超高层建筑结构设计现状和一些问题的探讨

超高层建筑结构设计现状和一些问题的探讨

一、我国超高层建筑发展概况

（1）超高层建筑发展概况：我国高度超过250米的超高层建筑分为250~300m，300~400m，400~500m，500m以上四种，采集样本地区包括港澳台地区和中国大陆，分成2012年底完成的项目和2013~2018年可能完成的项目。2012年已建成的250m以上的超高层建筑共94幢，其中250~300m的占半数以上，港澳台共有18幢，占总数的20%，500m 高的仅有一幢。2013~2018年可能建成超高层项目达到114座，按照现在的情况预计会超过200座，这是我们值得对这个问题进行研究思考的数字。其中300m以上超高层建筑大量增加，可能由于土地使用要求和城市形象的需要，也可能是我们对它的主要技术已有足够的控制能力，500m以上的超高层也相应增多，塔楼高度突破600m，而港澳台在未来五年的可建项目只有两个，仅占总数量的1.2%，数量大大减少。若从时间轴上划分可以看出，250m以上的超高层建筑在处于起步阶段的1990年至1999年共有13幢，2000年至2007年23幢，发展阶段的2008年至2012年增至58幢，繁荣阶段的2012年至2018年预计有164幢。我们做这样的研究是觉得我们对产品的了解和把控的速度没有跟上它的发展速度。

（2）超高层建筑地域分布的概况：从区域上看，超高层建筑分布区域明显增加，2012年之前的超高层建筑主要分布在珠三角和长三角地区，两者加起来所占比例已经接近总数的80%，或者说3/4以上，排名前10的城市分别是上海、香港、广州、深圳，重庆紧随其后，另外还有武汉、南京、温州、北京、天津、苏州、沈阳；2013~2018年即将建成的超高层建筑主要分布地区发生明显变化，向中西部倾斜，环渤海地区成为一个新的超高层建筑集中地区，二线城市超高层建筑数量增加，未来排名前10的城市分别是天津20幢，深圳15幢，无锡9幢，广州8幢，大连8幢，上海7幢，武汉7幢，沈阳7幢，贵阳7幢，重庆6幢，昆明6幢。

(a)2012年前超高层建筑区域分布（b）未来2013~2018年超高层建筑区域分布

巨型框架-核心筒、巨型框筒-核心筒-巨型支撑。不同建筑高度常用的结构体系也有所区别，其中250~400m 建筑多采

用框架-核心筒及框筒-核心筒结构，300m以上采用巨型框架-核心筒及巨型框筒-核心筒-巨型支撑结构。我们可以看出，258幢超高层建筑也是常规的框架-核心筒、框筒-核心筒结构类型占主导地位。我似乎觉得在超高层建筑领域结构体系的进步似乎比大跨度结构来得慢一点，可能因为我们还是太希望保证这种结构的安全性所造成的。这些工程实例的统计数据可为结构体系的选取提供一个大致范围或概念。现在正在建和已经建的超高层建筑高度范围是280m到600多米，广州西塔是用巨型斜撑与斜柱相结合的体系，西安新长安二期高300m，郑州绿地中央广场接近300m。纵观这些结构体系，大致还是以满足建筑需求或者建筑要求为前提来构筑一个合理结构体系的。从超高层建筑的材料的使用情况来看，统计出乎我们的意料，混合结构占98.4%，混凝土结构占1.6%，这些混凝结构大部分都在300m以下，没有一个纯钢结构。我们的理解是混凝土材料本身性能得到大大提升，所以就替代了钢材料的使用。目前钢结构造价很高，业主心理承受水平有限。另外，还可能是因为混合结构和组合构件的研究在我们国家启动的比较早，我们对构件性能的把握度有足够的信心，设计时也有据可依。

（4）超高层建筑的经济性分析：超高层经济分析，这些数据在没建好的情况下都是参考值不是最终值，我们分成A类和B类，A类是钢筋混凝土框架+核心筒，B类是SRC外框+钢筋混凝土核心筒。有地震作用、没地震作用也影响我们对组件造价控制。为了进一步区分把土建造价特地做了分解，从这个数据可以看出，如果采用混合结构的话每平方米价格增加200到400元，如果整个建筑面积比较大时，土建造价的差额也是比较显著的。由此我们得出结论：建筑高度增

的超高层建筑，土建工程造价约占建安造价的30%~35%；高度超过600m，土建工程造价将超过35%；地下部分与地上部分结构造价之比约4：6。

二、超高层建筑控制荷载及作用的研究

（1）竖向荷载组成及优化策略

随着塔楼高度的增加，塔楼墙、柱自重所占的比例增加，这一方面是由于塔楼抗侧刚度需要，另一方面是由于楼面恒载增加，导致承担的竖向荷载较大；楼面恒载所占的比例在20%~25之间，比例较大；优化楼面恒载，不仅可以降低自身的重量，而且进一步降低柱、墙承载的竖向荷载，同时，对降低地震作用也有重要意义。减轻塔楼重量的方法：高强混凝土和高强钢材的使用（降低柱、墙尺寸）；混合结构体系（钢材代替部分混凝土）；采用压型钢板组合楼盖体系；使用轻质隔墙（如轻钢龙骨隔墙）；减小附加恒载（如采用轻质填充材料）。

（2）风荷载研究与优化策略

风工程研究的主要方法有现场监测（最直接、可靠方法，但周期长、费用高）；风洞试验（可系统开展研究，但相似关系无法完全满足）；数值模拟（重要手段与发展方向，成本低，周期短，但目前研究尚不充分）。由于风速较大，且结构高柔，高层建筑易受涡激振动影响产生横风向风荷载。当来流风速增加到一定临界值时，建筑周围产生漩涡脱落现象，从而造成涡激振动。通过沿高度改变建筑截面形状、圆弧倒角、切角和立面开洞等方法，可以减小涡激振动在高层建筑高度方向的一致性，从而减小了建筑的横风向风荷载。上海中心采用了三种方式：圆弧倒角,契形立面, 变截面。

（3）长周期地震作用特点及影响因素

目前国内建成与在建的有许多超高层建筑其自振周期很多都在5.5s以上。对于超高层建筑结构，长周期响应对倾覆力矩起绝对的控制作用；高阶振型响应对基底剪力的影响较显著，不可忽略。

随着我们对超高层建筑的认识，我们把第一周期限制放宽一到两秒左右，上海中心做到9s，刚开始设计的时候所有专家说应该限制在7s，我们放长了一点，这对于降低地震的作用非常有利。随着经验积累和数据更加丰满，可能我们胆子会更大一点。

上海中心、长沙国际金融中心和郑州绿地这三个项目，其中上海中心高632m，所以X向第一周期和第二周期都在长周期上，长沙国金、郑州绿地也是落在长周期上，必须考虑下长周期对于地震效用的影响。长周期在上海中心贡献率达到64%，但是倾覆力距比例达到99%，这是长周期在结构设计中直观的反映，我们以后会有更详细的百分比出来，