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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小结一、我国超高层建筑发展现状1.1建筑高度截至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）。1085084020406080100120250~300300~400400~500500+数量高度/m我国250米以上已建成超高层建筑数量统计250~30064%300~40029%400~5005%500+2%我国250米以上已建成超高层建筑数量统计一、我国超高层建筑发展现状1.1建筑高度截至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（596.6m），中国尊大厦（528m）、合肥恒大国际金融中心（518m）等。403068051015202530354045250~300300~400400~500500+数量高度/m我国250米以上在建超高层建筑数量统计250~30048%300~40036%400~5007%500+9%我国250米以上在建超高层建筑数量统计一、我国超高层建筑发展现状1.2分布地区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%。地区分布珠三角34%长三角29%西南9%环渤海11%中部9%西北1%其他7%珠三角19%长三角14%西南26%环渤海9%中部11%西北9%其他12%一、我国超高层建筑发展现状1.2分布地区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%。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%。抗震设防烈度6度33%7度（0.1g）44%7度（0.15g）16%8度+7%6度48%7度（0.1g）34%7度（0.15g）4%8度+14%一、我国超高层建筑发展现状1.2分布地区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%。0.5kN/m2以上43%0.5kN/m2以下(含0.5)57%0.5kN/m2以上32%0.5kN/m2以下(含0.5)68%基本风压一、我国超高层建筑发展现状1.3小结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%）。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小结二、超高层建筑发展特点2.1建筑功能19301940克莱斯勒大厦（319m）帝国大厦（381m）约翰汉考克中心（344m）世贸中心（417m）19802000吉隆坡石油双塔（452m）广州中信广场（390m）日本LandmarkTower（296m）建筑功能办公楼为主办公楼为主办公楼、酒店21世纪以前二、超高层建筑发展特点2.1建筑功能2000台北101508m上海环球金融中心492m迪拜AlmasTower360m美国特朗普国际酒店423m2020沙特国王塔1000m迪拜哈立法塔828m上海中心632m建筑功能综合体为主2000~2020中国尊528m平安金融中心599.1m二、超高层建筑发展特点2.2结构体系各结构体系在不同高度超高层建筑中的分布250m以上的超高层建筑结构一般主要采用4种结构体系：框架-核心筒、框筒-核心筒、巨型框架-核心筒和巨型框架-核心筒-巨型支撑。框架-核心筒、框筒-核心筒适用于高度250~400m的超高层建筑。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。250300350400450500550600650700结构高度/m框架-核心筒框筒-核心筒巨型框架-核心筒巨型框架-核心筒-巨型支撑二、超高层建筑发展特点2.3结构材料高度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%。（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。混凝土结构19%纯钢结构4%混合结构77%混凝土结构纯钢结构混合结构一、我国超高层建筑发展现状2.4小结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；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小结三、超高层建筑结构设计新技术3.1气动优化技术研究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。超高层建筑气动优化技术改变局部形态：附加开洞、附加扰流翼、塔冠形态复杂化建筑物平面外形优化：平面轮廓优化、角部修正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）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）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。金茂大厦（阶梯缩进）上海环球金融中心（锥形化+削角）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——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。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。210º180º150º120º90º塔楼外表皮旋转120o（平面形状随高度扭转）上海中心大厦三、超高层建筑结构设计新技术3.1气动优化技术研究（3）改变局部形态——附加开洞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。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三、超高层建筑结构设计新技术3.2风振控制技术研究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）等主动质量阻尼器（AMD）调谐质量阻尼器（TMD）电磁涡流调谐质量阻尼器（EC-TMD）调谐液体阻尼器（TLD）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。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。苏州国际金融中心消防水箱兼做TLD（约590t）大连国贸中心浅水水箱（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。Floor902sets上海环球金融中心——2个300吨AMD300吨阻尼器三、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）电磁涡流式调谐质量阻尼器工作原理：永磁体导体板电磁感应定律：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。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。电磁涡流式调谐质量阻尼器将TMD重量由1200吨降低到1000吨，显著降低了TMD与主结构的造价。塔楼顶部风致加速度降低43%，高端酒店舒适度大幅度提高。三、超高层建筑结构设计新技术3.3耗能减震技术研究阻尼器分类金属阻尼器开孔式软钢阻尼器（HADAS）屈曲约束耗能支撑（BRB）黏弹性阻尼器黏滞类阻尼器黏弹性阻尼器（VED）杆式黏滞阻尼器（VFD）黏滞阻尼墙（VDW）摩擦阻尼器摩擦阻尼器（FD）常用常用位移型阻尼器速度型阻尼器三、超高层建筑结构设计新技术3.3耗能减震技术研究——金属阻尼器金属阻尼器主要由软钢、低屈服点钢和铅等材料制成，利