超高層建筑結(jié)構(gòu)

1/1超高層建筑結(jié)構(gòu)這兩天有幸聽(tīng)了汪大綏總工關(guān)于國(guó)內(nèi)幾個(gè)超高層建筑方面的講座。

汪總工是國(guó)內(nèi)知名的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大師。

在聽(tīng)講的過(guò)程中，感覺(jué)汪總工為人和藹可親，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，結(jié)構(gòu)概念十分清晰，特別是對(duì)于工程上出現(xiàn)的難題的把握和解決能力十分令我欽佩。

他的講座開(kāi)闊了我的眼界，使我受益匪淺。

趁熱打鐵，草草整理了些筆記寫(xiě)出來(lái)。

汪總工主要介紹了四個(gè)工程項(xiàng)目：

2010年上海世博園建筑；上海環(huán)球金融中心；CCTV新臺(tái)址；天津津塔。

I、上海世博園上海世博會(huì)將于2010年5月1日～10月31日舉行。

作為一次國(guó)際參展的盛會(huì)，世博園建筑群是非常具有創(chuàng)新性和代表性的。

現(xiàn)在大部分建筑都在緊張而有序地施工中。

世博園建筑群中大部分都作為臨時(shí)性建筑，會(huì)展結(jié)束后將拆除；而作為永久性建筑的只有一軸四館，即：

世博軸、主題館、中國(guó)館、世博中心、演藝中心。

應(yīng)該說(shuō)作為地區(qū)標(biāo)志性建筑的一軸四館建筑無(wú)論從建筑體型還是結(jié)構(gòu)體系來(lái)講，都是相當(dāng)前沿和先進(jìn)的，且富有極強(qiáng)創(chuàng)新性的建筑，融合了一流的建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)，代表了國(guó)內(nèi)建筑領(lǐng)域相當(dāng)高的水準(zhǔn)。

1主題館：

采用144m跨張弦桁架結(jié)構(gòu)的大跨度屋蓋。

2中國(guó)館：

形態(tài)有點(diǎn)類似于一個(gè)鼎，上大下小，給人以強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊感。

其結(jié)構(gòu)體系采用四個(gè)鋼筋砼筒作為主要承重體系，上部懸挑部分采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。

3世博中心：

作為會(huì)展中心使用；長(zhǎng)度400多米，全鋼結(jié)構(gòu)；值得一提的是在結(jié)構(gòu)中引入了較前沿的防屈曲支撐（BRBS）作為消能減震構(gòu)件來(lái)消耗地震時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

4演藝中心：

建筑體型呈飛碟狀，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一在于外圍巨大懸挑看臺(tái)的處理。

5世博軸：

作為世博會(huì)期間人流集散處。

結(jié)構(gòu)為索膜結(jié)構(gòu)，最特別的是陽(yáng)光谷，呈喇叭開(kāi)口狀，可以收集雨水，并使陽(yáng)光透入地下室，故名陽(yáng)光谷。

其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工是非常具有難度的：

例如，膜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載計(jì)算和找形技術(shù)，節(jié)點(diǎn)定位，以及空間方鋼管和節(jié)點(diǎn)的切割（幾千個(gè)節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有兩個(gè)是完全一樣的）。

世博主題館中國(guó)館施工中的中國(guó)館施工中的中國(guó)館世博中心施工中的世博中心演藝中心施工中的演藝中心世博軸陽(yáng)光谷施工中的陽(yáng)光谷施工中的陽(yáng)光谷II、上海環(huán)球金融中心1、建筑概況：

492米，地上101層、地下3層。

建筑面積381600m2。

2、結(jié)構(gòu)體系：

主體承重結(jié)構(gòu)由型鋼砼巨型柱、鋼筋砼核心筒、巨型斜撐、外伸桁架、帶狀桁架等組成。

巨型柱采用高含鋼量的型鋼砼巨型柱，分布在結(jié)構(gòu)平面的四角。

核心筒采用分段收進(jìn)的方式，總共有三段組成。

巨型斜撐分布在巨型柱之間，使結(jié)構(gòu)具有很好的整體性和抗側(cè)剛度。

帶狀桁架每12層布置一道，外伸桁架主要解決核心筒與外框架之間的協(xié)調(diào)共同工作問(wèn)題。

在國(guó)內(nèi)的高層建筑中首次采用了TMD主動(dòng)控制技術(shù)（調(diào)頻質(zhì)量阻尼器），大大緩解了強(qiáng)風(fēng)和地震作用帶來(lái)的樓層振動(dòng)。

