第二章超高层建筑结构体系的选择(上)

第二章（超）高层建筑结构体形选择2/5/20231主要内容第一节（超）高层建筑结构设计的控制因素第二节高层和超高层建筑结构体系第三节高层和超高层建筑工程实例第四节高层和超高层建筑结构体系的选择第五节超高层建筑的阻尼器问题第六节结束语2/5/20232风载取值对于一般高层建筑，可按照我国规范《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）。但是，该规范荷载的规定是基于低空（8m~12m）风速观测数据以及多层建筑和一般高层建筑的单体模型风洞试验研究成果以及工程经验，当用于超过200m以上的超高层建筑，可能不大合适。例如，美国SOM（Skidmore,OwingsandMerrill）和LERA（LeslieE.RobertsonAssociate）设计事务所对金茂大厦和上海环球金融中心的结构设计所采用的风荷远远小于我国规范的计算结果。2/5/20233第一节（超）高层建筑结构设计的控制因素

1、风荷载

台北-101的大楼设计，除了参考国内规范，还委托加拿大的RowanWilliamsDavies&IrwinInc.(RWDI)

公司研究大楼的设计荷载，采用风洞试验确定。以1:500比例制作现场半径为600m以内的风场环境模输入以10度为单位风力模拟实际的建筑物受力情况。其中各个角度的风速高度分布特性以1:3000的地形模型中进行边界层风洞试验（Boundarylayertunneltest），然后得到大气边界层风速分布。结构体的模型采用高频率力平衡模式(高频动态天平测力技术)（High-frequencyforce-balance），结构的基本风压是由应变计所测到的弯矩，扭力和剪力的分布曲线统计回归获得，并且，配合结构动力特性计算结构体的加速度反应。这样，这些数据提供设计单位作为设计风力的依据。2/5/20234正在施工中的百济迪拜塔楼，对风荷载进行大量研究和分析工作。例如，风洞试验，也在加拿大Ontario的边界层为RWDI’s2.4m×1.9m和4.9m×1.4m的风洞中展开广泛的风洞试验研究和其它研究。风洞试验项目包括刚性模型天平测力试验(Rigid-modelforcebalancetests)、全气动弹性模型试验(fullaeroelasticmodelstudy)、定域压力测试(localizedpressurestudy)、人行道风环境研究。试验时采用的大多是1:500的模型。然而，在人行道风环境研究(pedestrianwindenvironmentstudies)中采用更大的1:250的模型，目的在于用空气动力学的方法来分析降低风速。风统计数据对于（塔楼的）预测的反应程度和（风）重现期之间建立联系起着重要作用。为了确定上层风况(windregime)，广泛利用地面风数据、气球（探测风）数据和区域性大气模型方法得到的计算机模拟结果[2]。2/5/202352、地震力地震力的预测，目前尚难准确确定。例如，地震频繁的日本地区，对地震已进行许多年的深入研究，地震前也几乎无法预测何时何地会发生地震。因此，对待地震应倍加重视。对于地震地区，除了风力外，必须考虑地震。例如，台北-101，地处板块交错运动频繁区域，除了风力，还必须进行地震设计。更重要的是对离建筑场地200m的断层的深入研究[3]，经过多方面的考察与研究，费耗大量人力物力与时间，终于弄请该断层是非活动断层，因此，在大楼即将完成的关键时刻，遇到台湾大地震，平安无恙，巍然不动，这是一个宝贵经验。2/5/202363、地基基础由于风荷载和地震力以及静荷载，产生的荷载极大，而且一般柱的跨度大，荷载往往达数万吨，例如，金茂大厦，总荷载超过3,000,000kN（30万吨），混凝土巨型柱荷载为101,670kN（1万余吨）；又如，台北-101大楼，建筑物总垂直荷载达40万余吨，因此，对地基基础的要求高。在上海这样深厚的软弱地基，毫无异议，必须采用桩筏或桩箱基础。台北-101大楼，利用深度不大的年轻岩基，采用现场浇注桩，深入岩层；而高雄的85层东帝士大楼[4]，岩层在地面100m以下，利用岩层上面的土为常见的层状冲积土，采用框格式地下连续墙（Barrette）。新加坡的RaffleCity的72层、42层、32层的高楼群，地层条件好而采用筏板基础。

