超高层建筑结构设计

超高层建筑结构设计现状分析一、前言二、结构材料三、超高层建筑结构设计的特点四、结构体系五、建筑经济性分析六、结论及展望目录一、前言梁思成先生表达建筑的内涵是文化艺术、科学技术和工业经济互相交集的综合产品。众所周知，近现代高层建筑的迅速发展是与经济与科学技术的发展密切相关，同时还反映出时代艺术的鲜明特色。当代高层建筑的发展出现了两个趋势：一是世界高层建筑数量在持续增加，世界最高建筑记录被迅速竞相突破；二是在亚洲，中国已成为世界上高层建筑发展的主要区域，目前世界上最高建筑的前10名大多集中在亚洲。例如高度达828m、160层的世界第一高楼——哈利法塔（原名迪拜塔）更成了阿联酋经济和当代技术成就的见证，只要有值得建设的需要和足够的经济实力，当前的建筑结构技术已完全能建造1000m高的摩天大楼梦想成真。在超高层建筑设计中，结构体系不仅对超高层建筑结构的安全性与经济性影响巨大，而且对开拓建筑空间形式和使用功能的帮助最大，是超高层建筑结构设计及建造中最关键的核心技术体现，因此结构体系方案优选显得十分重要。（本文所指的超高层建筑是指房屋高度超过100m的高层建筑。）二、结构材料超高层建筑依所采用的结构材料可分为三种类型：钢结构、混凝土结构和钢-混凝土混合结构。2.1钢结构的优点是强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快，但由于国产大型钢供应困难，加上造价较高、施工精度要求高、防火性能差、舒适度较差等问题，限制了钢结构的普遍使用。2.2混凝土结构的优点是可塑性强、用钢量小、取材方便、施工简便、价格便宜、维护成本低，加上有抗震墙组合的各种高效结构抗力体系的应用，混凝土和钢筋强度等级不断提高，促使混凝土结构在超高层建筑建造中得到迅速应用。混凝土结构的缺点是自重大、结构的延性较差、施工速度较慢、结构构件占用的面积与空间较大。2.3钢-混凝土混合结构是指钢构件、钢与混凝土组合构件和钢筋混凝土构件相结合而成的结构类型，由于钢与混凝土组合构件形式较多，从而可形成多种多样的混合结构体系，这一结构类型能够有效发挥钢构件、钢与混凝土组合构件和钢筋混凝土构件的各自特长。混合结构与钢结构相比具有下列优点：结构的整体侧向刚度显著增大、用钢量减小、造价较低、防火性能较好。混合结构与混凝土结构相比具有下列优点：结构构件占用的面积与空间较小、施工速度快。混合结构的缺点是：钢构件、钢与混凝土组合构件和钢筋混凝土构件之间协同工作的性能有待深入研究，相应的规范控制指标还需进一步补充与完善。高度250m以上超高层建筑的材料使用情况(截至2016年底，共258幢)图1三、超高层建筑结构设计的特点结构专业在各专业中占有更重要的位置，不同结构体系的选择，直接关系到建筑平面的布置、立面体形、楼层高度、机电管道的设置、施工技术的要求、施工工期长短和投资造价的高低等。3.1水平力是设计主要因素在低层和多层房屋结构中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计。而在超高层建筑中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用。因为建筑自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与建筑高度的一次方成正比；而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、以及由此在竖向构件中所引起的轴力，是与建筑高度的两次方成正比。3.2侧移成为控指标与低层或多层建筑不同，结构侧移已成为高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形迅速增大，与建筑高度H的4次方成正比（△＝qH4/8EI）。