超高层防震建筑结构论文

1我国超高层建筑发展现状
1.1建筑高度
截至2012年底，我国共建成高度超过250m的超高层建筑94幢，其高度分布比例如图1所示。高度250～300m的超高层建筑数量最多，约占建筑总数的59%;高度500m以上超高层建筑仅1幢;港澳地区超高层建筑共计18幢，约占总数的20%。这一阶段国内典型超高层建筑，有上海环球金融中心(高度492m)和深圳京基金融中心(高度442m)。2013—2018年，我国计划建成高度250m以上的超高层建筑共计164幢，如图2所示。与图1相比，高度300～400m的超高层建筑数量显著增多，约占总数的43%。港澳地区超高层建筑共2幢，约占总数的1.2%。除超高层建筑数量增多外，超高层建筑的高度近年来不断增加。高度500m以上的超高层建筑增多，部分建筑高度已突破600m。如上海中心大厦，总高度632m。建成之后将与高度420m的金茂大厦、492m的环球金融中心共同构成浦东陆家嘴金融城的新三角。建造中的深圳平安金融中心塔楼桅杆顶高度为648m。
1.2分布地区
截至2012年底，我国已建成高度250m以上的超高层建筑地域分布如图3所示，可见，超高层建筑主要集中在经济较发达的珠三角和长三角地区;主要城市包括上海、香港、广州和深圳。2013—2018年，我国计划建设高度250m以上的超高层建筑分布如图4所示，可见，超高层建筑分布区域明显增加，其中环渤海地区将成为超高层建筑的集中地，二线城市的超高层建筑数量亦显著增加。
2超高层建筑结构发展新特点
2.1结构体系
高度超过250m的超高层建筑结构，一般采用框架-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4种结构体系，分别适用于不同高度的超高层建筑，如图5所示。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300m以上的超高层建筑。框架-核心筒结构是目前高层及超高层结构中应用最广泛的结构形式之一。核心筒除了四周的剪力墙外，内部还有楼梯间、电梯间的分隔墙，核心筒的刚度和承载力都较大，成为抗侧力的主体，框架承受的水平剪力较小。为使周边框架柱参与抗倾覆，增大结构抗倾覆力矩的能力，在核心筒和框架柱之间设置水平伸臂构件。伸臂桁架使一侧框架柱受压、另一侧框架柱受拉，减小结构的侧移和伸臂构件所在楼层以下核心筒的弯矩。为了进一步增大结构的刚度，使周边的框架柱都参与抗倾覆力矩，在设置伸臂构件的楼层设置周边环带构件。设置加强层后，框架-核心筒结构的建造高度与筒中筒结构的建造高度接近。巨型框架-核心筒-巨型支撑结构具有多道抗震防线。设置巨型支撑可提高结构抗侧刚度，且减小刚度突变;水平地震作用下，巨型支撑可提高外框架刚度，使框架底部剪力和弯矩明显提高。在建的上海中心大厦塔楼抗侧力体系为巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系［1］。在8个机电层区布置6道两层高的外伸臂桁架和8道箱形空间环形桁架。由箱形空间环形桁架和巨柱形成外围巨型框架。在建的深圳平安中心大厦，采用巨型斜撑框架-核心筒-外伸臂体系。结构设置了4道钢外伸臂，将核心筒与巨柱有效地连接在一起，从而控制层间位移，改善结构的承载性能，增加了承载冗余度和结构抗侧刚度。7道空间双桁架均匀布置于每区避难/机电层，用于连接巨柱，将结构的外围形成巨型框架，承担大部分由侧向力引起的倾覆力矩。
2.2结构材料
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。钢结构强度高、自质量轻、抗震性能好，施工速度快，但由于造价较高、防火性能差等问题，限制了钢结构在高层建筑中的广泛应用。混凝土结构可塑性强、用钢量少，取材方便，维护成本低，加之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广泛应用。然而，混凝土结构存在自质量大、结构构件尺寸较大等问题。钢-混凝土混合结构是将钢与混凝土组合而成的结构类型，可有效发挥钢与混凝土自身的优点。图8为我国高度250m以上超高层建筑结构体系材料的使用情况，由图可见，我国超高层建筑结构中，钢-混凝土混合结构占98.4%。如上海环球金融中心及金茂大厦内部均为钢筋混凝土核心筒，外框为型钢混凝土柱及钢柱［3-4］;正在建设中的天津117大厦，外框采用钢管混凝土柱，核心筒在底部区域采用钢板混凝土剪力墙结构。
2.3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9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:上海国金中心(高度250m)、郑州绿地广场(高度283m)［5］、兰州鸿运金茂(高度250m)［6］、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10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。图9和图10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。
