高层建筑结构发展

浅谈高层建筑结构发展学院：土木工程与建筑学院专业：结构工程班级：硕研2014级二班姓名：王亮学号：20140420058邮箱：[e-mail]浅谈高层建筑结构发展王亮摘要：进入20世纪90年代以来，随着社会与经济的蓬勃发展，特别是城市建设的发展，要求建筑物所能达到的高度与规模不断地增加，高层建筑已经成为反映一个城市经济繁荣和社会进步的重要标志。本文介绍了国内外高层建筑结构的发展现状，详细阐述了我国高层建筑结构发展特点，并对未来高层建筑结构发展趋势进行预测，指出我国应从实际出发，设计出适合我国发展的高层建筑。关键词：高层建筑，特点，发展趋势高层建筑是近现代经济发展和科学技术进步的产物。对于高层与超高层建筑，各国有不同的划分标准。联合国1972年召开的国际高层建筑会议有两种划分标准：将层数9层~15层(总高度不超过50m)为一类；17层~25层(总高度不超过70m)为二类；26层~40层(总高度不超过100m)为三类；40层以上(总高度超过100m)为四类，将四类中40层或总高度152m以下的建筑定为低高层建筑；总高度152m~365m为高层建筑；100层或总高度365m以上为超高层建筑。而多地震国家日本将5层~15层的建筑定为高层建筑，将15层以上的建筑定为超高层建筑。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：10层及10层以上或房屋高度超过28m的住宅建筑和高度大于24m的其他民用建筑结构为高层建筑。建筑物高度超过100m时，不论是住宅建筑或公用建筑，均为超高层建筑[1]。1高层建筑结构的发展1.1国外高层建筑结构的发展世界上第一幢近代高层建筑是1883年建成的美国芝加哥家庭保险(HomeInsurance)公司大楼，11层，55m高，框架结构。它采用金属框架承重结构，标志着一种区别于传统砌筑结构的新体系的诞生。19世纪末高层建筑已经发展到采用钢结构，建筑物的高度超越了100m。20世纪初，钢结构高层建筑在美国大量建成，美国在高层建筑的数量、层数、高度方面都居于领先地位。1931年建成的摩天大楼——纽约帝国大厦成为高层建筑发展第一阶段的典型代表，它保持世界最高的建筑物的记录达41年之久。50年代初玻璃铝合金等新型外墙材料开始使用，这个时期称为现代主义的新建筑风格，其代替了上一时期的古典风格，以简单的几何形体、大面积的金属和玻璃墙为代表的“玻璃盒子”作为现代化的标志成了这一时期高层建筑的主流，代表这一时期的典型作品是纽约的利华大厦和联合国大厦[2]。1.2我国高层建筑结构的发展我国高层建筑是从20世纪50年代逐渐发展起来的。50年代初期多采用框架结构，以建造8层、9层的旅馆和办公楼居多。50年代后期出现了框—剪结构形式，60年代、70年代，我国的高层建筑发展加快，其中最高的33层广州白云宾馆就是1977年建成的，80年代我国高层建筑的高速发展，到1983年已建成8层以上的高层建筑近千幢，建筑面积超过1100×104㎡[3]。1980年~1984年所建成的高层建筑相当于建国后30年来兴建的高层建筑的总和。90年代到现在，我国高层建筑发展更为迅猛，建筑业成为国家的支柱产业，其中代表性的建筑为上海的金贸大厦和深圳的帝王大厦。目前，我国已建的高层建筑面积超过1.8×108㎡其中，高层住宅约占全部高层建筑栋数的80％。2我国高层建筑结构发展的特点我国高层建筑概括起来主要有以下几个特点：建筑高度不断增加；结构体型日趋复杂；以混合、组合结构为主；涌现一些新型结构体系。2.1建筑高度不断增加据不完全统计，截至2008年底，150m以上的高层建筑已超过200栋，这些高层、超高层建筑中，300m以上的多分布在东南沿海地区，北方也有一批超高层建筑已经建成或正在设计建造中，如2007年北京建成了高度为330m的北京国贸三期，高度为337m的天津津塔预计2009年底结构封顶，其他如350m高的沈阳恒隆市府广场，383m高的大连裕景，333m高的天津嘉里中心办公楼等，正在设计建造中[4]。