3.3抗震设计要求更高有抗震设防的高层建筑结构设计，除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载外，还必须使结构具有良好的抗震性能，做到小震不坏、大震不倒。四、结构体系对于超高层建筑结构，水平风力与地震力将成为控制结构设计的主要因素。一般来讲，竖向荷载所需结构材料的数量与层数成线性关系增加；而抵抗水平荷载所需结构材料的数量与高度成指数关系增加，需要使用更多的结构材料来抵抗水平荷载。因此，一个好的结构体系方案其实质是一个比较高效的抗侧力结构体系方案，选择最高效的抗侧力结构体系方案成为了超高层建筑结构设计中首要的核心环节。通过对国内外更广泛的工程设计实践或研究新旧成果的总结，分别列举钢结构、混凝土结构各类结构体系的适用高度。在利用这些成果的基础上，将超高层建筑结构体系分为共同作用、部分整体作用、整体作用等三大类别，并结合其它的参考文献，提供钢结构、混凝土结构各种体系类型的建议适用高度分别见表1和表2。超高层钢结构体系适用高度表1钢筋混凝土结构体系适用高度与高宽比表2超高层结构体系的发展历程应为由初始低效能的共同作用体系迈步到中途中等效能的部分整体作用体系，再进步到最终高效能的整体作用体系。钢管混凝土结构各种体系类型的适用高度，见表3。表1～3可供超出现有国家规范或高度的超高层建筑结构体系选型时参考。不过值得提醒的是，根据广州、深圳等地使用钢管混凝土结构的实践经验，当有可靠依据时，钢管混凝土结构房屋的最大适用高度可以突破表3的相关规定。钢管混凝土结构房屋最大适用高度与高宽比表3五、建筑经济性分析超高层建筑结构工程造价的影响因素主要包括:建筑造型与平面布置建筑物所在地区的抗震设防烈度和风荷载结构体系选型和材料等方面图2统计了上海(抗震设防烈度7度)、郑州(抗震设防烈度7度，0.15g)及兰州(抗震设防烈度8度)地区7座超高层建筑单位面积所需的建安造价和土建造价，以分析建筑高度结构材料抗震设防烈度对工程造价的影响所涉及的工程实例有：海国金中心(高度250m)，郑州绿地广场(高度283m)，兰州鸿运金茂(高度250m)，上海嘉里中心(高度260m)、上海会德丰(高度280m)、上海恒隆广场(高度280m)和上海中心大厦(高度632m)，其中，上海嘉里中心、上海会德丰及上海恒隆广场为钢筋混凝土框架-核心筒结构，其余为SＲC外框-钢筋混凝土核心筒结构，图3以上海中心大厦为例，给出其土建工程各部分造价及其占土建工程总造价的百分比。超高层建筑实际工程造价统计图2上海中心大厦土建工程各部分单位面积造价图3图2和图3表明:1、超高层建筑高度增加，工程造价随之增加；2、混合结构造价高于钢筋混凝土结构；3、抗震设防烈度增加，工程造价随之增加；4、高度250～300m的超高层建筑，土建工程造价约占建安造价的30%～35%，当高度超过600m时，土建工程造价将超过建安造价的35%；5、超高层建筑地下部分与地上部分土建造价之比约4∶6。六、结论及展望6.1混凝土结构、钢-混凝土混合结构已成为当代超高层建筑的主要结构材料。超过高规B级高度的超高层建筑宜优先选用钢-混凝土混合结构或采用高强轻质的混凝土结构。钢管混凝土柱及钢管混凝土叠合柱与组合柱除具备高强度和大刚度的优点外，还具有良好的抗火、抗爆、抗冲撞性能等优点，在实际工程中宜加以利用。6.2超高层结构体系宜按共同作用、部分整体作用、整体作用等三大类别进行划分，这样更易于理解和把握各种超高层结构体系的实质作用。这三大类别结构体系抵抗水平力的效能是由低到高。结构体系方案优选顺序宜按效能由高到低的顺序进行，即先选择整体作用体系，再选择部分整体作用体系，最后才选择共同作用体系。6.3超高层建筑土建工程造价约占建安造价30%～40%，随着塔楼高度的增加，土建造价将有所提高。