超高层建筑设计过程变形控制

超高层建筑变形控制
1.竖向变形控制
一般的多层利高层建筑相比，超高层结构的设计除了需要在结构体系选择、抗震设计、抗风设计等方面有更高的要求之外，还需要考虑非荷载作用下的结构变形和内力分析。

非荷载作用主要包括温度作用和混凝土的收缩、徐变以及地基的不均匀沉降等。

由于超高层结构高度可能在两三百米以上，以及不同竖向构件在压应力水平、材料等方面存在明显差异，还有混凝土材料的徐变、收缩等非荷载作用时，因此超高层结构必然产生不可忽视的竖向变形及差异。

在国外，二十世纪七十年代以后，高层建筑的竖向变形筹问题逐渐引起人们的注意。

美国的Russell H G等人对两幢钢筋混凝十高层建筑竖向变形进行了跟踪测试，其中高197m的Lake Point Tower，经过3年后柱的最大轴向变形超过了200mm；高262m的Water Tower Place经过五年后柱与墙的轴向变形差超过23mm，虽然该建筑在层13～14设有刚性转换层，第32层为刚度很大的设备层，但竖向构件间的轴向变形差异依然很明显。

这些与时间和环境相关的超高层结构竖向构件变形及差异，将使相邻的结构构件及非结构构件产生附加应力，还可能影响设备的安装使用。

国内外的研究者对结构的竖向变形及著异问题进行了分析和探讨。

杨丽、郭忠恭研究了钢筋泓凝土构件徐变和收缩的有关理论和公
式，得竖向构件由于徐变和收缩产生的非弹性缩短，认为超过lOOm 的高层混凝十结构应该考虑徐变和收缩的影响。

高层建筑中，核心筒、角柱、边柱的竖向变形差异来自多个方面。

在竖向荷载作用下，各个部位垂直构件的截面轴向应力有高有低。

在结构施工时，核心筒施工往往先于周边框架柱施工，造成结构各部分受荷时间有先有后。

加上混凝土的弹性压缩、收缩、徐变以及温度变化等因素影响，最终会使得结构构件产生可观的竖向变形及变形差异。

这些变形将给设备安装带来不利影响，同时也会在结构中产生附加力矩。

一般而言，当结构超过30层或总高度大于100m时，在施工中就应当对此进行考虑。

2混
3弹性压缩
4收缩变形
5徐变变形
6温度变形
7总变形
将弹性压缩变形、收缩变形、徐变变形及温度
变形相加，得到柱或墙的竖向变形为
计算表明，第九层外柱缩短量可达25mm，
稍加计算可以得出在二十五层层顶外柱可能达到
55mm左右的竖向变。

20世纪90年代以来，钢框架～钢筋混凝土或型钢混凝土筒体体系在我国超高层建筑中发展迅速，成为我国超高层中使用最多的结构体系，习惯上称之为SRC 结构体系。

SRC超高层建筑中的立柱或筒体，集聚了楼层的荷载，高度方向上相对较长，以及材料的依时变形等，所以会产生较大的竖向变形。

在SRC超高层建筑中，由于核心筒和外框架通常为不同的材料，这样竖向变形差异问题就更加突出尖锐。

观测研究高层超高层建筑钢筋混凝土柱竖向缩短可追溯到上世纪70年代阻，以往多从徐变度、徐变系数出发来研究高层及超高层建筑竖向缩短问题，以及在弹性徐变理论的基础上，引入加载影响系数，来预测和估算SRC超高层建筑的竖向变形。

但这些预测和估算方法和实际之间的差异主要有：
(1)基本上仍为构件层次，没有考虑结构连续，内力重分布的调整作用：
(2)没有考虑结构逐步成型的，不能利用最终结构进行计算；
(3)超高层建筑施工过程中荷载(主要是自重)是逐步施加的；
(4)没有考虑施工过程中逐层找平对竖向变形差异的调整作用。

1 竖向变形差异的计算
2. 水平变形控制
现今世界上超高层建筑遍地开花。

超高层建筑的建造是多个领域高新技术的综合体现，其中建筑物结构之设计最为重要。

要确保安全，首先要有超强抗地震能力。

另外还必须考虑居住上的舒适性，在遇较大风力时能减小建筑物的摇晃。

高层建筑要承受侧向的风力，这一点是毋庸置疑的。

但对建筑物影响多大？
一般说，在正常的风压状态下，距地面高度为10米处，如风速为5米／秒，那么在90米的高空，风速可达到15米／秒。

若高达300-400米，风力将更加强大，即风速达到30米／秒以上时，摩天大楼会产生晃动。

纽约世贸中心在春季刮风时，通常摇晃偏离中心6-12英寸(15-30厘米)，在强飓风作用下，位移可达3英尺(1英尺约等于30厘米)，设计按最大风力下的最大偏离为4英尺。

芝加哥西尔斯大厦在大风情况下最大偏离中心可达6英尺，据说装了陀螺平衡装置后可调到5英尺。

2.1 人体对风振的感知情况
由于超高层建筑不断向更高更柔方向发展，在风力作用下更易振动．对结构安全和人体舒适度产生不利影晌。

所以在进行高层建筑设计的时候．建筑物的抗风设计至关重要。

通常我们认为可以通过控制结构的侧移来满足要求。

其实不然，大量试验研究指出，人体对加速度比较敏感，而对速度和位移不够敏感。

人体对各种振动加速度的反应如表1-2所示，一般情况下加速度小于15gal就不会有不舒服的感觉。

2.2 规范的限值
4.6.3 按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比△u/h宜符合以下规定：
1 高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于表4.6.3的限值
2 高度等于或大于250m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于1/500；
3 高度在150～250m之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h的限值按本条第1款和第2款的限值线性插入取用。

