国内高层建筑结构设计的若干新进展

　　[编者按]　伴随着新中国的成长,成立于1952年的广东省建筑设计研究院已走过了55年的光辉历程。55年来,广东省建筑设计研究院致力于建筑设计技术发展,始终坚持走科技强院的道路。作为我国华南地区一家以建筑与市政工程设计为主业,以城市规划、工程咨询、工程监理、工程总承包、工程代建、工程造价咨询、岩土勘察与工程检测以及CDA技术开发与应用等为重点业务的大型综合性设计研究院,技术研发领域覆盖了建筑、结构、市政、地铁、建筑设备、地基基础与岩土工程、景观园林与室内装饰、CDA开发与应用等多个专业科学,形成了自身的专业技术优势。近年来,广东省建筑设计研究院共获得国家、省、部级科学技术奖和优秀工程勘察设计奖共77项次,4项工程获中国土木工程詹天佑大奖,并获得“十五全国建设科技进步先进集体”称号,全院综合技术水平始终保持在全国建筑设计行业前列。尤其在工程结构技术方面,更是拥有以工程院院士、国家设计大师为首的一批国内知名的专家学者和经验丰富的高级结构专业人才,在大跨度工程结构、超高层建筑结构、新型建筑结构以及建筑结构抗震技术等研发方面,处于全国先进水平,并拥有多项专利技术,在行业内具有广泛的影响。在广东省建筑设计研究院的大力支持下,编辑出版的这本专辑,集中反映了广东省建筑设计研究院近期在建筑结构设计、科研方面的成果和对建筑设计的新技术、新结构、新材料和新理论的应用与发展所作出的贡献,具有较高的技术含量,可供国内从事设计、科研和教学的工程技术人员交流借鉴。国内高层建筑结构设计的若干新进展容柏生(广东省建筑设计研究院　广州510010)

[提要]　根据我国,主要是广东省最近几年建成或在建的广州西塔、广州珠江城、天建酒店和合景大厦,以及

天津津塔等高层建筑,概括阐述近期高层建筑在规模、体形方面的发展,列举了几个比较典型的工程实例。结合国内其他类似工程,归纳出高层建筑结构最近的进展情况,包括结构体系、构件和节点等,并扼要陈述这类高层建筑结构设计中面对的问题和相应的计算分析手段。

[关键词]　进展　高层建筑　结构　设计方法

ProgressofHigh2riseBuildingπsStructuralDesigninChinaΠRongBaisheng(TheArchitecturalDesignandResearchInstituteofGuandongProvince,Guangzhou510010,China)

Abstract:AccordingtosomecompletedorunderconstructiontallbuildingsinrecentyearsinChina,especiallyinGuangdongprovince,thelatestdevelopmentoftallbuildingsinscalesandshapesisbrieflyintroduced.Sometypicalprojectsexamplesaregiven,thencombinedwithothersimilarprojects,thelatestdevelopmentontallbuildingstructuresissummarized,includingstructuralsystems,membersandjointsetc.Theproblems,whicharemetinstructuraldesignofthesekindsoftallbuildings,andthecorrespondinganalysismeansarealsomentionedtothepoint.Keywords:tallbuilding;structure;designmethod;development

0　引言

近10年来,我国高层建筑特别是超高层建筑发展迅速,规模越来越大,形式越来越多样化,这是有目共睹的。为了适应这种状况,建筑结构也随之发生变化,出现了不少新的结构形式,包括新型结构体系、构件和节点。列举一些作者曾以不同形式参与工作的工程实例,通过这些例子并结合其他类似工程项目,概括地介绍一些新的结构形式,并对结构设计中所做的工作作扼要的阐述。

1　工程实例

111广州珠江新城西塔①

比616～619。平面为圆角等边三角形(图1(b)),层70

以下为写字楼,以上为酒店和公寓。塔身沿竖向在中部略微外鼓。采用混合筒中筒结构,钢筋混凝土内筒为不等边六角形。层70以上取消全部内墙,形成酒店的中庭。外筒为新型的钢管混凝土菱形斜交网格筒(图1(c)),不同平面有15个节点或30根斜柱,两节点层之间相距27m,分别形成6层写字楼或8层酒店(图1(d)),建筑师要求钢管相交处结构不能有任何外凸(图1(e))。楼盖采用钢梁和钢筋混凝土板。

