我国超高层建筑结构分析与探讨20180803

上海中心大厦 （圆弧倒角）
三、超高层建筑结构设计新技术
3.1 气动优化技术研究 （2）建筑物立面外形优化——锥形化立面、阶梯缩进平面
锥形化立面与阶梯缩进平面只改变平面比例尺寸，不改变平面形状。 锥形化立面随高度变化，按一定速度连续缩小平面的比例尺寸。 阶梯缩进每隔一定高度，缩小一次比例尺寸。
苏州国际金融中心
大连国贸中心
消防水箱兼做TLD（约590t）
浅水水箱（TLD）置于大厦顶层
三、超高层建筑结构设计新技术
3.2 风振控制技术研究——主动质量阻尼器（AMD）
主动质量阻尼器是将结构响应的反馈和结构中关键位置处激励的前馈，经计算机分析处理 后向驱动器发送适当的消息，将惯性控制力施加于结构实现振动控制。
台北101——1个660吨TMD
三、超高层建筑结构设计新技术
3.2 风振控制技术研究——调谐液体阻尼器（TLD）
调谐液体阻尼器是利用晃动的液体吸收并耗散结构振动能量的附加阻尼系统。 TLD实质上是箱体，部分以液体（一般为水）填充并置于结构顶部。通过选择合适的TLD
箱体尺寸和液体深度，可将晃动的频率“调谐”至结构的自振频率。
① 截至2018年5月底，我国已建成250m以上超高层建筑共170幢；在建250m 以上超高层建筑共84幢；
② 我国已建成的250m以上超高层建筑主要分布于珠三角、长三角等经济发达区 域；受“一带一路”政策影响，我国在建的250m以上超高层建筑分布区域明 显向西部地区转移，约占35%；
③ 对于我国在建的250m以上超高层建筑，位于8度以上高烈度地震区的建筑数 量明显增加（约占14%）；位于基本风压大于0.5kN/m2强风地区的建筑数量 有所减小（约占32%）。
结构高度/m
500
450
框架-核心筒、框筒-核心筒适用于高度250~400m
400
的超高层建筑。
350
300
250 框架-核 框筒-核 巨型框架- 巨型框架心筒 心筒 核心筒 核心筒-巨 型支撑
各结构体系在不同高度超高层建筑中的分布
巨型框架-核心筒、巨型框架-核心筒-巨型支撑适用 于高度400m以上的超高层建筑。
一、我国超高层建筑发展现状
数量
我国250米以上在建超高层建筑数量统计
45
40
40
35
30
30
25
20
15
10
6
8
5
0 250~300
300~400
400~500
500+
高度/m
我国250米以上在建超高层建筑数量统计
400~500 7%
500+ 9%
300~400 36%
250~300 48%
截至2018年5月底，我国在建250m以上的超高层建筑共84幢。 在建的超高层建筑主要集中于250~300m与300~400m，分别占48%和36%。 500m以上在建超高层建筑有8幢，典型的有武汉绿地中心（636m）、天津高银117大厦
二、超高层建筑发展特点
2.1 建筑功能 2.2 结构体系 2.3 结构材料 2.4 小结
2.1 建筑功能
克莱斯勒大厦 帝国大厦 （319m） （381m）
约翰汉考克中心 （344m）
世贸中心 （417m）
二、超高层建筑发展特点
21世纪以前
吉隆坡石油双塔 广州中信广场 日本Landmark Tower
我国超高层建筑结构分析与探讨
丁洁民 吴宏磊 王世玉
同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 2018.06
汇报内容
我国超高层建筑发展现状 超高层建筑发展特点 超高层建筑结构设计新技术 300m级与500m级超高层建筑结构设计探讨 结论及展望
一、我国超高层建筑发展现状
1.1 建筑高度 1.2 分布地区 1.3 小结
32%
250m以上建成超高层建筑
250m以上在建超高层建筑
我国已建成的超过250m的超高层建筑中，位于风压大于0.5kN/m2的强风地区的数量约 占总数的43%。
我国正在建的超过250m的超高层建筑中，位于风压大于0.5kN/m2的强风地区的数量有 所减小，约占总数的32%。
1.3 小结
一、我国超高层建筑发展现状
随高度改变平面形状的方法，主要是使建筑在不同高度处的平面形状发生改变。
上海中心大厦
210º 180º 150º 120º 90º
