浅谈高层建筑结构发展趋势_荆玉明

建　筑　科　学

２００９　　ＮＯ．１２

科技创新导报

浅谈高层建筑结构发展趋势

荆玉明

（中国矿业大学建工学院　　江苏徐州　　２２１１１６）

摘　要：从高层建筑结构施工和使用过程中可能存在的问题的角度进行分析，提出了未来高层建筑结构的发展趋势。关键词：构件　　布置　　结构　　材料

中图分类号：ＴＵ７　　　　　　　　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　　　　　文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００９）０４（ｃ）－００３５－０１

１　构件立体化

高层建筑在水平载荷作用下，主要依靠竖向构件提供抗推刚度和强度来维持稳定。在各类竖向构件中，竖向线形的抗推刚度很小；竖向平面构件虽然在其平面内具有很大的抗推强度，然而其平面外的刚度依然小到可略去不计。由４片墙围成的墙筒或由４片密柱深梁框架围成的框筒，尽管其基本元件依旧是线性构件或平面构件，但它已经转变成具有不同力学特性的立体构件，在任何方向水平力的作用下，均有宽大的翼缘参与抗压和抗拉，其抗力偶的力臂，即横截面受压区中心到受拉区中心的距离很大，能够抗御很大的倾覆力矩，从而适用于层数很多的高层建筑。

制和不断发展，混凝土的强度等级和韧性性能也不断得到改善。Ｃ８０和Ｃ１００强度等级的混凝土已经在超高层建筑中得到广泛使用。可以减少结构构件的尺寸，减少构件的自重，必将对高层建筑的发展产生严重的影响。高强度且具有良好可焊性的厚钢板将成为今后高层建筑结构的主要用刚，而耐火钢材ＦＲ钢的出现为钢结构的抗火设计提供了方便。采用ＦＲ钢材制作高层钢结构时，其防火保护层的厚度可大大减小，从而降低钢结构的造价，使钢结构更具竞争力。例如，美国芝加哥的７４层、搞２６２ｍ的水塔广场大厦，就是采用Ｃ７０级高强混凝土建造的。

结构基础上，充分发挥钢结构优良的抗拉性能以及混凝土结构的抗压性能，进一步减轻结构重量，提高结构延展性。例如，美国西雅图双联广场大厦，５８层，４根大钢管混凝土柱，混凝土抗拉强度１３３ＭＰａ，直径３．０５ｍ管壁厚３０ｍｍ，承受６０％竖向荷载。

７　结构耗能减震化

建筑结构的减震有主动耗能减震和被动耗能减震。在高层建筑中的被动耗能减震有耗能支撑、带竖缝耗能剪力墙、被动调谐质量阻尼器以及安装各种被动耗能阻尼器等。主动减震则是计算机控制的，由各种驱动器驱动的调谐质量阻尼器对结构进行主动控制和混合控制的各种作用过程。结构主动减震的基本原理是：通过安装在结构上的各种驱动装置和传感器，与计算机相连接，计算机系统对震动和结构反应进行实时分析，向驱动装置发出信号，使驱动装置对结构不断地施加各种与结构反应相反的作用，以达到在地震或风的作用下减小结构反应的目的。

目前，在美国、日本等国家各种耗能减震控制装置已在高层建筑结构中得以应用。在中国有部分高层建筑工程中应用了这种技术。随着人类进入信息时代，计算机、通讯设备以及各类办公电子设备不受震动干扰而安全平稳地运行，具有重要现实意义。与此同时，就要求创造一个安全、平稳和舒适的办公环境，并要能对各种干扰进行有效地隔振和控制。因此，高层建筑的耗能减震控制将会有很大的发展空间和广泛的应用前景。

５　建筑轻量化

２　结构支撑化

框筒是用于高层建筑的一种高效抗侧力构件，然而，它固有的剪力滞后效应，削弱了它的抗剪刚度和水平承载力。特别是当高层建筑平面尺寸较大，或者因建筑功能需要而加大柱距时，剪力滞后效应就更加严重，致使翼缘框架抵抗倾覆力矩的作用大大降低。为了使筒状结构能充分发挥潜能并有效用于更高层建筑，在框筒中增设支撑或斜向布置的抗剪力墙板，已成为一种框筒的有力措施。