①土建设计团队:WilkinsonEyre,ARUP,华南理工大学建筑设计研

2

工程主塔楼面积约25万m,103层,高432m,高宽

究院。结构顾问:广州容柏生建筑工程设计事务所。

1

图1　广州珠江新城西塔

图2　广州珠江城

图3　天津津塔

112广州珠江城②114广州天建酒店④

工程用途为写字楼。主塔楼面积约21万m2,71

层,高309m,高宽比814,平面为微弯曲长方形(图2

(b))。项目在立面上有两处渐收的凹进,并各形成两

个穿洞(安装风力发电机),图2(b)下图为标准层平面,上图为带有穿洞的楼层平面。图2(c)为纵剖面。结构采用钢筋混凝土2钢混合结构,内筒为钢筋混凝土,外周为钢框架。由于内筒短向尺寸小且外框架柱两道内收,造成短向抗侧能力不足,为此采用了两种措施:一是加设两道伸臂桁架,用以解决外柱内收的连续问题,二是在短向两侧各设一榀带巨型交叉支撑的框架。整个结构的骨架如图2(d)所示。113天津津塔③

工程用途为写字楼。主塔楼面积约20万m2,75层,高333m,高宽比约为8。平面为椭圆形,周边呈锯齿状,平面沿竖向逐步收小。结构体系为框架2剪力墙,其中周边框架采用钢管混凝土柱和型钢梁,核心筒采用同样框架结构,但下部楼层填充钢板作为剪力墙,而上部楼层则改用对角支撑(图3(c))。由于短向刚度比较单薄,因而设置了4层伸臂桁架及相应的腰桁架,结构平面如图3(b)所示,内筒和外框间的黑粗线为伸臂桁架位置,外圈黑线为腰桁架。2

工程为连体结构,建筑面积约11万m2,左塔楼为酒店,34层,高125m;右塔楼为公寓,42层,高159m。连体部位跨度25m,上部连体高9层,用作酒店;下部连体1层,为游泳池,见图4(b)。两栋塔楼平面均为矩形,但大小及平面形状有差别,采用钢筋混凝土框支剪力墙结构(底部4层为大空间);上、下连体采用钢结构。由于建筑造型需要,在右塔楼相当于上连体的下部处设置一条深凹槽。115广州合景大厦④

工程为写字楼。总建筑面积约11万m2,楼高41层,高178m,正立面幕墙高出屋顶20m,高宽比613。采用钢管混凝土柱钢梁框架2钢支撑结构,钢梁和钢筋混凝土板组合楼盖,结构平面见图5(b)。由于钢框架筒偏置,通过强化筒内侧一边刚度和弱化外侧一边刚度,另在平面长向两端框架的中间跨加设每4层一道的交

②土建设计团队:SOM,广州市设计院。作者为该项目超限高层建

筑抗震设防专项审查组和初步设计审查组组长。

③土建设计团队:SOM,华东建筑设计研究院有限公司。结构顾

问:广州容柏生建筑工程设计事务所。

④土建设计团队:香港许李严建筑师有限公司,广州容柏生建筑工

程设计事务所。

规模大特别是高度大的建筑,对结构的抗侧能力要求也高,因而随之出现了一些抗侧能力很强的结构形式。例如广州西塔的外筒(图1(c),(d))是由钢管混凝土斜交组成的网格筒体。一般框架结构主要是通过构件的抗弯能力来抵抗侧力,而斜交网格筒则是通过构件的轴力来抵抗,加上它是由轴向强度很高的钢管混凝土组成的,因而这种网格筒具有强大的抗侧能力,同时它还具有很强的抗扭能力,因为它也是通过轴力来抗扭的。广州西塔是筒中筒结构,其钢筋混凝土内

图4　广州天建酒店

筒的尺寸不算小而且是双重的,但计算表明,在抵抗倾覆力矩方面,外网格筒却占了约65%,说明它的抗侧能力强大;由于外网格筒抗扭能力强,该结构的扭转与平动振型周期比还不到014。又如广东省博物馆,整栋建筑仅由钢筋混凝土墙肢和连梁组成的一个68m×68m的巨大筒体结构支承,承担了整体结构的全部倾覆力矩和底部剪力。桁架的抗侧能力比框架好。尺寸巨大且杆件粗大的桁架具有强大的抗侧能力。这种结构也常被用于近期的结构中。如广州珠江城,在其长向两侧各设一榀覆盖整个侧面的巨型斜撑框架,解决了整体结构短向