TMD阻尼器的阻尼比僅僅0.5%，遠(yuǎn)小于砼和鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比。

結(jié)構(gòu)的第一階自振周期為7.6s，已超出抗震規(guī)范反應(yīng)譜曲線的最大范圍。

因此，對(duì)于這樣一個(gè)超高層高柔建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必然融合了現(xiàn)今結(jié)構(gòu)技術(shù)的許多最先進(jìn)技術(shù)。

此外，汪總工有一句話非常經(jīng)典：

阻尼是結(jié)構(gòu)的特性，而不是材料的特性。

同樣材料做的結(jié)構(gòu)，矮的和高的阻尼比是不同的。

此外，對(duì)風(fēng)荷載和地震作用，今后宜使用不同的阻尼比計(jì)算。

[/U]我的理解是，阻尼是結(jié)構(gòu)內(nèi)部耗能機(jī)制的一個(gè)宏觀體現(xiàn)，有了阻尼，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)才能停止下來(lái)。

實(shí)際上阻尼是什么誰(shuí)都說(shuō)不清楚，只能把這種機(jī)制歸結(jié)為阻尼這個(gè)東西，因此，阻尼的確應(yīng)該是與結(jié)構(gòu)有關(guān)的一個(gè)參數(shù)，但確實(shí)是十分復(fù)雜的。

上海環(huán)球金融中心施工中的上海環(huán)球金融中心施工中的上海環(huán)球金融中心III、CCTV新臺(tái)址關(guān)于備受爭(zhēng)議的CCTV新樓，我以前也做過(guò)一些探討，但由于沒(méi)有深入研究過(guò)其建筑和結(jié)構(gòu)方案，理解不免膚淺和偏頗。

汪總工是CCTV新樓中方結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（華東設(shè)計(jì)院）的總工程師，因此他的講解是最權(quán)威的。

聽(tīng)完報(bào)告，雖然沒(méi)有完全領(lǐng)會(huì)，但我對(duì)CCTV新樓有了許多新的認(rèn)識(shí)。

1、建筑幾何體型：

CCTV新樓外表看似不規(guī)則，其實(shí)從建筑體型上它是由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的四棱錐被切割和貫穿而形成，兩個(gè)塔樓的傾斜實(shí)際上是由四棱錐的斜邊而形成的。

2、結(jié)構(gòu)體系：

屬于帶斜撐的框筒結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)構(gòu)件為外部的帶斜撐框架，內(nèi)部電梯間的核心筒實(shí)際上是由鋼框架組成，設(shè)計(jì)上并不承擔(dān)水平荷載。

外框柱多為含鋼量較高的型鋼砼柱。

外部斜撐的布置也不是均勻的，根據(jù)應(yīng)力分析和優(yōu)化，在應(yīng)力大的部位加密網(wǎng)格，即加密斜撐。

此外，一個(gè)斜撐跨越兩個(gè)樓層，中間的那個(gè)樓層作為次結(jié)構(gòu)，不參與結(jié)構(gòu)整體剛度。

3、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性：

第一階自振周期為3.82s，前兩階振型為平動(dòng)為主，第三階帶扭轉(zhuǎn)。

200多米高的建筑，而T1=3.82s，應(yīng)該說(shuō)這個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度是非常大的，其主要原因就在于外部斜撐對(duì)結(jié)構(gòu)的巨大剛度貢獻(xiàn)。

4、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)：

達(dá)到了抵抗9度半罕遇地震的水準(zhǔn)，僅局部構(gòu)件發(fā)生損傷。

應(yīng)該說(shuō)，這個(gè)結(jié)構(gòu)方案還是有相當(dāng)?shù)目拐鹉芰Φ?，特別是斜撐的加入對(duì)提高結(jié)構(gòu)整體性提供了很大的貢獻(xiàn)。

