超高層建筑結(jié)構(gòu)體系風險分析

陳 念

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400041)

0 前 言

隨著國家的高速發(fā)展，超高層建筑的數(shù)量越來越多、高度也逐漸在增大，同時它的安全問題一直都是最令人擔心的問題。改革開放后，我國修建了一些超高層建筑，這些超高層建筑作為“新生兒”并沒有經(jīng)受過強烈的地震和風的考驗，雖然沒有經(jīng)過這些考驗，但是人們一直在關注著超高層建筑物的抗風抗震問題。

1 超高層建筑結(jié)構(gòu)體系

1.1 超高層建筑定義

根據(jù)《民用建筑設計通則》(GB50352—2005)中規(guī)定：建筑高度超過100 m時，不論住宅及公共建筑均為超高層建筑。但是世界超高層建筑學會的規(guī)范與我國規(guī)定也存在很大的不同，它規(guī)定300 m以上為超高層建筑。

1.2 超高層建筑結(jié)構(gòu)體系分類

1.2.1 筒體結(jié)構(gòu)體系

1)框架-筒體結(jié)構(gòu):這種結(jié)構(gòu)形式在超高層建筑很常見，經(jīng)常使用，這種結(jié)構(gòu)形式比較實用，更符合需要，我們會發(fā)現(xiàn)它的豎向荷載是由框架和筒體一起分擔的, 而它的水平荷載由筒體本身來承受, 主要適用于建筑層數(shù)在50～100層的超高層建筑。

2)筒中筒結(jié)構(gòu):這種結(jié)構(gòu)包括兩部分組成：中央剪力墻內(nèi)筒和外框筒，或者是框架筒的外筒和制造鋼架筒的內(nèi)筒。當建筑物遭受到水平荷載時,建筑物的內(nèi)外筒共同來承擔水平力,在建筑物的內(nèi)筒人們可設置一些服務設施，會讓人們生活更方面，它的外筒可安裝一些好看的玻璃幕墻。

3)束筒結(jié)構(gòu):另外一種說法是組合筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)類型是由很多個筒組合而成形成一個整體, 它們一起來承擔豎向和水平荷載。我們認識的所有束筒結(jié)構(gòu)也可以組成每一個建筑物的外部形狀, 而且它還能滿足高度有些有差別的建筑物體形組合的要求。

1.2.2 巨型結(jié)構(gòu)體系

1)巨型框架結(jié)構(gòu):它的組成包括了兩部分，一是巨型柱(一級結(jié)構(gòu))，二是巨型梁，這種結(jié)構(gòu)形式中，巨型框架的剛度很大，框架承受的兩種荷載為水平荷載和豎向荷載。巨型框架和其他我們生活中經(jīng)常見到的結(jié)構(gòu)體系可以組合成各方面都很好的巨型結(jié)構(gòu)體系。

2)巨型桁架結(jié)構(gòu):這種結(jié)構(gòu)形式對于水平和豎直荷載是由它的懸臂桁架分擔，然而它的懸臂桁架的組成部分包括了豎桿和斜桿。巨型桁架結(jié)構(gòu)與巨型框架結(jié)構(gòu)一樣的，也可與其他我們生活中經(jīng)常見到的結(jié)構(gòu)體系組合成各方面都很好的巨型結(jié)構(gòu)體系。

上述兩種巨型結(jié)構(gòu)體系在生活中獲得了普遍的應用，實際上還有兩種巨型結(jié)構(gòu)體系，分別是巨型懸掛結(jié)構(gòu)和巨型分離式結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)形式在生活中應用比較少。

1.2.3 混合結(jié)構(gòu)體系

早在1972年，國外就發(fā)現(xiàn)了鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系, 這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點有很多，自身重量輕、延展性能好、抗震性能較強, 這種結(jié)構(gòu)體系與純鋼結(jié)構(gòu)比較，優(yōu)勢很明顯，在耐火性能、總價等方面都比純鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)異, 因此，目前在超高層建筑中經(jīng)常被使用。

比如說，坐立于上海的金茂大廈，這個大廈采用的就是混合結(jié)構(gòu)體系，這個大廈的上部結(jié)構(gòu)的主樓采用的是兩部分組合而成，包含了鋼筋混凝土核心筒與鋼結(jié)構(gòu)外框架,這種混合結(jié)構(gòu)體系提供了很大的空間，構(gòu)成了一個完整的抗側(cè)力體系是通過剛性大梁來構(gòu)成的。就目前來看，在現(xiàn)有的建筑物中，我們對于混合結(jié)構(gòu)體系的應用也有很大的改變,在實際工程中，應用的混合結(jié)構(gòu)形式也不是單一枯燥的，還有其他的形式比較復雜多樣的混合結(jié)構(gòu)。