图5　广州合景大厦

的抗侧力问题。再如广州合景大厦,也在两侧面的框架中加设了交叉支撑来加强整体抗侧能力。顺便指出,设置于平面两侧的强大抗侧力结构能同时增强整体结构的抗扭能力,广州合景大厦就是通过这种措施解决了内筒偏置产生的扭转问题。

213传统结构形式的变形

叉支撑以解决扭转问题。

2　结构形式的发展

从上面列举的实例并参考其他一些实际工程项目,可概括归纳出近来高层建筑结构的一些发展情况。211多种结构形式同时使用

由于建筑规模大、形式变化多样,单一的结构体系如框架结构、剪力墙结构或筒体结构等往往已不能满足结构布置和受力的需要,因而一般都同时使用多种结构形式,或者在常用结构形式上补充其他结构,将之组织成整体,共同受力。例如广东省博物馆同时使用了以钢管混凝土柱加强的剪力墙筒体、屋面巨型桁架、内置预应力拉索吊杆等;广州天建酒店同时使用框支剪力墙、内置钢板转换梁、钢桁架、钢框架;广州珠江新城除布置了内筒和外框外,还补充了两侧巨型支撑框架;广州合景大厦在钢管混凝土柱框架的基础上,在不同部位加设斜或交叉支撑;天津津塔在钢管混凝土柱框架的部分跨内填充钢板组成带边框钢板剪力墙等等。此外,也常常加设伸臂桁架和腰桁架来加强结构。

不同的结构采用不同材料,由于同时使用多种形式的结构,因而形成同一栋建筑同时使用多种材料,成为混合结构,一般是同时用钢筋Π型钢混凝土和钢的居多,上述工程实例的例1,2,4,5和不少其他近期兴建的工程都是混合结构。212使用强大的抗侧力结构

在大型和复杂的项目中,仍常会使用传统的结构形式,但由于建筑形式的多样化,往往需作必要的变化才能配合建筑的需求。

核心筒仍然是使用较多的结构。对于一般建筑,它通常沿高度不变,仅截面逐步收小。但近期高度较大的建筑,由于建筑沿竖向划分功能段或逐步改变平面形状,使得核心筒需要随之变化,因而往往出现分段变化的核心筒。广州西塔下段为写字楼,具有完整的核心筒,但上段是酒店,核心部分改为高大的中庭而取消所有筒内墙。上海金茂大厦也有此情况。上海环球金融中心随着建筑平面逐步收缩,核心筒从下而上由方形变为六角形再变为狭长六角形。这些情况都需要结构做出相应的处理。又如,高宽比较大的高层建筑常用伸臂桁架,其原来的功能是加强抗侧能力、减小水平位移,但有时却被同时或单独用来作结构转换或者装置粘滞阻尼器。广州珠江城就是用伸臂桁架来转换外框柱内收的竖向连续问题;正在设计的高达400m的某超高层建筑曾提出在伸臂桁架与腰桁架的连接处装置粘滞阻尼器的方案。

3

214悬吊结构和连体结构有较多的使用但要通过节点设计或施工措施来解决不承担重力荷载的问题。

组合构件用得也比较多,包括压型钢板与混凝土的组合楼板、钢梁与混凝土楼板的组合梁等。钢筋混凝土结构中,当某部位受力很复杂而不好布置钢筋时,也会用钢板代替钢筋通过栓钉与混凝土构成组合结构,为了提高钢筋混凝土柱的轴向承压力而在其内设置钢管混凝土芯柱等。

