我國高層混合結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

王仕統(tǒng)

我國高層混合結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

王仕統(tǒng)

本文根據(jù)美國、日本對高層混合結(jié)構(gòu)（混凝土核心筒+鋼框架）的適用范圍，結(jié)合我國現(xiàn)行規(guī)范（程）[1][2][3][4]的規(guī)定，以及我國近年來對超高層混合結(jié)構(gòu)的狂熱追求——各地最高建筑首選混合結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)狀，談?wù)剛€人的看法，并質(zhì)疑我國住建部建質(zhì)文件[5]中超限高層專項審查技術(shù)要點。同時，還介紹了美國紐約新世界貿(mào)易中心1 WTC混合結(jié)構(gòu)（非抗震設(shè)防區(qū)）的施工順序與我國混合結(jié)構(gòu)的很不同，哪種施工順序更科學(xué)，供研究參考。

混凝土核心筒；鋼框架；混合結(jié)構(gòu)；質(zhì)疑

全鋼結(jié)構(gòu)——主要采用下列不開裂的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（structural members），并通過焊接、鉚釘或高強(qiáng)螺栓連接而成的鋼結(jié)構(gòu)骨架[6]：型鋼（Steel shape）、鋼板（Steel plate）、高強(qiáng)鋼絲或鋼棒，簡稱S）、鋼管混凝土（Concrete-filled Steel Tubular，簡稱ST·C）、鋼梁+壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土組合樓蓋（Steel-Concrete composite，簡稱S·C）。

因此，凡采用帶裂縫工作的混凝土構(gòu)件（Concrete member），如鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，簡稱RC）構(gòu)件、型鋼混凝土（Steel-Reinforced Concrete，簡稱RC·S）構(gòu)件，以及部分預(yù)應(yīng)力混凝土（Partial Prestressed Concrete，簡稱PPC）構(gòu)件時，均不能叫做鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)視為混合結(jié)構(gòu)。

1988年，我國高層首次采用混凝土（Concrete）核心筒+外鋼框架（Steel Frame），即C+SF混合結(jié)構(gòu)以來（圖1），我國就大量采用混合結(jié)構(gòu)，甚至在8度抗震設(shè)防區(qū)（北京國貿(mào)等）也如此。為何C+SF能夠在我國大量采用，主要原因是：混凝土核心筒幾乎承擔(dān)100%的水平作用[7]（風(fēng)、地震），具有很大的抗推剛度，容易滿足水平側(cè)移限值，設(shè)計無難度。但必須指出：由于混凝土與鋼結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)延性比?=Du/Dy相差很大[8]，前者僅?c=3～4，后者高達(dá)?s=7～9（圖2）。因此，混凝土和鋼兩種結(jié)構(gòu)的混合在強(qiáng)震作用下的結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)，必須引起結(jié)構(gòu)工程師的嚴(yán)重關(guān)注：強(qiáng)震后，同一幢高樓的兩種抗側(cè)力體系，一個（混凝土核心筒剛度大，地震力也大——第一道抗震防線）可能成為建筑垃圾，一個（鋼框架）能修復(fù)（可持續(xù)發(fā)展），如何處理后事，值得深思！

圖2 兩種結(jié)構(gòu)的延性比?值

規(guī)范[1]P.385：“對于混凝土核心筒-鋼框架混合結(jié)構(gòu)，在美國主要用于非抗震設(shè)防區(qū)，且認(rèn)為不宜大于150m。在日本，1992年建了兩幢，其高度分別為78m和107m，結(jié)合這兩項工程開展了一些研究，但并未推廣。

1.我國規(guī)范（程）對高層全鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)的高度限值[H]

表1 我國規(guī)范（程）規(guī)定的高層混合結(jié)構(gòu)的高度限值[H]

由表1可見，我國四本現(xiàn)行規(guī)范（程）對高層混合結(jié)構(gòu)的高度限值[H]是：6、7度的[H]≤220m，8度[H]≤140m，9度[H]≤95m。

2.我國超高層混合結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

我國400m以上的高層建筑采用混合結(jié)構(gòu)體系好像已成為時尚。因為，混凝土核心筒的剛度極大，容易滿足水平側(cè)移限值，軟件都可以計算，設(shè)計無難度。目前，我國部分高層混合結(jié)構(gòu)工程如下：