2/5/202374、业主要求业主的要求，通常就是建筑艺术、功能和经济。有关建筑艺术将在下节工程实例阐述。上述三个主要控制因素主要依靠结构工程师和岩土工程师，要满足建筑艺术、功能和经济的要求，有赖于建筑师、结构工程师和岩土工程师的密切配合。此外，施工技术条件和建筑材料等在一定条件下也可能成为一个控制因素。2/5/20238影响结构选型的四要素：风荷载→风洞试验确定地震力→难以预测地基基础→桩筏、桩箱配以框格式地下连续墙业主要求→建筑艺术、功能和经济2/5/20239第二节（超）高层建筑结构体系结构型式要满足哪些要求？主要结构型式与高层建筑层数。2/5/202310从技术层面讲，高层建筑的结构体系要满足其强度、刚度、抗剪、抗扭能力等方面的要求，并与建筑外型相适应。主要结构型式：框架、框架剪力墙、剪力墙、筒体。

2/5/2023111．框架结构体系。竖柱的面积较小，构件本身占面积不多，形成较大空间，建筑布置灵活，使用面积可以加大，适用于低层建筑。2．剪力墙结构体系。剪力墙结构实际上是把框架结构的承重柱和柱间的填充墙合二为一，成为一个宽而薄的矩形断面墙。剪力墙承受楼板传来的垂直荷载和弯矩，还承受风力或地震作用产生的水平力。剪力墙在抗震结构中也称抗震墙。其强度和刚度都比较高，有一定的延性。结构传力直接均匀，整体性好，抗震能力也较强。是一个多功能高强结构体系。因此，可适用于15层以上的高层建筑住宅和旅馆。中国最高的53层的水景豪宅——世茂滨江花园就是采用剪力墙结构。2/5/2023123．框架-剪力墙结构（简称框剪结构）体系。框剪结构就是在框架结构中设置一些剪力墙。剪力墙可以单片分散布置，也可以集中布置。剪力墙主要用以抵抗水平荷载，而且承受绝大部分水平荷载。其布置是否合理直接影响结构的安全和经济。在我国基本上用以20层以内的高层建筑，也有超过20层，例如，29层的上海宾馆。2/5/2023134．筒体结构体系筒体结构就是把高层建筑的墙体围成一个竖向井筒式的封闭结构，结构刚度很大，具有较大的抗剪和抗扭能力，抗震性能也较好。但是，由于核心筒的平面尺寸受到限制，侧向刚度有限，高度一般不能超过30~40层。上世纪的60年代开始，发展成为框筒结构，其平面尺寸比较大，可用于40层以上的结构。随着高层建筑的发展，层数越来越多，尤其是，电梯间的设置，自然形成一种内核心筒，发展成为筒中筒结构体系。2/5/202314筒中筒结构可分为框筒结构、筒中筒结构、三重筒体结构和成束筒结构等。框筒结构。在高层建筑中，利用电梯间等形成的内筒体与外墙做成密排柱结合的结构成为单筒结构。实质上，这是框筒结构。例如，实例5——美国52层的独特贝壳广场(OneShellPlaza)。筒中筒结构。一般来说，对于40~50层以上的高层建筑，框筒结构难于满足要求，此时，需要采用刚度很大的筒中筒结构体系，即内外筒的双筒体结构。美国110层的世界贸易中心是钢筒中筒结构。而香港52层的康乐中心大厦却是钢筋混凝土筒中筒结构。2/5/202315内筒与外筒通常采用密肋楼板连接，使每层楼板在平面内的刚度非常大，当采用钢筋混凝土楼板，其跨度可取8m~12m，当采用钢结构，其跨度可取约15m。加大内外筒的间距，不仅对建筑平面布置有利，而且，也加大内外筒的受力。因此，筒中筒结构的侧向刚度很大，在水平荷载作用下，侧向变形小，抵抗水平荷载产生的倾覆弯矩和扭转力矩的能力强。多筒结构。对于超高层建筑，一般均采用多筒结构体系。三重筒体结构、群筒结构、成束筒结构和组合筒结构。这种结构的刚度特别大，抗震力也特别强。2/5/202316第三节（超）高层建筑工程实例每一实例的上部结构型式基础其他特点2/5/202317实例1——上海工业展览中心（ShanghaiIndustrialExhibitionCenter）这是一座位于南京西路闹市区的1953年建造的展览馆，由前苏联专家设计。