216节点形式和构造趋于复杂

悬吊和连体结构早已存在,但用得不多,近期随着建筑体型的多样化,又逐步地被利用起来,而且趋于复杂化。悬吊结构方面,广东省博物馆就是一个典型;另外有些建筑,虽不很高,但有多层多跨的巨大体形悬挑,或仅有少数大距离落地支承承托上部多层建筑。例如深圳万科总部中心工程,它的支承结构只有分散布置的8个边长约10m的巨型钢筋混凝土筒体及少量实腹厚墙和柱(这些支承结构间的距离在25～50m之间),支承上部4～5层、宽度18m的曲折形并带分支的主体,造成上部结构的最大跨度达50m,其分支悬出长度也有10～20m,形式十分复杂,针对该工程的特点,采用了悬吊结构:上部结构的底层采用钢桁架,并用预应力斜索吊挂在竖向支承结构顶上,底部钢桁架则支承其上层钢筋混凝土宽梁扁柱结构。该结构的形式是悬吊结构的一种变形。

近期兴建的建筑也有一定数量的连体结构,而且形式还较复杂,被连体连接的两个或多个主体,可能是平面和高度都不一样,连接体有层数多而体量大的强连体,也有很单薄的弱连体(如仅是一层狭窄的通道),有时沿竖向还不只一道等。广州天建酒店就是一栋复杂的连体建筑,其两栋塔楼的平面、高度和层高都不一样,有两道连体,上一道9层高,下一道仅1层高;深圳某项目的建筑方案中,用体量差别很大的多道连体把围成方形的几栋平面和高度不等的塔楼连接成一体;另一个项目有9栋约20层的塔楼,用8道单薄的高位连廊将之连接起来形成一条连通各栋的通道,都说明了连体结构的复杂化。

215结构构件有相应的进展

由于结构复杂,而且往往使用不同材料的构件,再加上建筑设计要求的提高,节点也变得越来越复杂。节点形式千变万化,难以作出简单的概括,只能就其特点加以阐述。特点之一是,相交于同一节点的构件数量较多,而且往往是不同材料的构件;特点之二是,由于结构设计控制整体工作状态的需要而规定节点的工作性能,如刚接、铰接或滑动等;特点之三是,设计中考虑使用或美观的需要对节点的外形有所限定,使节点设计受到相当的约束。上述的特点加上节点设计必须遵循的原则———节点强于构件,都造成节点设计的难度增大。

如广州西塔的外筒节点,节点处的截面积只有相交两根杆件的截面积之和的1Π2强,如何保证节点强于构件就是一个难点,当然只能通过节点内部的加强来解决,但又出现了节点强度计算分析的问题。

又如天津津塔的钢板剪力墙,作为抗剪的钢板,与其钢管混凝土边框的连接又是一个难点,如何保证钢板不承担重力荷载(重力荷载全由其边框承担),可选方案有高强螺栓连接、施工后装、把框内钢板分成上下两块先装然后焊接等等,都要做详细的分析比较才能决定。

广州新电视塔工程中,结构设计规定功能段的楼盖梁与周边斜柱的连接是一个可万向转动铰,造成该节点非常复杂,设计出来的节点类似于一个机械机构。

连体结构中,连体部分与主体的连接采用刚接、铰接、单向或多向滑动等,既对结构整体受力状态影响大,又涉及节点自身的构造,也是难点之一。

3　结构设计工作的进展

为了适应新的结构形式,相应地也发展了一些构件。使用最多的是钢管混凝土,这种结构较早时已有应用,由于其具有强大的抗压能力,主要是用于柱。近来使用更为普遍,而且不仅用于柱,还用以组成新的结构形式,或用作某种结构的杆件。珠江新城西塔的外筒就是用钢管混凝土作为构件组成的;广州新电视塔也采用钢管混凝土斜柱;天津津塔和合景大厦用的都是钢管混凝土柱和钢梁组成的框架;广东博物馆屋面巨型悬挑桁架部分受压杆内灌混凝土以提高其抗压力和刚度以减小变形。

另一种较新的构件是钢板剪力墙。天津津塔平面中央竖向交通部分用的是钢管混凝土柱和钢梁组成的框架,在短向各榀和长向框架部分跨内填充钢板成为带边框钢板剪力墙。这种剪力墙不参与承担重力荷载,仅(通过斜向拉力)承担水平剪力。钢板剪力墙比钢筋混凝土剪力墙重量轻、占用面积小、抗剪能力强,4