若把在抵抗倾覆力矩中承担压力或拉力的构件，由原来的沿高层建筑周边分散布置，改为向房屋四角集中，在转角处形成一个巨大柱，并利用交叉斜杆连成一个立体支撑体系，是高层建筑结构中的又一发展趋势。由于巨大角柱在抵抗任何方向倾覆力矩时具有最大的力臂，从而框筒更能充分发挥结构和材料的潜力。典型例子是１９８９年落成的香港中国银行大厦，就是采用了桁架筒体结构，并将全部竖向荷载传至周边结构，单位面积用钢量仅约为１５０ｋｇ／ｍ２．预计这种结构体系今后将在３００ｍ以上的超高层建筑中将会得到更广泛的应用。

建筑物越高，自重越大，引起的水平地震作用就越大，对竖向构件和地基构成造成的压力也越大，从而带来一系列的不利影响。因此，目前在高层建筑中，已经开始推广应用轻质隔墙、轻质外墙板，以及采用陶粒、火山渣等为骨料的轻质混凝土材料，以减轻建筑物自重。例如，美国的５２层、高２１８米的贝壳广场大厦就是采用轻质高强混凝土。

６　组合结构化

采用组合结构可以建造比钢筋混凝土结构更高的建筑。在强震国家日本，组合结构高层建筑发展迅速，其数量已超过混凝土结构的高层建筑。目前应用较为广泛的有：外包混凝土组合柱、钢管混凝土组合柱以及外包混凝土的钢管混凝土双重组合柱等多种组合结构。特别是由于钢管内混凝土处于三轴受压状态，能提高构件的竖向承载能力，从而可以节约大量钢材。巨型组合桩首次在香港的中国银行大厦中应用，获得成功并取得了很大的经济效益，上海金茂大厦结构中也成功地应用了巨型组合结构。随着混凝土强度的提高以及结构构造施工和施工技术上的改进创新，组合结构在高层建筑中应用将进一步扩大。巨型框架结构柱体体系以其刚度大，在内部便于设置大空间等优点，也将得到更多的应用。例如，上海证券大厦和香港的汇丰银行大厦。多束筒结构体系在实际工程中的应用，已表明该结构体系在适应建筑场地、丰富建筑造型、满足多种功能和减小剪力滞后效应等诸多方面的优点，多束筒结构体系也将在超高层建筑结构实际工程中扩大应用。

我国在高层建筑中已经大量应用的现浇钢——混凝土组合框架——剪力墙结构体系，是一种优化组合结构体系。采用钢框架结构替代钢——混凝土框架结构与混凝土剪力墙结构组合，将使框架——剪力墙结构体系进一步优化。提高竖向承载能力和增强抵抗风和地震作用影响的抗侧能力。在钢筋混凝土

８　结语

中国建筑业正面临更大的发展机遇，人口及城市发展与用地之间的矛盾使高层建筑的发展成为必然。高层建筑结构所需承担的载荷和倾覆力矩将越来越大。在确保高层建筑物具有足够可靠度的前提下，为了进一步节约材料和降低造价，高层建筑结构构件将不断的更新，设计理念也将不断发展。

３　形体多样化

为了体现个性、追求新颖、，使高层建筑的平面、立面体型均极具特性，结构的复杂度和不规则度为国内外前所未有的，为结构设计带来极大挑战。平面形状有：矩形、方形、八角形、扇形、圆形、菱形弧形、Ｙ形、Ｌ形等。立面出现各种类型转换、外挑、内敛、大底盘多塔楼、连体建筑、立开大洞等复杂体型的建筑。

参考文献

［１］沈小璞．高层建筑结构设计［Ｍ］．合肥工

业大学出版社，２００６，１２．

［２］唐兴荣．高层建筑结构设计［Ｍ］．中国建

筑工业出版社，２００７，１．

［３］张珊珊．高层建筑造型艺术［Ｍ］．黑龙江

科学技术出版社，２００５，３．

［４］覃力．日本高层建筑［Ｍ］．中国建筑工业

出版社，２００５，４．

［５］中国建筑标准设计研究院．高层建筑

钢－混凝土混合结构设计规程［Ｍ］．中国计划出版社，２００８，１０．

［６］陈智恒．浅谈建筑结构设计中的概念与

结构［Ｊ］．科技创新导报，２００８（８）．

４　材料高强度化

随着建筑高度的增加，结构面积占建筑使用面积的比例越来越大，为了改善这一不合理状况，采用高强度钢和高强度混凝土势在必行。随着高强混凝土材料的研

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