中央大厅为框架结构，14层，塔顶最高为91.3m，见图2-6。大厅采用箱基，两翼为条形基础。箱基的尺寸为46.5m×46.5m×7.27m，顶板厚度为0.2m，底板厚度为1.0m，基础埋深只有50cm，基底压力为129kPa，附加压力为120kPa,地基为淤泥质软土，压缩性大，在压缩层范围内平均压缩模量为2.5MPa（25kg/cm2），限于当时历史条件，前苏联专家不了解上海的软土特点，坚持采用埋置深度很浅的箱形基础。1954年建成尚未投入使用时的沉降已超过1m。在1974年间根据上海市水文地质二大队近20年的辛勤劳动获得的沉降观测资料，由赵锡宏教授绘制和推算的沉降量为166.6cm，沉降随时间变化的曲线见图2-7。现在工程使用良好。2/5/2023182/5/202319实例2——国际饭店（ParkHotel）这是一座位于南京路闹市区的1932年建造有大上海之美称的国际饭店。24层，高83.8m,上部结构为钢-混凝土结构（SRC），设有旋转餐厅，见图2-8。桩筏基础，基础面积为1827m2,桩约40m，为地下水位以上的混凝土桩加地下水位以下的38m木桩组成，别具风格，风貌依旧，仍然是当今南京路上的美景。2/5/202320实例4——锦江饭店（JinJiangHotel）锦江饭店位于上海淮海中路以北，瑞金路以西，长乐路南侧。这是1929年建造。上部结构采用钢结构，15层，高57m，地基为深厚的淤泥质土，基础采用30m长的木桩，见图2-28。当时按照简易的上部结构与地基基础共同作用理论设计，地基土承受老八吨（80kPa)，其余由桩承担，但是，由于施工方偷工减料，把部分桩的下半段砍断，上世纪70年代下沉约1.5m，现下沉增至近2.0m，经装修后，见图2-10的b）和c)，至今使用良好。2/5/202321a）建筑立面照片b)装修后建筑正门(原地面一层下沉到地下室)c)装修后建筑边门(原地面一层下沉到地下室)2/5/202322实例5——美国独特贝壳广场(OneShellPlaza)独特贝壳广场[7]建造于1970年，位于美国休斯敦（Texas.），是一座高217.6m，52层的办公大楼，是当时最高的钢筋混凝土大楼。休斯敦的地基在600多m内主要是粘土。要求结构体系必须使整个建筑物最为经济，建筑物包括基础全部采用轻质混凝土。这座大楼的结构体系：上部结构采用钢筋混凝土筒中筒（见图2-11和图2-12），由间距1.83m(6ft)外柱的混凝土框筒和剪力墙的内墙筒组成，又见图2-13。这种体系在当时是剪力墙与框架共同作用结构的发展。楼板结构采用密肋楼板，见图2-13，混凝土外框柱外面为玻璃帷幕。这样，使得整个建筑别有风格，尤为美观2/5/202323图2-11筒中筒体系的示意图图2-12独特贝壳广场平面2/5/202324

图2-13楼板结构示意图2-14筏板基础的剖面基础采用筏板基础，见图2-14。埋深为18.3m，筏厚2.52m，该筏板从大楼的四边各伸出6.1m，整个筏板的尺寸为70.76m×52.46m。风荷载采用休斯敦地区的飓风的风力，沿整个建筑物高度作用40lb/ft2(195.3kg/m2)，在风荷载作用下产生的摆动限制在1/600高度。2/5/202325实例6——美国西尔斯大楼（SearsTower）1974年在美国芝加哥建成443m高（加上天线达500m）110层的西尔斯大楼[6]（见图2-15），成为当时世界最高的建筑，纽约的世界贸易中心大厦（412m,110层）只能让位，退居第二。大楼由9个标准方形钢筒体(22.9m22.9m)组成。该结构由SOM设计，建筑师为BruceGraham,结构工程师为Srinivasa