2 超高層建筑主要風險

2.1 地 震

我們經(jīng)常說的地震，其實是一種很正常的地質(zhì)現(xiàn)象，它是在內(nèi)部或外部因素作用下地殼產(chǎn)生的強烈振動。地震為什么會發(fā)生？這個問題可以這樣回答，當發(fā)生火山爆發(fā)時，會產(chǎn)生一些能量的沖擊，地震發(fā)生時，一些地層會發(fā)生陷落的現(xiàn)象，這就是陷落地震，在一些特殊的地區(qū)會因為某種不知情的外界成分從而誘發(fā)地殼振動而產(chǎn)生地震。但是當這種地震發(fā)生時，它產(chǎn)生的規(guī)模很小，對建筑物環(huán)境等的影響的范圍也很小。我們生存的地球上，有些地方經(jīng)常發(fā)生地震，當?shù)卣鸢l(fā)生時巖層就會斷裂，發(fā)生錯位變動，對于這種地震我們把它稱為構(gòu)造地震。

因為處在地下深處的巖石破壞、錯動，把累積下來的很多的能量突然釋放出來，它各個方面?zhèn)鞑サ男问绞且缘卣鸩ǖ男问?，傳播到地面的時候就引起房屋搖動和地面開裂。經(jīng)常發(fā)生，發(fā)生的時間較長，建筑和人們受到的影響的范圍很大，它對建筑物和人們的破壞性也是最強的，這些都是構(gòu)造地震的主要特點。所以，構(gòu)造地震也是地震研究的重要目標。根據(jù)查閱相應的地理書籍，明白了地震理論中的重點問題就是對構(gòu)造地震的發(fā)生原因進行探索和對震源機制的研究?？茖W家對構(gòu)造地震發(fā)生的原因理論進行了補充說明，其中最主要的理論有斷層說、巖漿說和相變說等。一般地，構(gòu)造地震可能發(fā)生在活動性的斷裂帶末端和彎曲處、兩個斷層的交叉處以及巨大的隆起和凹陷的過渡帶中，具有強烈的運動變化。主要的原因是上述提及到的地區(qū)的應力比較集中、巖層的布局也相對于其他地區(qū)來說比較脆弱。

在超高層建筑結(jié)構(gòu)中會受到一些荷載，建筑物會受到垂直荷載和水平荷載，同時建筑物應當有抵抗地震的能力，當發(fā)生較低的地震時，能保障人們的安全。當遇到的建筑物樓層較低時，它受到的水平荷載會產(chǎn)生一些內(nèi)力和位移，但是這些產(chǎn)生的內(nèi)力和位移都很小，通?？梢院雎?，對建筑物的影響也很小；當遇到的建筑物樓層較高時，受到的水平荷載也會產(chǎn)生一些內(nèi)力和位移，但是它們產(chǎn)生的內(nèi)力和位移并不是一直不變的，而是逐漸增大；總的來說，水平荷載和地震作用在超高層建筑中非常重要，成為主要的控制因素。所以，根據(jù)規(guī)定，當設計的建筑物是超高層建筑時，我們需要考慮的比較多，也需要考慮仔細一點，不僅需要考慮建筑物需要承受的較大的承載能力，而且還需要考慮建筑物的較大的剛度問題，考慮周全，才會當受到水平荷載時，發(fā)生的側(cè)向變形會控制在一定的范圍以內(nèi)，不會超過規(guī)定的值。

2.2 風

風荷載實際上也稱為風的動壓力，它是通過空氣的流動對建筑物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一些壓力從而使建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生一些變化，它作用在建筑物是不規(guī)則的，其實我們所了解的風荷載是一種和一般活荷載比如樓面和屋面活荷載、吊車荷載、雪荷載等有所差異的隨機性的活荷載。為了讓結(jié)構(gòu)設計更簡單，目前，在我們所了解的世界各國的超高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，設計師為了讓計算更簡便、設計更容易，都是將不確定的風荷載轉(zhuǎn)換為確定性的靜力等效風。

風荷載對超高層建筑物的影響很大，根據(jù)研究表明，實際中對建筑物有影響的并不是只有風，最主要的還是風荷載會讓建筑物發(fā)生水平位移的影響，當風荷載作用在建筑物上時，超高層建筑物的結(jié)構(gòu)在水平方向會產(chǎn)生位移，從而對建筑物產(chǎn)生不利的影響。風荷載對建筑物到多少高度會有影響，要觀察當?shù)氐臍夂虻那闆r、風力的情況、場地的特征、建筑物的體型等因素，然后再分析。