2.1 廣州新中軸線的三大高層混合結(jié)構(gòu)（圖3）

東塔是廣州最高的高層混合結(jié)構(gòu)——H=518.15m，美國KPE建筑事務(wù)所、奧雅納工程咨詢（深圳）公司設(shè)計，中國建筑第三工程局有限公司和中國建筑第四工程局有限公司承建，中建鋼構(gòu)有限公司鋼結(jié)構(gòu)施工。總建筑面積50萬m2，總用鋼量16.8萬t（型鋼10.8萬t，鋼筋6.0萬t）。最厚鋼板t=130mm（鑄鋼件厚度400mm），最大鋼筋直徑d=40mm?；炷劣昧?0萬m3。

圖3 廣州新中軸線三大高層混合結(jié)構(gòu)

2.2 上海陸家嘴的三大超高層混合結(jié)構(gòu)（圖4）

上海中心是上海最高的高層混合結(jié)構(gòu)——H=580m。由美國Gensler公司設(shè)計，上海建工（集團(tuán)）總公司總包?？偨ㄖ娣e57.4萬m2，鋼材總用量10萬t，最厚鋼板t =140mm，最大鋼筋直徑d = 40mm。

圖4 上海陸家嘴的三大高層混合結(jié)構(gòu)

2.3 深圳平安大廈（圖5）

平安大廈是深圳最高的高層混合結(jié)構(gòu)——H=597m（不含天線高63m）。由美國KBF公司和CCDI悉地（深圳）國際設(shè)計公司設(shè)計，中國建筑一局（集團(tuán)）有限公司承建，中建鋼構(gòu)有限公司鋼結(jié)構(gòu)施工?？偨ㄖ娣e46萬m2，鋼材總用量10萬t（型鋼4.545萬t，鋼筋5.455萬t）。最厚鋼板t=150mm（鑄鋼件厚220mm），最大鋼筋直徑d=32mm?；炷劣昧繛?7.8萬m3。

圖5 深圳平安大廈 （n=118層，H=597m，不含天線63m）

2.4天津高銀117大廈（圖6）

n=117層，H=597m，總建筑面積85萬m2，總用鋼量18萬t（型鋼14萬t，鋼筋4萬t）?；炷劣昧繛?8.9萬m3。

圖6 天津高銀117大廈

可見，我國超高層混合結(jié)構(gòu)體系的型鋼、鋼筋、混凝土用料多，并不經(jīng)濟(jì)，且兩種抗側(cè)移體系的性能相差很大，型鋼混凝土施工也很艱難?！叭澜缫呀ǔ傻那笆蟾邩牵ㄖ?012年）中，美國1幢（全鋼結(jié)構(gòu)），亞洲9幢，其中中國7幢”[21]——中國臺灣101樓1幢（全鋼結(jié)構(gòu)），中國大陸6幢均為混合結(jié)構(gòu)。

3.結(jié)語

3.1 美國高層混合結(jié)構(gòu)“主要用于非抗震設(shè)防區(qū)，且認(rèn)為不宜大于150m”[1]；“1992日本建了兩幢：H=78m和H=107m，但并未推廣”[1]；“1964年美國阿拉斯加地震高層混合結(jié)構(gòu)樓房，曾發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌”[7]。

我國規(guī)范（程）規(guī)定的高層混合結(jié)構(gòu)的高度限值見表2。

可見，我國各地用500m～600m高層混合結(jié)構(gòu)來狂熱沖擊高層建筑的高度（廣州東塔maxH=518.15m、上海中心580m、深圳平安597m、天津117大廈597m），嚴(yán)重違背我國規(guī)范（程）的高度限值[H]，極其危險，且結(jié)構(gòu)用鋼和混凝土極大，勞命傷財。如，廣州東塔用鋼16.8萬t，（其中型鋼10.8萬t，鋼筋6萬t），混凝土20萬m3。非常笨重，型鋼混凝土構(gòu)件施工也十分艱難。質(zhì)疑我國超限專家如何評審?fù)ㄟ^？！超出規(guī)范（程）限值3～4倍，是不負(fù)責(zé)任的表現(xiàn)！據(jù)說，某省將設(shè)計高層混合結(jié)構(gòu)到1000m高，那就太不講科學(xué)了。一旦發(fā)生高樓地震破壞，總理號召不惜一切搶救人的生命也就晚矣！