IyengarandFazlurKahn。建造到52层减少2个筒体，到67层再减少2个筒体，到92层又再减少3个筒体，到顶部变成2个筒体（见图2-16）。这种独特结构的确引人入胜。它是多筒结构中的巨型结构，每一个筒体都是单独筒体，本身具有很好的刚度和强度，能够单独工作。基础采用筏基，下面200个沉箱基础，深入基岩达30m(100feet)。2/5/202326图2-15西尔斯大楼的立面图2-16西尔斯大楼各楼段的平面2/5/202327实例7——香港中国银行大楼（BankofChinaTower）香港中国银行大楼是一座高369m70层的超高层建筑，1989年建成，名列世界高层的第八高度（见表1-1,图1-20）。该大楼采用5根型钢混凝土巨型柱及8片(?)平面支撑组成的巨型支撑结构体系。大楼的底部平面为52m×52m的正方形，以对角线划分成四个三角形区，由下往上每格若干层减少一个三角形区，经过三次变化，到上部楼层只保留一个三角形区直到顶部。这样，在建筑艺术具有独特的风格，把建筑结构与建筑艺术相结合。这是按照贝律铭建筑大师的建筑造型的构思产物。在该大楼的四个型钢混凝土巨型角柱和中间巨型柱承担大楼的大部分荷载。2/5/202328a)香港中国银行大楼立面b)香港中国银行大楼各楼段平面图2－17香港中国银行大楼2/5/2023292/5/202330大楼的基础由多种基础形式组成[8]，见图2-18。四个巨型角柱直接由四个巨型沉箱基础支承。其直径（扩孔后）分别为7.2m,8.2m,9.5m和10.5m，承受静活荷载分别为164,000kN,209,00kN,322,000kN和380,000kN。沉箱基础深入至离地面20余米以下的微风化花岗岩，地基设计强度为5Mpa。此外，大楼的地下室结构由89根钻孔桩支承，中央剪力墙结构由16根人工挖孔桩支承。为抵抗风力引起上拔力和地下水浮力，人工挖孔桩和大楼周边地下连续墙的底部设置77根竖直锚杆深入至离地面20~50m下岩层。2/5/2023312/5/202332基础特点总结：基础型式随基岩面起伏而变化。巨型柱下沉箱基础剪力墙下挖孔灌注桩人工挖孔桩及周边地下连续墙下锚杆。地下连续墙是否为地下室外墙？2/5/202333实例8——马来西亚石油大厦（PetronasTwinTower）石油大厦是一座452m高88层的双塔大楼[9]，位于马来西亚的吉隆坡（KualaLumpur），1997年建成之日，当时是世界第一高楼（见图1-12和图2-19）。这是一座钢与钢筋混凝土的混合结构。基本上属于标准塔型，与实例金茂大厦的外形类似。连接桥的斜撑在中心圆环处连接，连接桥铰接于两边。由于这种滑动连接不传力，使得塔楼能独立摆动。如图2－20所示。该大楼采用墙式或连续墙（Barrette）桩基，桩基平面图见图2-21。桩最长可达103.6m(340英尺)但未达到基岩层，截面尺寸为1.22m×2.74m(4英尺×9英尺)的长方形。2/5/202334矩形桩的施工机械2/5/202335图2-20石油双塔连接桥2/5/202336