3超高层建筑结构分析进展
3.1抗风优化设计研究
随着建筑高度不断增加，结构抗侧刚度趋于变柔、阻尼降低，结构对风作用更加敏感，因此，建筑形态成为超高层建筑结构设计中一个重要的控制因素。建筑形态的空气动力学优化，减小结构风荷载和控制建筑舒适度，从而降低结构造价。超高层建筑的空气动力学优化主要体现在平面、立面和局部形态等方面［7］。
3.1.1选取合适的平面形状
一般的高层建筑采用矩形平面，但对于超高层建筑，采用矩形平面不利于结构抗风。相比而言，平面为圆形、椭圆形、三角形、Y形、月牙形的建筑，对横向作用力的敏感性没有矩形平面强。此外，角部修正也是建筑平面形状优化的另一重要方面。角部修正主要有倒角、削角和圆形化(图11［8］)。角部修正改变剪切层的流动特征，促使分离流再附，减小尾流宽度，从而有效地降低阻力和脉动升力。
3.1.2沿高度变化调整平面
沿高度变化调整平面可以分为两种形式:一种是锥形化立面与阶梯缩进平面;另一种是随高度变化改变平面形状。锥形立面与阶梯缩进平面的建筑平面宽度随建筑高度的增加而减小，产生涡激共振的临界风速也减小。而边界层内的风剖面表明［8］，风速随高度的增加而增大，这就使得涡激共振得到有效控制。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。不同的平面形状对应着不同的斯脱罗哈数，这将影响涡激共振产生的临界风速。同时，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，从而达到减弱风致响应的目的。
3.1.3改变局部形态
改变局部形态的优化方法通常是在前两类方法的基础上使用。该方法具体可分为建筑附加开洞、附加扰流翼、以及使塔冠形态复杂化［7］。
3.2长周期地震作用研究
超高层建筑的长周期特点成为结构设计的重点。在超高层建筑结构设计中，有必要考虑不同长周期地震运动参数的影响。受模拟式强震仪频率特性的限制，长周期地震记录数量较少或者欠精确，准确的记录往往集中在3s以内。因此，本文的长周期定义为大于3s。对超高层建筑，由于高宽比较大，自振频率较低，结构低阶自振频率的响应构成结构动力响应的主要成分，针对结构的长周期效应，以3个超高层结构作为算例进行分析，研究长周期效应对超高层抗震设计的影响。工程概况:上海中心大厦(模型A)高度为632m，124层，采用巨型框架-核心筒-环带桁架-伸臂桁架结构体系，包括12根巨柱，8道环带桁架，6道伸臂桁架和内含钢骨的核心筒剪力墙［1］。长沙国际金融中心(模型B)高452m，采用框架-核心筒-环带桁架-伸臂桁架结构体系，包括20根框架柱，5道环带桁架，2道伸臂桁架和内含钢骨的核心筒剪力墙［9］。郑州绿地广场(模型C)高度为283m，采用框架-核心筒-环带桁架结构体系［5］。采用ETABS软件进行模态分析。结构沿X向的自振周期如表1所示。可见，模型A的前2阶振型、模型B和模型C的第1阶振型均为长周期振型(周期大于3s)，结构越高，长周期振型越多。采用设计地震反应谱法对对上述3个结构模型进行地震响应分析。多遇地震设计参数如表2所示。表3给出了3个结构模型X向地震响应结果。由表2、3可见，结构长周期模态的基底剪力占结构地震总响应的50%以上;长周期模态的倾覆力矩占结构总响应的90%以上。超高层建筑总动力响应中，长周期响应分量占据了绝大部分。
3.3耗能减震技术研究
消能减震结构是在结构上附加衰减机能，在地震作用下吸收地震能量，进而实现消能减振。消能减震结构所使用的消能部件分为:利用位移相关性的消能部件和利用速度相关性的消能部件。黏滞阻尼器为速度相关性消能部件，此种消能部件通过依靠速度产生的内力吸收能量。菲律宾马尼拉SaintFrancisShangri-La双塔［10］，每个塔楼高210m，在加强层处设置8个悬臂墙，每个悬臂墙的端部连接处设置2个垂直放置的黏滞阻尼器。该阻尼器的布置较好地降低了塔楼在侧向荷载作用下的结构响应，工作效率较高。文献［11］研究了黏滞阻尼器在伸臂桁架体系中的应用。通过对比普通刚性伸臂加强层方案与设置粘滞阻尼器的伸臂方案在地震作用下的结构动力响应，分析塑性损伤结果及能量耗散情况，结果表明:黏滞阻尼器在伸臂桁架结构中的设置可以吸收地震能量，减小结构的地震响应，同时减小核心筒剪力墙的塑性损伤，是提高结构抗震性能的有效方法。
4结论及展望
1)超高层建筑数量不断增加，分布地区由长三角、珠三角地区向全国其他区域扩展，环渤海地区以及部分二线城市超高层建筑发展迅速。2)随着建筑结构高度的增加，巨型框架和巨型支撑应用较多，钢-混凝土混合结构在超高层建筑结构中应用广泛。3)超高层建筑土建工程造价约占建安造价的30%～40%，随着塔楼高度的增加，土建造价将有所提高。4)将合适的空气动力学优化方法，在超高层建筑中通过具体的建筑与结构设计来实现，可以同时达到减小建筑的风致响应与保证建筑形态优美的目的。5)结构高度越高，长周期振型越多;超高层建筑总动力响应中，长周期模态的基底剪力占结构地震总响应的50%以上;长周期模态的倾覆力矩占地震总响应的90%以上。长周期地震作用对超高层建筑结构影响显著。6)耗能减震技术可有效降低结构的地震作用响应，提高超高层建筑结构抗震性能，是未来超高层建筑结构抗震的发展方向。