面对这些大型或复杂的工程,为保证结构的安全、合理和经济,结构设计工作在广度和深度上亦随之有所进展,下面列举主要的几点。

311重力荷载下的计算分析

通常在确定静、活荷载后,考虑逐层施工进行弹性分析就可以得出相应重力荷载下的内力。但对于高度大、多种材料同时应用或结构传力路线复杂等情况,就必须进行更为详细的施工模拟计算。复杂结构的施工

进程基本上不可能逐层均衡而上;结构设计考虑内力分配或释放的需要有时会要求某些构件后装或后连接,施工模拟就要按之进行,否则会导致相应内力有较大的误差。内筒外框(或框筒)结构和带有伸臂桁架的结构对此是比较敏感的,特别是进行弹塑性分析时,是把重力荷载下的内力作为结构的原始状态,其影响尤为重要。

312风荷载作用下的计算分析

高度大或高宽比大的结构,对风荷载的作用特别敏感,高大建筑成群时,群体对风的干扰严重,结构很高或体型复杂时,规范中的某些有关规定已不适用。在此情况下,全面而准确地确定风作用的有关参数就十分重要。为此,根据工程所在地的气象资料结合规范有关规定确定合适的基本风压,并据此进行风洞试验是必要的,而且此时的风洞试验宜分别对大环境、小环境和具体结构进行;进行风荷载作用下的结构分析时要考虑方向角、横向风、风振等的影响。高柔结构靠近顶部处还存在居住者的舒适度问题(用振动加速度来衡量),也要通过计算予以控制。上述具体工程实例和类似工程基本上都做了这方面的工作。

在基本风压较大而地震烈度不高地区的高柔结构,其在风荷载作用下的位移往往成为设计的控制条件,此时对结构构件的设计应着重于其刚度,可以适当采用强度较低的材料,使材料耗量更合理。若出现位移控制很困难时,亦可考虑采用设置阻尼器(TMD,TLD或粘滞阻尼等)的方法来解决,当然这要通过技术和经济的分析对比。

313地震作用下的计算分析

目前我国小震不坏、中震可修、大震不倒和两阶段设计的抗震设防目标和设计方法对于一般结构基本是适用的,但对大型和复杂结构来说,就显得不够具体,甚至可以说把握性不大。其中小震不坏是属于弹性计算,目前弹性计算技术已很成熟,因而还不成问题,但对中震可修就比较模糊,因为涉及到杆件的损伤程度问题,而对大震不倒仅凭构造措施和控制层间位移角更是把握不大。因此,在这类结构的抗震设计中,基本上都补充提出一些具体的抗震性能目标,如要求某些重要构件在中震下处于弹性或不屈服、或某重要部位在大震下不破坏才能保证大震不倒等,其实这就等于进入了基于性能的抗震设计方法范畴。

按上述要求,设计中就要进行结构在中震和大震下的计算分析,而在中震以后,结构基本上已进入弹塑性状态,亦即需要进行弹塑性分析,这又涉及计算软件问题。目前我国自行开发和引进国外的计算软件,不少都具有弹塑性分析(静力和动力)的功能,但不同的

软件在计算模型、材料的本构关系、塑性铰定义、简化

程度和解题能力等均存在较大的差异,计算结果还不尽人意,选择使用时宜注意。最近,我国有学者在某大型国外软件基础上采用比较精确的材料本构关系,并舍弃了诸多假定,二次开发了用于高层建筑结构的弹塑性分析软件,通过几个大型复杂工程项目的使用,效果比较好。

314其他作用下的计算分析

大型和复杂结构在非荷载的其他作用下往往也会出现较大的内力,不能忽视。在日或年温差较大的情况下,考虑温度变化的组合内力有时会成为某些杆件的控制力,应予以考虑,以免造成某些杆件或楼盖的损伤。但是,温度变化下的内力分析,其结果的可信度往往遭到质疑,因而在防止温度应力造成损伤时也会采取通过构造措施释放温度应力的方法。

对重要用途或结构失效时会造成大量人员伤亡的建筑,计算时还要考虑某构件或局部突然失效时(例如因爆炸)是否会引起连续破坏继而倒塌的可能,这种计算并不需要特殊的软件,可以利用现有的软件通过一定的设定进行静力或时程分析来解决。

