定性强，结构滞回耗能能力强，极限稳定承载力高等优点。这个创造性的成果，得到了美国专家的称赞和好评，听说有可能要引入到美国结构设计规范中呢。天津津塔（钢板剪力墙结构）总结：汪总工不愧是结构设计大师。对复杂结构的工程难题都能给出非常好的解决方案，十分领我钦佩。自己也有几点体会，作为小结：（1）结构新技术：现今结构设计也是与时俱进的，上海世博园建筑、环球金融中心、天津津塔等地标性建筑，都融合了现今世界上的众多结构新技术、新成果，例如BRBS(防屈曲支撑)、TMD(调谐质量阻尼器)、SPSW(钢板剪力墙)等等。随着这些新技术的出现，建筑这个传统行业也在走向飞跃。（2）工程难题：应该说任何一个复杂工程都是有其相伴随的工程难点的。这些难题的解决，需要结构工程师的智慧、努力和创造性工作。汪总工作为结构大师，与一般结构师相比的过人之处就在于对工程难题的把握解决和创新能力。（例如在SPSW中创造性地提出了带肋的钢板剪力墙结构）。（3）分析软件：在汪总工介绍的几个工程中，实际上大量计算工作都要依靠软件来完成。用汪总工的话说：“没有计算机，很多东西都根本不可能完成。”涉及的几个工程中，结构整体分析软件主要有：ETABS、Midas等；细部分析（如CCTV新楼蝶形节点受力分析、天津津塔钢板剪力墙屈曲分析等）主要使用ANSYS或ABAQUS等完成。的确，结构工程已迈入“软件时代”，很多复杂的问题都要依托软件来完成，有限元理论和计算机技术的飞速发展使结构工程师从繁琐的计算中解脱出来，能够更集中精力进行结构概念设计和创新。但另一方面，现在软件基本都是“黑匣子”，其计算方法并不对外公开，汪总工在谈话中也流露出了对这种软件管理体制的些许担忧。