5、構(gòu)件節(jié)點(diǎn)性能研究：

例如高含鋼率SRC柱的試驗(yàn)研究（同濟(jì)大學(xué)完成），蝶形節(jié)點(diǎn)受力試驗(yàn)（清華大學(xué)完成），通過(guò)試驗(yàn)得到了關(guān)于這些新式構(gòu)件的許多有意義的結(jié)論。

6、工程施工難點(diǎn)：

汪總工介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工中的一些難題和處理方案。

例如，施工方案中創(chuàng)新性地提出了施工荷載上下限、延遲構(gòu)件的概念等等。

CCTV新址-塔樓施工頂部懸臂段合攏施工懸臂段合攏IV、天津津塔這個(gè)超高層建筑在結(jié)構(gòu)上最大的特點(diǎn)就是使用了鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系（簡(jiǎn)稱SPSW）。

我們知道剪力墻一般都使用鋼筋砼澆筑而成，而鋼板剪力墻顧名思義就是使用鋼板作為剪力墻，來(lái)抵抗水平荷載。

天津津塔主體結(jié)構(gòu)體系由核心筒（鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)）+外框架+外伸桁架組成。

豎向荷載由框架承擔(dān)，而鋼板剪力墻僅抵抗水平荷載。

這是由于鋼板較薄，在豎向荷載作用下容易失穩(wěn)。

結(jié)構(gòu)計(jì)算使用結(jié)構(gòu)分析軟件ETABS和Midas計(jì)算校核。

此外，為了解決鋼板在施工過(guò)程中豎向荷載作用下容易引起失穩(wěn)的工程難題，汪總工創(chuàng)新性地提出了帶豎肋的鋼板剪力墻，并在清華大學(xué)進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了非常理想的效果。

試驗(yàn)結(jié)果表面，帶肋的鋼板較不帶肋的鋼板，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)滯回耗能能力強(qiáng)，極限穩(wěn)定承載力高等優(yōu)點(diǎn)。

這個(gè)創(chuàng)造性的成果，得到了美國(guó)專家的稱贊和好評(píng)，聽(tīng)說(shuō)有可能要引入到美國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中呢。

天津津塔（鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)）總結(jié)：

[/B]汪總工不愧是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大師。

對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工程難題都能給出非常好的解決方案，十分領(lǐng)我欽佩。

自己也有幾點(diǎn)體會(huì)，作為小結(jié)：

（1）結(jié)構(gòu)新技術(shù)：

現(xiàn)今結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是與時(shí)俱進(jìn)的，上海世博園建筑、環(huán)球金融中心、天津津塔等地標(biāo)性建筑，都融合了現(xiàn)今世界上的眾多結(jié)構(gòu)新技術(shù)、新成果，例如BRBS(防屈曲支撐)、TMD(調(diào)諧質(zhì)量阻尼器)、SPSW(鋼板剪力墻)等等。

隨著這些新技術(shù)的出現(xiàn)，建筑這個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)也在走向飛躍。

（2）工程難題：

應(yīng)該說(shuō)任何一個(gè)復(fù)雜工程都是有其相伴隨的工程難點(diǎn)的。

這些難題的解決，需要結(jié)構(gòu)工程師的智慧、努力和創(chuàng)造性工作。

汪總工作為結(jié)構(gòu)大師，與一般結(jié)構(gòu)師相比的過(guò)人之處就在于對(duì)工程難題的把握解決和創(chuàng)新能力。

（例如在SPSW中創(chuàng)造性地提出了帶肋的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)）。

（3）分析軟件：

在汪總工介紹的幾個(gè)工程中，實(shí)際上大量計(jì)算工作都要依靠軟件來(lái)完成。

用汪總工的話說(shuō)：

沒(méi)有計(jì)算機(jī)，很多東西都根本不可能完成。

涉及的幾個(gè)工程中，結(jié)構(gòu)整體分析軟件主要有：

ETABS、Midas等；細(xì)部分析（如CCTV新樓蝶形節(jié)點(diǎn)受力分析、天津津塔鋼板剪力墻屈曲分析等）主要使用ANSYS或ABAQUS等完成。

的確，結(jié)構(gòu)工程已邁入軟