塔楼外表皮旋转120o （平面形状随高度扭转）
3.1 气动优化技术研究 （3）改变局部形态——附加开洞
三、超高层建筑结构设计新技术
通过附加开洞改变风场环境。合适的开洞有利于控 制建筑物整体的风致响应，同时使建筑更加美观。
我国正在建的超过250m的超高层建筑分布仍以6度及7度（0.1g）地区为主，但8度以上 高烈度地区数量明显增加，约占14%。
1.2 分布地区 基本风压
一、我国超高层建筑发展现状
0.5kN/ m2以下 (含0.5)
57%
0.5kN/ m2以上
43%
0.5kN/ m2以下 (含0.5)
68%
0.5kN/ m2以上
随着建筑高度的不断增加，结构抗侧刚度趋于变柔、阻尼降低，结构对风作用更加敏感。 通过采用气动优化技术，可有效减小结构风荷载响应，从而降低结构造价。
建筑物平面外形优化：平面轮廓优化、角部修正
超高层建筑 气动优化技术
建筑物立面外形优化：锥形化立面、阶梯缩进平面、随高度改变平面形状
改变局部形态：附加开洞、附加扰流翼、塔冠形态复杂化
③ 我国250m以上超高层建筑结构材料主要以钢、混凝土混合应用为主。
三、超高层建筑结构设计新技术
3.1 气动优化技术研究 3.2 风振控制技术研究 3.3 耗能减震技术研究 3.4 高性能材料的应用研究 3.5 数字化技术的应用研究 3.6 小结
3.1 气动优化技术研究
三、超高层建筑结构设计新技术
（596.6m），中国尊大厦（528m）、合肥恒大国际金融中心（518m）等。
一、我国超高层建筑发展现状
1.2 分布地区 地区分布
西北 1%
中部 9%
其他 7%
环渤海
11%
珠三角 34%
西南 9%
长三角 29%
西北 9%
其他 12%
珠三角 19%
中部 11%
环渤海 9%
长三角 14%
西南Baidu Nhomakorabea26%
截至2018年5月底，我国已建成250m以上的超高层建筑共170幢。 超高层建筑主要集中在250~300m，约占64%。 500m以上已建成超高层建筑仅有4幢，分别为上海中心大厦（632m）、平安金融中心
（599.1m）、广州周大福金融中心（533m）、台北101大厦（508m）。
1.1 建筑高度
1.1 建筑高度
一、我国超高层建筑发展现状
数量
我国250米以上已建成超高层建筑数量统计
120
108
100
80
60
50
40
20
0 250~300
300~400
8
400~500
4
500+
高度/m
我国250米以上已建成超高层建筑数量统计
400~500 5%
500+ 2%
300~400 29%
250~300 64%
（452m）
（390m）
（296m）
1930
1940
建筑 功能
办公楼为主
办公楼为主
1980
办公楼、酒店
2000
二、超高层建筑发展特点
2.1 建筑功能
2000~2020
台北101 上海环球金融中心 迪拜Almas Tower 美国特朗普国际酒店 沙特国王塔 迪拜哈立法塔 上海中心 平安金融中心 中国尊
250m以上建成超高层建筑
250m以上在建超高层建筑
我国已建成的超过250m的超高层建筑主要分布于珠三角、长三角等经济发达区域，建筑
数量分别占34%和29%。
我国正在建的超过250m的超高层建筑在珠三角、长三角地区分布比例减少，分布明显向
西部地区转移，西南地区约占26%，西北地区约占9%。
1.2 分布地区 抗震设防烈度
8度+ 7% 7度 （0.15g） 16%
6度 33%
7度 （0.1g）
44%
一、我国超高层建筑发展现状
7度 （0.15g）
4%
8度+ 14%
7度 （0.1g）
34%
6度 48%
250m以上建成超高层建筑
250m以上在建超高层建筑
我国已建成的超过250m的超高层建筑主要分布于6度及7度（0.1g）地区，约占77%；7 度（0.15g）及以上高烈度地区数量约占23%。
508m
492m
360m
423m
1000m
828m
632m
599.1m
528m
2000
建筑 功能
综合体为主
2020
2.2 结构体系
二、超高层建筑发展特点
700
250m以上的超高层建筑结构一般主要采用4种结
650