用高層混合結(jié)構(gòu)狂熱沖擊我國規(guī)范[1]-[4]高層的高度限值，嚴(yán)重問題在哪里呢？——我國執(zhí)行的是中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建質(zhì)文件[5]，文件對高層混合結(jié)構(gòu)高度的上限均未限制，只規(guī)定了抗震設(shè)防的各項技術(shù)性能指標(biāo)。從而，我國高層混合結(jié)構(gòu)的高度越做越高，結(jié)構(gòu)越做越笨。為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)：①設(shè)計人員只有無限度的加大結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)用鋼量來滿足文件中規(guī)定的各項指標(biāo)，直到算夠為止；②進(jìn)行了模型抗震性能試驗?？此迫f無一失、很科學(xué)，但是，由于混凝土和鋼兩種結(jié)構(gòu)的混合在強(qiáng)震作用下的結(jié)構(gòu)性能及延性比的差異和破壞機(jī)理，我國也極少進(jìn)行混合結(jié)構(gòu)性能研究，以及美國阿拉斯加地震高層混合結(jié)構(gòu)破壞事實[7]，必須引起我國政府和科技人員的嚴(yán)重關(guān)注。設(shè)計是硬道理（輕量化設(shè)計），硬設(shè)計（笨重）就沒有道理！

表2 我國規(guī)范（程）規(guī)定的高層混合結(jié)構(gòu)的高度限值[H] （m）

圖7 美國居世界前列的三個著名高層全鋼結(jié)構(gòu)建筑

3.2 高層全鋼結(jié)構(gòu)屬于不開裂結(jié)構(gòu)[6]，才是抗震性能好、輕量化的結(jié)構(gòu)形式，才能設(shè)計得最高[8][9][10]。現(xiàn)代全鋼結(jié)構(gòu)的兩大特點：①采用輕質(zhì)高強(qiáng)材料；②采用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法——結(jié)構(gòu)減震控制理論、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論和預(yù)應(yīng)力理論[11]。圖7所示，美國居世界前列的三個著名高層全鋼結(jié)構(gòu)建筑，可見，隨著它們高度的增加：H=381m（Empire State Building，帝國大廈）→H=416.966m（World Trade Center，世界貿(mào)易中心）→H=443.179m（Sears Tower，西爾斯塔），結(jié)構(gòu)方案也在變化：框-撐→框筒→束筒，用鋼量[7][12][13]反而在減少：206kg/m2→186.6kg/m2→161kg/m2，這充分說明高層全鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的高科技設(shè)計水平。

圖8所示世界貿(mào)易中心輕量化的幾個指標(biāo)：

① 世界貿(mào)易中心的箱形鋼柱尺寸小，且鋼板薄[14]：箱形截面450×450×（7.5～12.5），3柱過渡到1個箱形柱（800mm×800mm），未設(shè)轉(zhuǎn)換層；采用被動控制阻尼器；工地高強(qiáng)螺栓裝配化（三層吊裝單元）?？傆娩揋=8.41萬t，建筑總重[7][15]P=40萬t，從而，G/ P=0.21（優(yōu)秀設(shè)計[16]G/P=0.2～0.3）；

② 美國世貿(mào)中心的風(fēng)壓值w=2.2kN/m2，頂點側(cè)移僅為[14]：u=280mm，u/H=0.28/416.966=1/1489，剛度OK。

圖8 世界貿(mào)易中心（美國紐約，1973）

由此可見，要想把高層建得最高且為輕量化，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該明白：（a）正確選擇抗側(cè)力體系；（b）正確估計結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面尺寸。且應(yīng)按美國、日本先進(jìn)國家的方式，美國高層混合結(jié)構(gòu)“主要用于非抗震設(shè)防區(qū)，且認(rèn)為不宜大于150m”[1]——在強(qiáng)震區(qū)采用全鋼結(jié)構(gòu)，而非混合結(jié)構(gòu)。

2001年9月11日（恐怖日），波音767客機(jī)擊斷鋼柱，進(jìn)入美國世界貿(mào)易中心 (World Trade Center)。1h后，南、北兩樓先后塌落。2013年建成新世貿(mào)中心1號大樓（簡稱1 WTC），考慮到原世貿(mào)中心中央只有44條鋼柱（圖9a），頂不住飛機(jī)撞入后的上部建筑重力而塌落。1 WTC采用高層混合結(jié)構(gòu)（紐約，非抗震區(qū)）。其結(jié)構(gòu)高度與原南樓相同H=1362ft=415.318m，新、舊世貿(mào)中心的平面尺寸等數(shù)據(jù)見圖9b。