關于風壓的變化，其實比較復雜，但是可以簡單地分為兩部分來探討：第一部分是周期長的部分，風的作用時間的數(shù)值超過在10 min以上；第二部分是周期短的部分，基本上每次作用時間都很短，僅僅只有一眨眼的時間，就是幾秒鐘左右。為了讓風壓的分析更清晰明了，研究人員經(jīng)常把真實的風壓分解成了兩部分，一是平均風壓，它是一種穩(wěn)定的風壓，是通過平均風速產(chǎn)生的；二是脈動風壓，它其實也就是一種不穩(wěn)定風壓。

風荷載其實還與一些其他因素有關，建筑層的樓層數(shù)量直接影響風荷載作用情況，建筑物越高，那么建筑物承受的風壓也就會越大，但是它們之間的關系也不簡單，不是單一的正比關系。關于地形平整或者稍微有點起伏的地形情況，風壓高度變化系數(shù)必須取一個準確的值，就需要根據(jù)規(guī)范按照不同地面粗糙度情況來取值確定。如果建筑物是建立在山區(qū)的情況，風壓的高度變化系數(shù)比較復雜，需要考慮的也不是一點，不只是根據(jù)地面的粗糙度情況來考慮還應該注意的是山區(qū)地形條件的修正系數(shù)。

在超高層建筑中，風荷載對建筑的影響很大，所以需要控制它,當氣流經(jīng)過超高層建筑物的外部時，這時就會產(chǎn)生明顯的三個風荷載效應,它們分別是順風向、橫風向和扭轉(zhuǎn)風荷載,這時就會引發(fā)建筑物的振動。超高層建筑物三維風荷載構(gòu)成的機理比較復雜,影響因素也很多,到現(xiàn)在都是風荷載工程研究的重點問題。在我國現(xiàn)有的超高層建筑中，80%的研究都是方正的圖形和一些平面是規(guī)則的超高層建筑,而對于繁雜結(jié)構(gòu)的超高層建筑的風荷載研究很少，這類結(jié)構(gòu)比較復雜，而簡單的平面利于科研人員的研究。

3 超高層建筑的抗風抗震手段

當建立層數(shù)較少的建筑時，一般情況下，在建筑物中起著主導作用的是垂直向下的豎向重力荷載，當建立超高層建筑時，最重要的不是豎向荷載了，最重要的是怎么抵抗水平荷載，在超高層建筑中，荷載對建筑物的影響很大，風和地震是對建筑物影響最大的兩種主要水平荷載。我們將它們稱為抗風抗震，是因為抗風抗震和防風防震是有很大的差別，指的并不是同一樣事物。我們可以預防一些病害的發(fā)生但我們并不能阻止風和地震的發(fā)生。即使沒有建筑物，地球上也有風和地震。我們?nèi)绻A防地震和風不可能的，因為它們都屬于自然災害，而我們需要做的就是只有被動的抗風抗震。

結(jié)構(gòu)設計是超高層建筑設計的第一步，也是需要花費很多時間和精力的一步。關于在超高層建筑中的抗風和抗震，很多方面都是我們需要注意的，但是很重要的一步同時也是必不可少的一步是結(jié)構(gòu)設計。超高層建筑物的外形對于抗震能力影響也是很大的。需要避免頭重腳輕的形狀;如果建筑平面是凹字形和凸字形的情況都必須更換成平面為口字型的，增大它的受力面積;如果平面是8字型的情況也都要將平面更換成0字型；如果立面的形狀是H形，就會發(fā)現(xiàn)它

在應用時也會出現(xiàn)一些問題，它的穩(wěn)定性也不好，但是我們可以使用立面是I形的建筑物，增大建筑物的穩(wěn)定性，I形的建筑物是上下部分粗細程度相同的沒有特別大的差異的建筑物。

在考慮超高層建筑的抗風問題時，需要控制的方面有很多，但是最重要的是控制建筑物表面的平整度。經(jīng)過研究試驗，扁圓形和橢圓形都比較適合。我們經(jīng)?？吹皆S多樓層多的建筑物，是正方形或長方形的表面，但角都被切掉了一小部分，沒有直角或銳角存在于整個建筑物中，這也是因為抗風才考慮這一方面。還發(fā)現(xiàn)超高層建筑物的暴露在外的表面應該盡量做到滑潤圓滑，同時還需要注意的是盡量避免各種尖銳的突出物。

在計劃階段必須確定超高層建筑物的抗風能力和抗震能力的最大值，然后就可以計算抗風和抗震的要求，選擇柱面或多棱柱就是最好的方案。仔細觀察超過400 m以上的世界超高層建筑，就會發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)這些建筑物也是上述的形狀。

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