超高層建筑結(jié)構(gòu)體系風(fēng)險(xiǎn)分析

陳 念

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400041)

0 前 言

隨著國(guó)家的高速發(fā)展，超高層建筑的數(shù)量越來(lái)越多、高度也逐漸在增大，同時(shí)它的安全問(wèn)題一直都是最令人擔(dān)心的問(wèn)題。改革開(kāi)放后，我國(guó)修建了一些超高層建筑，這些超高層建筑作為“新生兒”并沒(méi)有經(jīng)受過(guò)強(qiáng)烈的地震和風(fēng)的考驗(yàn)，雖然沒(méi)有經(jīng)過(guò)這些考驗(yàn)，但是人們一直在關(guān)注著超高層建筑物的抗風(fēng)抗震問(wèn)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(shè)計(jì)通則》(GB50352—2005)中規(guī)定：建筑高度超過(guò)100 m時(shí)，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(xué)會(huì)的規(guī)范與我國(guó)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(jiàn)，經(jīng)常使用，這種結(jié)構(gòu)形式比較實(shí)用，更符合需要，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它的豎向荷載是由框架和筒體一起分擔(dān)的, 而它的水平荷載由筒體本身來(lái)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(dāng)建筑物遭受到水平荷載時(shí),建筑物的內(nèi)外筒共同來(lái)承擔(dān)水平力,在建筑物的內(nèi)筒人們可設(shè)置一些服務(wù)設(shè)施，會(huì)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(shuō)法是組合筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)類型是由很多個(gè)筒組合而成形成一個(gè)整體, 它們一起來(lái)承擔(dān)豎向和水平荷載。我們認(rèn)識(shí)的所有束筒結(jié)構(gòu)也可以組成每一個(gè)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(jí)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(jiàn)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(duì)于水平和豎直荷載是由它的懸臂桁架分擔(dān)，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(jiàn)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(yīng)用，實(shí)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(yīng)用比較少。

1.2.3 混合結(jié)構(gòu)體系

早在1972年，國(guó)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(diǎn)有很多，自身重量輕、延展性能好、抗震性能較強(qiáng), 這種結(jié)構(gòu)體系與純鋼結(jié)構(gòu)比較，優(yōu)勢(shì)很明顯，在耐火性能、總價(jià)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(shuō)，坐立于上海的金茂大廈，這個(gè)大廈采用的就是混合結(jié)構(gòu)體系，這個(gè)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(gè)完整的抗側(cè)力體系是通過(guò)剛性大梁來(lái)構(gòu)成的。就目前來(lái)看，在現(xiàn)有的建筑物中，我們對(duì)于混合結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用也有很大的改變,在實(shí)際工程中，應(yīng)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(fù)雜多樣的混合結(jié)構(gòu)。

2 超高層建筑主要風(fēng)險(xiǎn)

2.1 地 震

我們經(jīng)常說(shuō)的地震，其實(shí)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(qiáng)烈振動(dòng)。地震為什么會(huì)發(fā)生？這個(gè)問(wèn)題可以這樣回答，當(dāng)發(fā)生火山爆發(fā)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些能量的沖擊，地震發(fā)生時(shí)，一些地層會(huì)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(huì)因?yàn)槟撤N不知情的外界成分從而誘發(fā)地殼振動(dòng)而產(chǎn)生地震。但是當(dāng)這種地震發(fā)生時(shí)，它產(chǎn)生的規(guī)模很小，對(duì)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(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)巖層就會(huì)斷裂，發(fā)生錯(cuò)位變動(dòng)，對(duì)于這種地震我們把它稱為構(gòu)造地震。

因?yàn)樘幵诘叵律钐幍膸r石破壞、錯(cuò)動(dòng)，把累積下來(lái)的很多的能量突然釋放出來(lái)，它各個(gè)方面?zhèn)鞑サ男问绞且缘卣鸩ǖ男问剑瑐鞑サ降孛娴臅r(shí)候就引起房屋搖動(dòng)和地面開(kāi)裂。經(jīng)常發(fā)生，發(fā)生的時(shí)間較長(zhǎng)，建筑和人們受到的影響的范圍很大，它對(duì)建筑物和人們的破壞性也是最強(qiáng)的，這些都是構(gòu)造地震的主要特點(diǎn)。所以，構(gòu)造地震也是地震研究的重要目標(biāo)。根據(jù)查閱相應(yīng)的地理書(shū)籍，明白了地震理論中的重點(diǎn)問(wèn)題就是對(duì)構(gòu)造地震的發(fā)生原因進(jìn)行探索和對(duì)震源機(jī)制的研究。科學(xué)家對(duì)構(gòu)造地震發(fā)生的原因理論進(jìn)行了補(bǔ)充說(shuō)明，其中最主要的理論有斷層說(shuō)、巖漿說(shuō)和相變說(shuō)等。一般地，構(gòu)造地震可能發(fā)生在活動(dòng)性的斷裂帶末端和彎曲處、兩個(gè)斷層的交叉處以及巨大的隆起和凹陷的過(guò)渡帶中，具有強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)變化。主要的原因是上述提及到的地區(qū)的應(yīng)力比較集中、巖層的布局也相對(duì)于其他地區(qū)來(lái)說(shuō)比較脆弱。