注：楼层层间最大位移△u以楼层最大的水平位移差计算，不扣除整体弯曲变形。

抗震设计时，本条规定的楼层位移计算不考虑偶然偏心的影响。

4.6.6 高度超过150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009规定的10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax不应超过表4.6.6的限值。

必要时，可通过专门风洞试验结果计算确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax，且不应超过表
4.6.6的限值。

2.2 减小风振动加速度的途径
2.2.1合理的建筑体形
(1)流线形平面
采用圆彤或椭圆形等流线形平面的建筑物，有利于减少作用于结构上的风荷载。

采用三角形或矩形平面的高层建筑，转角处设计成圆角或切角，可以减少转角处的风压集中。

(2)截锥状体形
高层建筑若采用上小下大的截锥体体形，由于顶部尺寸交小，减少了楼房上部较大数值的风荷载，并减小了风荷载引起的倾覆力矩，从而使风振时的振幅和加速度得以较大的减小。

(3)不大的高宽比
房屋高宽比是衡量一栋高楼抗推刚度和侧移控制的一个主要指标，应该满足一定的高宽比限值。

2.2.2阻尼装置
结构体系中，风振控制装置属非承重构件，其功能仅在结构中发挥耗能作用，而不承担导荷承载作用，即增加风振控制装置不改变主体结构竖向受力体系。

一般情况下，结构越高、越柔、跨度越大、振动越强、风压越高，则控制效果越显著。

目前，风振控制技术已在国内外众多高层、高耸结构中应用，如纽约世界贸易中心采用的lO 000个黏弹性阻尼器对结构进行风振控制，并取得了良好的控制效果；哥伦比亚Sea First大厦采用黏弹性阻尼器对其进行风振控制，使结构阻尼比从0．8％提高到6．4％；澳大利亚悉尼Centerpoint Tower将TMD设置在结构顶部以控制风振反应，使结构第一、第二振型的阻尼水平从1％和0．4％增加到1．2％和1．5％，结构风振加速度减小了40％-50％。

主要有以下几种。

(1)调液阻尼器(Tuned Liquid Damper。

TLD)
此装置是一种被动控制装置，它是利用结构上固定容器中液体的惯性和粘性耗能来减小结构的振动。

通常可以与结构上的诸水装置结合使用，这种阻尼器有很多的优点：
1)经济
基本上不增加费用或增加很少的费用
2)简单易行
可方便的将盛水容器放置在建筑物上
3)可短期和长期使用
4)维护费用少
5)多用途
可以利用水箱做供水装置和阻尼器。

这种方法广泛用于高层建筑中，效果明显。

(2)调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper。

TMD)
TMD是对TLD的一种变化。

在高程建筑中，当不适合采用TLD时，可以采用调谐质量阻尼器(T如)，同样对于结构风振控制也是有效的。

目前已有些应用TMD控制结构风振的建筑。

典型的应用有：上海金茂中心，台北101大楼等试验、理论分析和实际工程证明TMD是一种非常有效的控制风振的措施。

台北101设置的调和质块阻尼器（tuned mass damper），就是在87--92楼层中间挂置一个重达660吨的巨大钢球，当建筑遇到强烈震
动时，阻尼球可像“钟摆”一样，朝着建筑倾斜的反方向运动，平衡建筑物，减缓建筑物晃幅,达到消能减震。

平时大楼受风吹袭会微幅摆动，坐在大楼里的人会有晕眩的感觉，这颗阻尼器的主要目的在于平衡风力造成的大楼摆荡，提高人的舒适感。

上海环球金融中心
去年8月建成的我国大陆第一高楼——上海环球金融中心，就是安装了两台用来抑制建筑物由于强风引起摇晃的风阻尼器。

专家称，超高层建筑遭遇6级以上强风时，建筑内的人会有轻微摇晃感。

考虑到上海时常遭遇台风袭击，因此特别安装了这样的风阻尼器。

风阻尼器的主要部分是由钢索悬吊的两个各重约150吨的配重物
体，悬挂在90层（395米处）。

当强风来袭时，该装置使用传感器来探测风力大小和建筑物的摇晃程度，并通过计算机经由弹簧、液压装置来控制配重物体向反方向运动，从而降低建筑物的摇晃程度。

其运作原理就像身处摇晃小船上的人，将身体朝小船晃动的反方向移动，来取得平衡。

如果强风从北面刮来，配重物就好比一个巨大的“钟摆”摆向北面，使风阻尼器会产生一种与风向相反的力量，从而化解建筑物的摇晃程度，抵消强风对建筑物的影响。

使用了这一装置之后，能把强风加在建筑物上的加速度降低40%左右，这样一来，即使遭受强风袭击，建筑内的人也基本感觉不到建筑物的摇晃。

另外，风阻尼器也可以降低强震对建筑物、尤其是建筑物顶部的冲击。

广州塔。