图2-19石油大厦立面图图2-21石油大厦的桩基平面图2/5/202337实例9——德国商业银行大楼（CommerzbanktowerinFrankfurtamMain）德国299m高59层的商业银行大楼[建造在美茵河畔（FrankfurtamMain）的商业中心，直接靠近已有103m高的商业银行大楼，见图1-30和图2-22。1997年建成的商业银行大楼是欧洲最高的大楼，该大楼为钢框筒结构（SteelFramewithVirendeelFrame），具有刚度大、开敞面积的特殊建筑设计。平面为近似圆角的等三角形（见图2-23），曲线形的边长约为60m。在三角形的角端有三个筒体，高度不同，有竖向承重构件。筒体用Virendeel框架，跨长超过40m进行连接。每个筒体有2个巨型柱，平面为7.70m×1.2m;大楼的荷载主要集中在6个巨型柱，占荷载的59%，而3个厅柱和12个内柱分别承担大楼的17%和24%2/5/202338基础为三角形，筏板厚4.45m，面积为2690m2。筏板下有111根大直径望远镜式的钢筋混凝土就地灌注桩，长度从37.6m到45.6m。顶部23m范围内直径为1.8m，逐步降低到下面的直径为1.5m。地下水位在地面下大约5~6m。桩集中在塔楼三个核心筒下面，很少量在周围墙下面。桩的布置尽可能靠近大楼柱。桩传递大楼上部结构/下部结构通过相当弱的Frankfurt粘土到坚硬的下卧层的Frankfurt石灰石，桩埋置在Frankfurt石灰石中的平均长度为8.8m。当取大楼总荷载为1634MN，则在2690m2面积的基底压力约60t/m2，平均桩承受14.72MN。2/5/2023392/5/202340实例10——金茂大厦（JinmaoBuilding）金茂大厦[11]位于上海浦东陆家嘴金融贸易区，与“东方明珠（OrientalPearl）电视塔”和2008年建成的上海环球金融中心（高度492m，101层）相邻。它是一座88层402.5m高综合性大楼，裙房6层。1998年建成后成为中国建筑第一高，世界第五高的超高层建筑（见图1-17和图2-24）。主楼的上部结构采用钢筋混凝土核心筒与钢结构外框架结合的混合结构体系。主要由核心筒、外框架、巨型钢桁架和楼板组成。核心筒的平面八角形，外包尺寸27m×27m。53层以下有井字形内墙，分隔成九格；53层以上无中间隔墙，为一个空心钢筋混凝土筒。外框架在主楼四侧各有二根断面为1.5m×5.0m巨型劲性钢筋混凝土柱，由框架钢柱与钢梁与其相连，形成环抱核心筒的外框架。巨型钢桁架是超高层建筑内筒与外框之间传递水平力与协调变形的重要构件，分别设在24~26层、51~53层和85~87层。三道桁架从外框的巨型柱伸入到钢筋混凝土核心筒内壁，形成刚度很大的抗侧力体系。2/5/202341主楼的基础为桩筏基础（见图2-25），八角形，相当59.32m59.32m的方形基础。筏板厚4m，桩基为入土82.5m的直径914mm钢管桩，429根。桩位呈八角形分布，桩距有2.7m和3.0m两种，是典型的群桩。因此，整个大楼和和桩筏基础是一个共同作用的刚度很大的整体结构。在建筑艺术方面，总建筑师史安钧（AdrianD.Smith）借鉴中国古塔，取其宝塔神韵，试图创造一个举世无双的建筑形象。的确，金茂大厦的外形很自然令人想起古代中国的塔。2/5/202342

图2-24金茂大厦的剖面图图2-25金茂大厦的基础平面2/5/202343实例11——高雄东帝士85超高大楼(T&CTower)高雄东帝士大楼[4]是一座347.6m高85层的超高大楼，位于台湾高雄市，双翼裙房均为35层，地面以上的建筑面积约为52m×120m，地下室五层。大楼立面见图2-43。采用三个正方形筒串连（TripleTubeinSeries）结构。把大楼内八个10m×10m电梯间的四角型结构视作巨型柱（MegaColumn），作为三个大方形筒体结构的立柱，支撑大楼的大部分荷载，使荷载对称且较为均布。根据结构分析，风力控制基础的荷载。中央有四个电梯间，每间四个角各一立柱，每根柱的静载约6000t，活载为3000t；两侧有四个电梯间，每个角的柱的静载约为3600t，活载超过2000t。其余次要柱的静载在