在超高層建筑結(jié)構(gòu)中會(huì)受到一些荷載，建筑物會(huì)受到垂直荷載和水平荷載，同時(shí)建筑物應(yīng)當(dāng)有抵抗地震的能力，當(dāng)發(fā)生較低的地震時(shí)，能保障人們的安全。當(dāng)遇到的建筑物樓層較低時(shí)，它受到的水平荷載會(huì)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，通常可以忽略，對(duì)建筑物的影響也很小；當(dāng)遇到的建筑物樓層較高時(shí)，受到的水平荷載也會(huì)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(lái)說(shuō)，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(dāng)設(shè)計(jì)的建筑物是超高層建筑時(shí)，我們需要考慮的比較多，也需要考慮仔細(xì)一點(diǎn)，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(wèn)題，考慮周全，才會(huì)當(dāng)受到水平荷載時(shí)，發(fā)生的側(cè)向變形會(huì)控制在一定的范圍以內(nèi)，不會(huì)超過(guò)規(guī)定的值。

2.2 風(fēng)

風(fēng)荷載實(shí)際上也稱為風(fēng)的動(dòng)壓力，它是通過(guò)空氣的流動(dòng)對(duì)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(shí)我們所了解的風(fēng)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(jī)性的活荷載。為了讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，目前，在我們所了解的世界各國(guó)的超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師為了讓計(jì)算更簡(jiǎn)便、設(shè)計(jì)更容易，都是將不確定的風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換為確定性的靜力等效風(fēng)。

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

關(guān)于風(fēng)壓的變化，其實(shí)比較復(fù)雜，但是可以簡(jiǎn)單地分為兩部分來(lái)探討：第一部分是周期長(zhǎng)的部分，風(fēng)的作用時(shí)間的數(shù)值超過(guò)在10 min以上；第二部分是周期短的部分，基本上每次作用時(shí)間都很短，僅僅只有一眨眼的時(shí)間，就是幾秒鐘左右。為了讓風(fēng)壓的分析更清晰明了，研究人員經(jīng)常把真實(shí)的風(fēng)壓分解成了兩部分，一是平均風(fēng)壓，它是一種穩(wěn)定的風(fēng)壓，是通過(guò)平均風(fēng)速產(chǎn)生的；二是脈動(dòng)風(fēng)壓，它其實(shí)也就是一種不穩(wěn)定風(fēng)壓。

風(fēng)荷載其實(shí)還與一些其他因素有關(guān)，建筑層的樓層數(shù)量直接影響風(fēng)荷載作用情況，建筑物越高，那么建筑物承受的風(fēng)壓也就會(huì)越大，但是它們之間的關(guān)系也不簡(jiǎn)單，不是單一的正比關(guān)系。關(guān)于地形平整或者稍微有點(diǎn)起伏的地形情況，風(fēng)壓高度變化系數(shù)必須取一個(gè)準(zhǔn)確的值，就需要根據(jù)規(guī)范按照不同地面粗糙度情況來(lái)取值確定。如果建筑物是建立在山區(qū)的情況，風(fēng)壓的高度變化系數(shù)比較復(fù)雜，需要考慮的也不是一點(diǎn)，不只是根據(jù)地面的粗糙度情況來(lái)考慮還應(yīng)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(fēng)荷載對(duì)建筑的影響很大，所以需要控制它,當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)超高層建筑物的外部時(shí)，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生明顯的三個(gè)風(fēng)荷載效應(yīng),它們分別是順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載,這時(shí)就會(huì)引發(fā)建筑物的振動(dòng)。超高層建筑物三維風(fēng)荷載構(gòu)成的機(jī)理比較復(fù)雜,影響因素也很多,到現(xiàn)在都是風(fēng)荷載工程研究的重點(diǎn)問(wèn)題。在我國(guó)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(duì)于繁雜結(jié)構(gòu)的超高層建筑的風(fēng)荷載研究很少，這類結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而簡(jiǎn)單的平面利于科研人員的研究。

3 超高層建筑的抗風(fēng)抗震手段

當(dāng)建立層數(shù)較少的建筑時(shí)，一般情況下，在建筑物中起著主導(dǎo)作用的是垂直向下的豎向重力荷載，當(dāng)建立超高層建筑時(shí)，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(duì)建筑物的影響很大，風(fēng)和地震是對(duì)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(fēng)抗震，是因?yàn)榭癸L(fēng)抗震和防風(fēng)防震是有很大的差別，指的并不是同一樣事物。我們可以預(yù)防一些病害的發(fā)生但我們并不能阻止風(fēng)和地震的發(fā)生。即使沒(méi)有建筑物，地球上也有風(fēng)和地震。我們?nèi)绻A(yù)防地震和風(fēng)不可能的，因?yàn)樗鼈兌紝儆谧匀粸?zāi)害，而我們需要做的就是只有被動(dòng)的抗風(fēng)抗震。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是超高層建筑設(shè)計(jì)的第一步，也是需要花費(fèi)很多時(shí)間和精力的一步。關(guān)于在超高層建筑中的抗風(fēng)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(shí)也是必不可少的一步是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。超高層建筑物的外形對(duì)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(huì)發(fā)現(xiàn)它

在應(yīng)用時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)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(xì)程度相同的沒(méi)有特別大的差異的建筑物。

在考慮超高層建筑的抗風(fēng)問(wèn)題時(shí)，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(guò)研究試驗(yàn)，扁圓形和橢圓形都比較適合。我們經(jīng)常看到許多樓層多的建筑物，是正方形或長(zhǎng)方形的表面，但角都被切掉了一小部分，沒(méi)有直角或銳角存在于整個(gè)建筑物中，這也是因?yàn)榭癸L(fēng)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(yīng)該盡量做到滑潤(rùn)圓滑，同時(shí)還需要注意的是盡量避免各種尖銳的突出物。

在計(jì)劃階段必須確定超高層建筑物的抗風(fēng)能力和抗震能力的最大值，然后就可以計(jì)算抗風(fēng)和抗震的要求，選擇柱面或多棱柱就是最好的方案。仔細(xì)觀察超過(guò)400 m以上的世界超高層建筑，就會(huì)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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