构体系：框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-
600
550
核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撑。
相关研究表明：开洞位置选在0.8H~0.9H时，对减 弱横风向风荷载最为有效。
上海环球金融中心
大连绿地中心
武汉绿地中心
3.2 风振控制技术研究
三、超高层建筑结构设计新技术
超高层建筑风振舒适度问题显著，改善超高层建筑风振舒适度的措施有：增大结构抗侧刚 度、空气动力学优化、附加减振阻尼系统。
常用的附加减振阻尼系统主要包括：调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）、 主动质量阻尼器（AMD）、电磁涡流调谐质量阻尼器（EC-TMD）等
上海环球金融中心 （锥形化+削角）
金茂大厦 （阶梯缩进）
三、超高层建筑结构设计新技术
3.1 气动优化技术研究 （2）建筑物立面外形优化——随高度改变平面形状
不同的平面形状对应不同的斯托罗哈数，影响涡激共振产生的临界风速。平面形状的改变， 扰乱脉动风荷载沿高度的相关性，削弱叠加效应，从而减弱结构风致响应。
三、超高层建筑结构设计新技术
3.1 气动优化技术研究 （1）建筑物平面外形优化——平面轮廓优化
对于超高层建筑来说，采用矩形平面往往抗风效率低。相较而言，平面为圆形、椭圆形、 三角形、Y形、月牙形的建筑，对风荷载的敏感性均没有矩形平面的建筑强。
玛利纳大楼 （圆形平面）
美国钢铁大厦 （三角形平面）
多伦多市长大厅 （月牙形平面）
2.3 结构材料
二、超高层建筑发展特点
混凝土结构 19%
混合结构 77%
纯钢结构 4%
混凝土结构 纯钢结构 混合结构
高度250m以上超高层建筑的材料使用情况
（1）超高层建筑所采用的材料可分为三类：钢结构、 混凝土结构和钢-混凝土混合结构。
（2）超高层建筑采用的材料主要以混合结构为主， 约占77%；其次为混凝土结构，约占19%；纯钢结构 应用最少，约占4%。
上海环球金融中心——2个300吨AMD
300吨阻尼器
Floor 90
2 sets
三、超高层建筑结构设计新技术
3.2 风振控制技术研究——电磁涡流式调谐质量阻尼器（EC-TMD）
永磁体
导体板
电磁涡流式调谐质量阻尼器工作原理：
电磁感应定律：导体板在磁场中切割磁力线运 动，会在导体板中产生电动势，形成电涡流。
将TMD重量由1200吨降低到1000吨，显著 降低了TMD与主结构的造价。
（3）钢-混凝土混合结构是将钢与混凝土组合而成的 结构体系，可有效发挥钢与混凝土自身优点，因此， 超高层建筑中，钢-混凝土混合结构应用最为广泛。
2.4 小结
一、我国超高层建筑发展现状
① 随着社会经济的不断发展，超高层建筑功能逐渐由单一功能为主转变为综合体形式；
② 我国250m以上超高层建筑结构主要采用4种结构体系：框架-核心筒、框筒-核心筒、 巨型框架-核心筒、巨型框架-核心筒-巨型支撑；
楞次定律：电涡流产生与原磁场方向相反的新 磁场，形成阻碍导体板运动的阻尼力。
能量守恒原理：机械能-电能-热能，形成能量 耗散。
三、超高层建筑结构设计新技术
3.2 风振控制技术研究——电磁涡流式调谐质量阻尼器（EC-TMD）
上海中心大厦
首次将电磁涡流技术引入到超高层建筑TMD 阻尼系统中，有效提高了TMD的工作效率与 稳定性。
三、超高层建筑结构设计新技术
3.1 气动优化技术研究 （1）建筑物平面外形优化——角部修正
角部修正通过改变分离剪切层的特征，促使其再附着，减小尾流宽度，从而有效地降低阻 力和脉动升力；同时，角部修正对抑制气弹不稳定性也有效。
对建筑平面轮廓的角部修正主要有倒角、削角和圆形化等措施。
台北101大厦 （削角+倒角）
调谐质量阻尼器 （TMD）
调谐液体阻尼器 （TLD）
主动质量阻尼器 （AMD）
电磁涡流调谐质量 阻尼器（EC-TMD）
三、超高层建筑结构设计新技术
3.2 风振控制技术研究——调谐质量阻尼器（TMD）
调谐质量阻尼器是由弹簧或套索、质量块、阻尼器等组成的减振系统，用来调整系统的固有频 率，使之与主体结构的控制振型形成共振，系统产生惯性力，抑制主体结构振动。