超高层概念及设计

超高层建筑结构设计超高层与超限高层的概念超高层建筑发展现状超高层建筑的主要结构体系和结构型式超高层建筑结构设计关键技术

超高层和超限高层在美国，24.6m或7层以上视为高层建筑；152米以上视为超高层。在日本，31m或8层及以上视为高层建筑；60米以上视为超高层。在英国，把等于或大于24.3m的建筑视为高层建筑。《民用建筑通则》（GB50532-2005）：41层及以上（或高度超高100米）的民用建筑《高层民用建筑防火设计规范》（GB50045-95）：40层以上或者高度超高100米，并设有消防电梯和避难间国外国内超高层高度超限高层建筑工程：房屋高度超过规定，包括超过《建筑抗震设计规范》第6章现浇钢筋混凝土结构和第8章钢结构适用的最大高度、超过《高层建筑混凝土结构工程技术规程》第7章中有较多短肢墙的剪力墙结构、第10章错层结构和第11章混合结构最大适用高度的高层建筑工程。

超限高层《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》建设部令第111号超限高层概念区别：超高层和超限高层

超限高层不一定是超高层超高层也不一定是超限高层超高300米的超高层一定是超限高层超高层建筑发展现状国内外超高层建筑物建筑名称Burj

Khalifa(哈利法塔)所属国家地区迪拜（阿联酋）建筑高度828米（2717ft）混凝土高度601米层数163层完工年份2010年结构形式钢筋混凝土动土时间2004年9月21日封顶时间2009年10月抗震能力6.3级地震总造价20亿美元占地面积34.4公顷混凝土量33万立方米混凝土钢材3.9万公吨玻璃14.2万平方米。国内外超高层建筑物建筑名称Taipei101(台北101大厦)所属国家地区台北（中国）建筑高度508米（1667ft）层数101层结构形式钢筋混凝土，新式巨型框架动土时间1999年7月封顶时间2003年10月17日抗震能力6.3级地震总造价580亿元新台币占地面积30278平方米钢材107000吨泵送混凝土高度445.2混凝土最高强度C70台北101大厦国内外超高层建筑物建筑名称ShanghaiWorldFindancialCenter(上海环球金融中心)所属国家地区上海（中国）建筑高度492米（1614ft）层数101层结构形式钢筋混凝土+钢结构动土时间2003年2月封顶时间2008年8月29日抗震能力8度设防总造价73亿人民币占地面积30278平方米钢材26000吨泵送混凝土高度492米混凝土最高强度C60上海环球金融中心常用建筑物平面形状超高层建筑的结构体系和结构型式

概念区别结构形式结构体系是指建筑结构受力骨架的材料构成是指建筑结构受力骨架形式和空间构成形式砌体结构钢筋混凝土钢结构钢-混凝土组合结构框架结构剪力墙结构框架-剪力墙筒体巨型结构普通高层超高层框筒内框外筒筒中筒外框内筒成束筒多筒结构体系内筒外框结构体系筒中筒美国世贸框架核心筒与筒中筒区别成束筒西尔斯大厦悬挂结构体系巨型桁架体系上海环球金融中心不同结构体系的高度适用性不同结构体系的高度适用性结构型式钢和混凝土是超高层建筑最主要和最基本的结构材料，根据所用结构材料的不同，超高层建筑结构大致可以划分为三大类型：钢结构【1931年建成的102层、高381m的美国纽约帝国大厦；1969年建成的110层、高417m的美国纽约世界贸易中心；1970年建成的110层、高443m的美国芝加哥西尔斯大厦】，北京国贸大厦（38层，155.2m，钢筒中筒，1989年）】钢筋混凝土结构【1962年美国芝加哥的玛丽娜城双塔落成(61层，179m高)，1990年结构封顶的平壤柳京饭店（101层,334米），1992年建成的广东国际大厦(高199m，63层)，香港中环广场(高374m，78层)和1996年建成的广州中信广场(高391m，80层)，2009年建成的美国芝加哥川普国际大厦（98层，423米目前为世界最高混凝土】混合结构与组合结构【上海环球金融中心（101,492米）和台北101大厦（101，598米），香港国际贸易中心（108,484米）】，即将建成的天津117大楼……钢结构充分利用了钢材抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度高的优良特性，是一种历史悠久、应用广泛的超高层建筑结构类型。钢结构具有自重轻、抗震性能好、工业化程度高、施工速度快、工期比较短等优点，但是也存在钢材消耗量大、建造成本高、结构抗侧向荷载刚度小、体形适应性弱、防火性能差、施工技术和装备要求比较高等缺陷。因此钢结构超高层建筑主要在工业化发展水平比较高的发达国家得到广泛应用。钢筋混凝土结构充分发挥了混凝土受压和钢筋受拉性能优良的特性，是一种广泛应用的超高层建筑结构类型。钢筋混凝土结构具有原材料来源广、钢材消耗量小、建造成本低、结构抗侧向荷载刚度大、体形适应性强、防火性能优越、施工技术和装备要求比较低等优点，但是也存在自重比较大、现场作业多、施工工期比较长的缺陷。因此钢筋混凝土结构超高层建筑首先在工业化发展水平还比较低的发展中国家得到广泛应用。但由于其具有良好的经济性，因此近年来在发达国家，钢筋混凝土结构的超高层建筑也曰益增加。由于钢结构和钢筋混凝土结构各有其优缺点，可以取长补短。所以在超高层建筑不同部位可以采用不同的结构材料，形成混合结构，在同一个结构部位也可以用不问的结构材料形成组合(复合)结构。钢与钢筋混凝土组合方式多种多样，通过组合可以形成组合梁、钢骨梁、钢骨柱、钢管混凝土柱、组合墙、组合板和组合薄壳等。这些组合构件充分发挥了钢和钢筋混凝土两种材料的优势，性能优异，性价比高，因此已经广泛应用于超高层建筑工程中。钢结构钢筋混凝土混合结构不同结构类型发展趋势超高层建筑结构类型主要受技术和经济发展水平所决定。在超高层建筑发展初期，钢结构技术相对比较成熟，因此在1970年以前，超高层建筑多采用钢结构。随着钢筋混凝土结构和混(组)合结构技术日趋成熟，超高层建筑采用钢筋混凝土结构和混(组)合结构的比重不断增加。目前在超高层建筑中，纯钢结构应用范围有所缩小，钢筋混凝土结构和混(组)合结构的比重已经超过纯钢结构。鉴于钢结构超高层建筑存在成本高、防火性能差的缺陷，今后纯钢结构在超高层建筑中的应用范围还将进一步缩小，而钢筋混凝土结构和混(组)合结构将成为超高层建筑的主要结构类型。工程实例分析经济性分析超高层建筑结构设计关键技术超高层建筑结构设计关键技术