对人员密集且活动频繁的大跨度楼盖,当楼盖振动会造成不良后果时,也有必要进行振动分析以控制其振动幅值或加速度。315节点的计算分析

复杂结构带来复杂的节点。这些节点的计算通常是用有限元方法,此时,不管是弹性或者是弹塑性的分析,都只能从计算得出的云斑图来进行判断,难以得出比较直观明确的结果,特别是当验证节点是否强于杆件时就更觉模糊。为确保节点的安全和经济合理,对于这些复杂节点,往往进行缩尺模型试验研究,一方面作为对理论计算的验证,另一方面通过试验结果的研究,对节点进行优化。上述工程实例和其他类似工程多数都进行了这项工作。

节点试验研究工作比较耗费财力和时间,因此试

图6　节点破坏情况

　(下转第34页)

5

图5　屋顶构架模型

模进行计算分析,将求得的支座反力作为节点荷载输

入主体结构模型中相应的框架节点进行计算。修改后的屋顶构架作为层4框架输入计算模型中,计算时增加计算振型数,考虑高振型的影响,对层22～26的地震力乘以112的放大系数,以保证CQC法的计算结果大于弹性时程分析的计算结果。最终的计算结果显示,结构恒载增加了约31000kN,结构自振周期由2176s增至2188s,除对层22结构进行上述构造加强外,方案改变只对层21内局部构件内力有所影响,对整体结构刚度略有削弱,但均在规范允许范围之内。215入口大堂设计

主楼入口大堂三层通高,平面为梭形,外墙及屋面

均为点支式玻璃幕墙,结构采用钢管柱支承钢管桁架屋盖体系。由于每榀结构均只有一跨,为了抵抗水平荷载作用,钢管柱柱底支座必须设计为刚接。为了满足刚接的要求,钢柱柱脚均采用埋入式,对于柱底为框架梁的情况,将框架梁按转换梁构造措施处理,同时在支座节点的垂直方向加设次梁并加厚相邻楼板,如图6所示。3　结语

(1)不同上部荷载条件下应选择不同桩径的桩基础,根据实际情况合理控制最终贯入度,并考虑群桩效应的承载力折减。

(2)地下室无缝设计时需采取多种措施相结合,以解决沉降差和结构超长的问题。(3)左右两个筒体靠边布置的抗震性能良好,但需要确保两筒协同工作,控制扭转比,同时不可忽视温度和收缩造成筒边应力集中。

(4)顶部30m装饰构架采用钢筋混凝土结构是可行的。

(5)入口大堂钢结构的支座设计,应在构造上保证柱底支座的刚接。

结构设计应根据不同的功能和使用要求采用相适应的材料和结构形式,选择符合实际受力情况的计算模型,加上有针对性的概念性构造加强措施,才能解决设计和建设过程中出现的问题。

致谢:对陈星总工和邓汉荣总工的悉心指导和帮助表示衷心的感谢。

参

考

文

献

[1]地下工程防水技术规范(GB50108—2001)[S].2001.

[2]王铁梦.工程裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,

1997.

[3]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2002,J186—2002)[S].

图6　刚接节点

2002.

(上接第5页)4　结语

件的数量不可能多。为弥补这一缺陷,最近采用了一

种用有限元弹塑性时程分析的方法来进行节点的理论分析,分析结果表明效果相当好。广州西塔交叉网格外筒的节点,用这种方法验证了通过节点内部的加强而达到节点强于杆件的结果。图6为节点的两种破坏形式,其中图(a)为节点区破坏先于杆件(节点区的钢管环向变形、鼓出比杆件严重),即设计未满足节点强于杆件的要求,而通过对节点加强后,计算结果则相反,如图(b)所示,说明节点已强于杆件。采用这种方法可以对不同杆件尺寸和不同交角的节点进行全面的复核,相当方便。34

根据作者所接触的一些大型复杂工程和了解的资料,概括地叙述了近期高层建筑中结构方面的发展情况,包括结构形式、构件、节点和主要计算分析手段等。由于内容较多,概括并不全面,而且篇幅所限,有些内容亦难以展开。总的来说,只能列出一些主要的内容,而且叙述和归纳均为作者个人的观点,不当之处在所难免,仅供参考。

致谢:文中所列实际工程的资料主要引自各该工程的初步设计文件,其他类似工程的资料则是通过有关技术接触得到的,特此向有关单位致谢!若文中有违原意和错误之处,请指正。