据国际高层建筑与城市协会2006年出版的《世界上最高的101栋高层建筑》统计，落成及在建的最高的101栋高层建筑中，我国大陆有20多栋，中国大陆、中国香港、中国台湾总计33栋，美国也是33栋，数量相当，表明我国超高层建筑的数量居于世界前列[5]。除数量增多外，超高层建筑的高度近年不断刷新，492m高的上海环球金融中心已正式投入使用；432m高的广州西塔结构已封顶。除上述代表性超高层建筑外，使用高度580m、总高度超过600m的上海中心已经于2008年底动工。全国各地尚有一批正在酝酿兴建的高层建筑，如设计中的深圳平安金融中心塔楼桅杆顶高度将超过600m，天津117大厦总高度也将超过600m。总之，我国高层建筑的高度正在从400m向600m挺进。超高层建筑高度的不断攀高，其意义不仅仅在于高度的突破，而是带动了整个建筑业的发展，包括材料技术、设备制造技术等行业的进一步发展。超高层建筑发展是经济发展的大势所趋。2.2结构体型日趋复杂由于业主和建筑师为实现建筑功能以及在建筑艺术、建筑造型方面体现创新，设计了众多复杂体型和内部空间多变的高层建筑，使得我国高层建筑的复杂程度也处于世界前列。随着国民经济的发展，高层建筑除了要满足建筑使用功能要求，越来越重视建筑个性化的体现，使高层建筑的平面、立面均极其特殊。尤其近几年，各种新的复杂体型及复杂结构体系大量出现，如体型复杂的连体结构，楼板开大洞形成的长短柱，楼板与外框结构仅通过若干节点连接，悬挑、悬挂，大跨度连体的滑动连接等，这些复杂体型的高层建筑许多超出了现行设计规范的要求，以往的工程经验和震害资料都无法借鉴，需要进行更深入的研究[6]。特别是许多项目采用了国外设计师的作品，但一些境外建筑师来自非地震区，缺乏抗震设计经验，有些建筑方案特别不规则。而在日本神户、中国台湾及2008年的“5.12”汶川地震中，一些特别不规则建筑受到严重破坏。我国绝大部分地区为抗震设防地区，而高层建筑集中的东南沿海地区又是台风频繁的地区，因此我国高层建筑设计绝大部分都要考虑抗震、抗风问题，加之体型日趋复杂，我国的高层建筑结构设计面临更大的挑战。2.3超高层建筑中钢-混凝土混合结构为主国外高层、超高层建筑以纯钢结构为主，而我国以钢-混凝土的混合结构应用居多。据不完全统计，中国已建成的150m以上的高层建筑中，混合、组合结构约占22.3%；200m以上的高层建筑，混合结构约占43.8%；300m以上的高层建筑，混合、组合结构约占66.7%，如上海环球金融中心及金茂大厦均为钢筋混凝土核心筒，外框为型钢混凝土柱及钢柱；北京国际贸易中心三期，为筒中筒结构，外部为型钢混凝土框筒，内部为型钢混凝土巨型柱与斜撑及钢梁组成的筒体，高度330m，为我国8度抗震设防地区最高的高层建筑。正在设计建造中的三栋600m以上的高层建筑(上海中心、深圳平安金融中心、天津117大厦)全部采用混合结构[7]。钢-混凝土混合结构之所以得到了较大发展，一方面因为其可有效地将钢、混凝土以及钢-混凝土组合构件进行组合，既具有钢结构的技术优势又具有混凝土造价相对低廉的特点；另一方面，我国现场施工的人力成本比国外低，采用混合结构比采用纯钢结构经济方面更有优势。因此混合结构是符合我国国情的超高层建筑的结构体系，预计将来混合结构仍将得到较大的发展。2.4一批新型结构体系涌现随着超高层建筑的发展，近期涌现出了一些新型结构体系。已建成的330m高的北京国贸三期主塔楼采用了钢—混凝土框架—核心筒结构，内筒采用了型钢、钢板混凝土巨型组合柱及型钢混凝土支撑结构体系；在建的337m高的天津津塔主要抗侧力体系由钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系组成，具有较高的抗侧刚度和延性，是目前世界上应用钢板剪力墙的最高的高层建筑；广州西塔采用了外部交叉网格结构体系，该体系具有较强的抗侧刚度及抗扭刚度，能较好地抵御风荷载和地震作用；巨型结构在超高层结构中被广泛采用，利用外框的带状桁架和巨型柱形成巨型框架，并辅以必要的外立面的斜撑，巨型柱的尺寸往往达到5m以上，有的甚至超过10m，采用型钢混凝土构件或钢管混凝土构件。