1）结构体系的选择为超高层设计的重中之重。（1）抗震设防烈度是超高层结构体系选用首要考虑因素之一。（2）超高层建筑方案，应受到结构方案的制约，超高层应执行结构优先的设计技术。（3）超高层建筑结构类型选择技术，是此建筑的最主要特点与关键点。应据拟建场地的岩土工程地质条件和抗震性能目标的确定及经济的合理性综合考虑。2）缩小竖向构件产生的缩短变形差技术3）P△效应控制技术4）风作用控制技术超高层建筑结构变形控制竖向变形水平变形一般的多层利高层建筑相比，超高层结构的计除了需要在结构体系选择、抗震设计、抗风设计等方面有更高的要求之外，还需要考虑非荷载作用下的结构变形和内力分析。非荷载作用荷载作用收缩变形徐变变形温度变形弹性压缩风载变形地震变形总变形徐变知识

混凝土徐变(creepofconcrete)：混凝土在某一不变荷载的长期作用下(即，应力维持不变时),产生的塑性变形。

1.产生徐变的主要原因：（1）是混凝土受力后，水泥石中的胶凝体产生的黏性流动（颗粒间的相对滑动）要延续一个很长的时间；（2）另一方面骨料和水泥石结合面裂缝的持续发展。

2.影响徐变的因素除了和时间有关外，还与下列因素有关：（1)应力条件。经过实验表明，徐变与应力大小有直接关系。应力越大，徐变也越大。实际工程中，如果混凝土构件长期处于不变的高应力状态是比较危险的，对结构安全是不利的。（2）加荷龄期。初始加荷时，混凝土的龄期越早，徐变越大。若加强养护，使混凝土尽早结硬或采用蒸汽养护，可减少徐变。（3）周围环境。养护温度越高，湿度越大，水泥水化作用越充分，徐变就越小；试件受荷后，环境温度低，湿度大，徐变就越小。（4）混凝土中水泥用量越多，徐变越大；水灰比愈大，徐变愈大。（5）材料质量和级配好，弹性模量高，徐变小。混凝土的徐变会显著影响结构或构件的受力性能。如局部应力集中可因徐变得到缓和，支座沉陷引起的应力及温度湿度力，也可由于徐变得到松弛，这对水工混凝土结构是有利的。但徐变使结构变形增大对结构不利的方面也不可忽视，如徐变可使受弯构件的挠度增大2~3倍，使长柱的附加偏心距增大，还会导致预应力构件的预应力损损失。

3.压应力与徐变的关系：

σc≤0.5fc──线性徐变，具有收敛性；

σc>0.5fc──非线性徐变，随时间、应力的增大呈现不稳定现象；

σc>0.8fc──砼变形加速,裂缝不断地出现、扩展直至破坏（非收敛性徐变）。一般地,混凝土长期抗压强度取（0.75~0.8）fc徐变系数：φ=εcr/εce=ECεcr/σ。