中國高層混合結(jié)構(gòu)的施工順序是：超前施工混凝土核心筒，然后利用核心筒上的起重設(shè)備安裝周邊鋼框架。

新世貿(mào)1號樓（1 WTC）的施工順序是：先安裝鋼框架（包括混凝土核心筒內(nèi)的鋼構(gòu)件），然后現(xiàn)澆混凝土[17]。具體分為四個步驟：① 鋼框架；②金屬樓板和現(xiàn)澆核心筒外的混凝土；③核心筒混凝土剪力墻；④核心筒內(nèi)混凝土樓板。核心筒外緣要設(shè)置寬翼緣鋼環(huán)形梁，以便在樓板和核心墻之間保持間隙，便于模板提升。每8層至12層按上述順序作業(yè)。該施工順序是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，因為它要影響不同構(gòu)件間的連接方法和構(gòu)造，特別是在混凝土核心筒墻和相鄰部位之間。施工順序也會影響塔樓的軸向壓縮、計算方法和施工的補(bǔ)償。在混合結(jié)構(gòu)中，鋼和混凝土的彈性變形、徐變和收縮效應(yīng)的差異，軸向縮短更顯得重要。核心筒中的框架柱在外包混凝土之前的縮短應(yīng)仔細(xì)考慮，目的是在樓層施工完畢后應(yīng)保持理論標(biāo)高。承包商應(yīng)調(diào)整周邊鋼柱與中心混凝土墻的標(biāo)高差，對它們采用不同程度的增長，對于鋼結(jié)構(gòu)可以：①在制作時將柱子加長一點；②在現(xiàn)場按時加墊片，或在兩者同時采用。塔樓結(jié)構(gòu)是按2003 IBC的風(fēng)荷載設(shè)計的，進(jìn)行了一系列塔樓對龍卷風(fēng)的反應(yīng)以及對人體的舒適度研究。在不同階段，在Rowan Williams Davies & Irwin 風(fēng)洞試驗室進(jìn)行了高頻力的平衡（HFFB）和空氣彈性試驗，也考慮塔尖的空氣動力學(xué)試驗和空氣彈性試驗。風(fēng)洞試驗考慮了周圍環(huán)境的影響。鑒于1 WTC完工時，2、3、4號樓還沒有完工，在辦公樓最高層可能會遇到人體舒適度問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計也考慮了千年一遇的風(fēng)暴。

上述兩種高層混合結(jié)構(gòu)的施工順序，哪種更科學(xué)（附加應(yīng)力少）很值得我們研究！否則，施工在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形難以估計。

圖9 世界貿(mào)易中心

表3 二、三、四觀點[9][6][11]

3.3 我國結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)努力實現(xiàn)全鋼結(jié)構(gòu)文化：

由圖2可知，曲線有2個諧振點，分別位于低頻處和高頻處。當(dāng)外加電磁波沿Z軸方向射入超材料，此時電場沿X軸極化，磁場沿Y軸方向。由于兩側(cè)金屬環(huán)之間有一定距離且開口方向相反，在電磁波的作用下，2個金屬環(huán)產(chǎn)生平行于開口方向的電偶極子和垂直于諧振平面的磁偶極子，并且二者的共振存在一定的相位差，因此在這種情況下出現(xiàn)2個不同的振動狀態(tài)，即圖2中的低頻諧振和高頻諧振狀態(tài)。

① 現(xiàn)代全鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化，即實現(xiàn)結(jié)構(gòu)哲理：少費多用——用最少的結(jié)構(gòu)提供最大的結(jié)構(gòu)承載力。鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)包括設(shè)計與施工（制造和安裝），輕盈的鋼結(jié)構(gòu)必須從設(shè)計開始——設(shè)計是龍頭。因此，在進(jìn)行現(xiàn)代全鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不是簡單地使用設(shè)計軟件，而應(yīng)該遵循鋼結(jié)構(gòu)輕量化的設(shè)計理論——二、三、四觀點（表3），其中鋼結(jié)構(gòu)精心設(shè)計四大步驟中的前兩步：a.正確選擇結(jié)構(gòu)方案；b.正確估計結(jié)構(gòu)截面高度。否則，所謂的優(yōu)化是徒勞的。作者認(rèn)為，鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量是衡量結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣的最重要指標(biāo)之一。不談用鋼量多少，狂熱追求鋼結(jié)構(gòu)建筑亞洲第一高、世界第一跨是不科學(xué)的。我們要永遠(yuǎn)記住一個真理——設(shè)計是硬道理（結(jié)構(gòu)輕量化），硬設(shè)計（結(jié)構(gòu)笨重）就沒有道理！

② 現(xiàn)代全鋼結(jié)構(gòu)建筑與綠色建筑必須掛鉤——節(jié)材與環(huán)保。全鋼結(jié)構(gòu)最能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化：鋼構(gòu)件制造（焊接）工廠化，工地高強(qiáng)螺栓裝配化。

我國鋼結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，任重而道遠(yuǎn)！

空談?wù)`國，實干興邦！

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（作者為華南理工大學(xué)土木系教授

廣東省鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會會長

中國鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)資深專家

中國鋼協(xié)資深專家

中國高效預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)發(fā)展與推廣委員會委員）

TU973.14

A

1671-3362（2015）02-0062-06