随着高层建筑结构的发展，会有更多新颖合理的结构体系出现[8]。3高层建筑结构发展趋势3.1构件立体化高层建筑在水平载荷作用下，主要依靠竖向构件提供抗推刚度和强度来维持稳定。在各类竖向构件中，竖向线形的抗推刚度很小；竖向平面构件虽然在其平面内具有很大的抗推强度，然而其平面外的刚度依然小到可略去不计。由4片墙围成的墙筒或由4片密柱深梁框架围成的框筒，尽管其基本元件依旧是线性构件或平面构件，但它已经转变成具有不同力学特性的立体构件，在任何方向水平力的作用下，均有宽大的翼缘参与抗压和抗拉，其抗力偶的力臂，即横截面受压区中心到受拉区中心的距离很大，能够抗御很大的倾覆力矩，从而适用于层数很多的高层建筑。3.2结构支撑化框筒是用于高层建筑的一种高效抗侧力构件，然而，它固有的剪力滞后效应，削弱了它的抗剪刚度和水平承载力。特别是当高层建筑平面尺寸较大，或者因建筑功能需要而加大柱距时，剪力滞后效应就更加严重，致使翼缘框架抵抗倾覆力矩的作用大大降低。为了使筒状结构能充分发挥潜能并有效用于更高层建筑，在框筒中增设支撑或斜向布置的抗剪力墙板，已成为一种框筒的有力措施。若把在抵抗倾覆力矩中承担压力或拉力的构件，由原来的沿高层建筑周边分散布置，改为向房屋四角集中，在转角处形成一个巨大柱，并利用交叉斜杆连成一个立体支撑体系，是高层建筑结构中的又一发展趋势。由于巨大角柱在抵抗任何方向倾覆力矩时具有最大的力臂，从而框筒更能充分发挥结构和材料的潜力。典型例子是1989年落成的香港中国银行大厦，就是采用了桁架筒体结构，并将全部竖向荷载传至周边结构，单位面积用钢量仅约为150kg/㎡.预计这种结构体系今后将在300m以上的超高层建筑中将会得到更广泛的应用。3.3形体多样化为了体现个性、追求新颖、，使高层建筑的平面、立面体型均极具特性，结构的复杂度和不规则度为国内外前所未有的，为结构设计带来极大挑战。平面形状有：矩形、方形、八角形、扇形、圆形、菱形弧形、Y形、L形等。立面出现各种类型转换、外挑、内敛、大底盘多塔楼、连体建筑、立开大洞等复杂体型的建筑。3.4材料高强度化随着建筑高度的增加，结构面积占建筑使用面积的比例越来越大，为了改善这一不合理状况，采用高强度钢和高强度混凝土势在必行。随着高强混凝土材料的研制和不断发展，混凝土的强度等级和韧性性能也不断得到改善。C80和C100强度等级的混凝土已经在超高层建筑中得到广泛使用。可以减少结构构件的尺寸，减少构件的自重，必将对高层建筑的发展产生严重的影响。高强度且具有良好可焊性的厚钢板将成为今后高层建筑结构的主要用钢，而耐火钢材FR钢的出现为钢结构的抗火设计提供了方便。采用FR钢材制作高层钢结构时，其防火保护层的厚度可大大减小，从而降低钢结构的造价，使钢结构更具竞争力。例如，美国芝加哥的74层、高262m的水塔广场大厦，就是采用C70级高强混凝土建造的。3.5建筑轻量化建筑物越高，自重越大，引起的水平地震作用就越大，对竖向构件和地基构成造成的压力也越大，从而带来一系列的不利影响。因此，目前在高层建筑中，已经开始推广应用轻质隔墙、轻质外墙板，以及采用陶粒、火山渣等为骨料的轻质混凝土材料，以减轻建筑物自重。例如，美国的52层、高218米的贝壳广场大厦就是采用轻质高强混凝土。3.6组合结构化采用组合结构可以建造比钢筋混凝土结构更高的建筑。在强震国家日本，组合结构高层建筑发展迅速，其数量已超过混凝土结构的高层建筑。目前应用较为广泛的有：外包混凝土组合柱、钢管混凝土组合柱以及外包混凝土的钢管混凝土双重组合柱等多种组合结构。特别是由于钢管内混凝土处于三轴受压状态，能提高构件的竖向承载能力，从而可以节约大量钢材。巨型组合桩首次在香港的中国银行大厦中应用，获得成功并取得了很大的经济效益，上海金茂大厦结构中也成功地应用了巨型组合结构。随着混凝土强度的提高以及结构构造施工和施工技术上的改进创新，组合