4.徐变对构件受力性能的影响：在荷载长期作用下，受弯构件的挠度增加；细长柱的偏心距增大；

预应力混凝土构件将产生预应力损失等。徐变可消除钢筋混凝土内的应力集中，使应力较均匀的重新分布，对大体积混凝土能消除一部分由于温度变形所产生的破坏应力。但在预应力混凝土结构中，徐变将使混凝土的预加应力受到损失。

creepofconcreteSRC结构的竖向变形计算钢框架～钢筋混凝土或型钢混凝土筒体体系在我国超高层建筑中发展迅速，成为我国超高层中使用最多的结构体系，习惯上称之为SRC结构体系。SRC超高层建筑中的立柱或筒体，集聚了楼层的荷载，高度方向上相对较长，以及材料的依时变形等，所以会产生较大的竖向变形。在SRC超高层建筑中，由于核心筒和外框架通常为不同的材料，这样竖向变形差异问题就更加突出尖锐。观测研究高层超高层建筑钢筋混凝土柱竖向缩短可追溯到上世纪70年代阻，以往多从徐变度、徐变系数出发来研究高层及超高层建筑竖向缩短问题，以及在弹性徐变理论的基础上，引入加载影响系数，来预测和估算SRC超高层建筑的竖向变形。但这些预测和估算方法和实际之间的差异主要有：(1)基本上仍为构件层次，没有考虑结构连续，内力重分布的调整作用：(2)没有考虑结构逐步成型的，不能利用最终结构进行计算；(3)超高层建筑施工过程中荷载(主要是自重)是逐步施加的；(4)没有考虑施工过程中逐层找平对竖向变形差异的调整作用。超高层结构的竖向变形计算-SRC△=△i+△s+△c+△t总变形△I弹性变形△s收缩变形△c徐变变形△t温度变形某25层框筒结构房屋，采用C30混凝土，外柱底层断面1m×1m，2～9层柱断面为0．9m×0．9m，第九层以上的总荷重为5196kN，其他层(1～8)附加荷载为176～235kN不等。以九层为计算截面列表计算100天后的变形量为25.34mm,二十五层层顶外柱可能达到55mm左右的竖向变形。结论徐变变形所占比例较大，不可忽略。应注意调整施工标高。计算基础：1.基础不沉降2.每层核心筒施工时均调整到设计标高,即i层核心简施工时，对在i一1时刻(施工完i—1层混凝土)至i时刻(施工完i层混凝土)在i层处积累的竖向变形进行调整。3.核心筒预埋件考虑了竖向依时变形的影响，SRC柱的钢结构部分和钢框架安装时调整至设计标高。4.混凝土楼面和SRC柱同时浇筑至设计标高。鱼腹型超高层建筑水平位移控制规范限制3.7.3按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比△u/h宜符合以下规定：1高度不大于150m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于表3.7.3的限值2高度等于或大于250m的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h不宜大于1/500；3高度在150～250m之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比△u/h的限值按本条第1款和第2款的限值线性插入取用。3.7.6高度超过150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009规定的10年一遇的风荷载取值计算的顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax不应超过表4.6.6的限值。必要时，可通过专门风洞试验结果计算确定顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax，且不应超过表3.7.6的限值。一般说，在正常的风压状态下，距地面高度为10米处，如风速为5米／秒，那么在90米的高空，风速可达到15米／秒。若高达300-400米，风力将更加强大，即风速达到30米／秒以上时，摩天大楼会产生晃动。纽约世贸中心在春季刮风时，通常摇晃偏离中心6-12英寸(15-30厘米)，在强飓风作用下，位移可达3英尺(1英尺约等于30厘米)，设计按最大风力下的最大偏离为4英尺。芝加哥西尔斯大厦在大风情况下最大偏离中心可达6英尺，据说装了陀螺平衡装置后可调到5英尺。人体对加速度比较敏感，而对速度和位移不够敏感。人体对各种振动加速度的反应如表1-2所示，一般情况下加速度小于15gal就不会有不舒服的感觉。规范限制JGJ99-98（《高层民用建筑钢结构技术规程》）：公寓建筑：0.2m/s2(20gal/s2)

公共建筑：0.28m/s2(28gal/s2)基于性能的超高层结构抗风设计减小风振动加速度的途径

1.合理的建筑体形

(1)流线形平面采用圆彤或椭圆形等流线形平面的建筑物，有利于减少作用于结构上的风荷载。采用三角形或矩形平面的高层建筑，转角处设计成圆角或切角，可以减少转角处的风压集中。(2)截锥状体形高层建筑若采用上小下大的截锥体体形，由于顶部尺寸交小，减少了楼房上部较大数值的风荷载，并减小了风荷载引起的倾覆力矩，从而使风振时的振幅和加速度得以较大的减小。(3)不大的高宽比房屋高宽比是衡量一栋高楼抗推刚度和侧移控制的一个主要指标，应该满足一定的高宽比限值。2.阻尼装置风振控制装置属非承重构件，其功能仅在结构中发挥耗能作用，而不承担导荷承载作用，即增加风振控制装置不改变主体结构竖向受力体系。一般情况下，结构越高、越柔、跨度越大、振动越强、风压越高，则控制效果越显著。风振控制技术已在国内外众多高层、高耸结构中应用，如纽约世界贸易中心采用的l0000个黏弹性阻尼器对结构进行风振控制，并取得了良好的控制效果；哥伦比亚SeaFirst大厦采用黏弹性阻尼器对其进