超高层建筑钢结构设计研究

摘　要　用空间分析程序计算多种工况，从而找出超高层钢结构的动力特性随结构标准层高、标准层每层重量、层数变化及相互变化的变化规律；从多方面研究确定300m以上超高层建筑适宜的结构类型和结构体系。

关键词　超高层；钢结构；周期；剪力；位移

1　研究背景及意义

众所周知，随着国民经济的飞速发展，我国城镇化建设速度越来越快。城镇化建设的发展，其结果则直接导致城市用地的紧张。如何在有限的用地上获得更多的建筑面积，以最大限度地提高用地效率，成为城市建设中必须面对的问题。建筑向高空发展——即建设超高层建筑，成为解决这个问题的一种主要做法。

但是，就目前常用的钢筋混凝土结构，就其本身的质量特性而论，在达到一定的高度后，如《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3（2002版）规定，经过采取措施进行严格控制时，7度区最高适用高度能达230m，再向更高处发展如超过300m，已是很困难或是不再可能。

放眼当前世界建筑，随着科学技术的进步，高层钢结构以及超高层钢结构，以其独特的结构优势和性能特点，呈现在人们的面前。多年的理论发展和实践，证明了钢结构可以超越钢筋混凝土结构而使建筑向更高处发展。

1.1　钢结构的类型、体系划分情况

目前科研和设计人员对钢结构类型的划分，采用了两种方式，即按钢结构使用材料和按钢结构抗侧力构件两种形式划分，各有四种，如表1所示。

表1 按承重结构材料和按抗侧力构件划分的钢结构类型

1.2　国内钢结构超高层建筑结构形式

近几年国内的超高层建筑数量发展很快，根据有关统计资料显示，我国建成的24栋超高层建筑，其结构形式和分析见表2和表3。

表2 国内部分超高层建筑工程统计表

表3 表2中24幢超高层建筑结构情况归纳（幢数）

1.3　建设超高层钢结构成为主导体系的原因

就建设超高层而言，钢结构之所以能超越钢筋混凝土结构而成为工程建筑绝对的主导体系，是因为钢结构体系的综合质量特性，尤其是在强重比性能方面，同钢筋混凝土结构体系相比，占了绝对优势。

不管何种类型或体系的钢结构，综合起来，均具有如下良好的特性：

（1）对于混凝土结构，钢结构强度高、承载力大，更适合于超高层建筑。钢材基本上属于各向同性的材料，抗压、抗拉和抗剪强度均很高。相对于钢材来说，混凝土的抗拉强度和抗剪强度均较低，同时混凝土的延性也差很多，混凝土构件开裂后的承载力和变形能力将迅速降低。

（2）相对于钢筋混凝土结构，钢结构材质轻而且能减小地震作用和基础负荷。一般钢筋混凝土结构的超高层建筑，当外墙采用玻璃幕墙、内墙采用轻质隔墙时，包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载为15～17kN／m2，其中梁、板、墙、柱等结构自重为10～12kN／m2。相同条件下采用全钢结构时，全部重力荷载为10～12kN／m2，其中钢结构和混凝土楼板结构自重为5～6kN／m2。即两类结构的结构自重比例为2∶1，全部重力荷载的比例约为1.5∶1。由于钢结构的荷载较混凝土结构小许多，相应钢结构的地震作用也大为减少，基础荷载也大为减少，相应钢结构的基础技术处理难度和基础工程造价等也会低于混凝土结构。

（3）钢结构不但强度高，其延性、韧性也很好，故抗震性能优越。在地震作用下，钢结构因有良好的延性，不仅能减弱地震反应，而且属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力。

（4）钢结构截面尺寸小而且能提供较大建筑空间、增加使用面积。从国内地震区已经建成的40层左右的钢筋混凝土结构看，超高层结构的柱和核心筒剪力墙面积约为建筑楼层面积的7%，而同类的纯钢结构（钢柱、钢柱＋钢支撑核心筒）的结构柱墙面积约为建筑楼层面积的3%，比钢筋混凝土结构可减少约4%。

（5）钢结构施工方便并能使工程建设速度加快，从而可缩短建设周期。钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，然后再现场安装。钢构件安装时，一般不搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板，而且混凝土楼板的施工可与钢构件安装交叉进行。钢筋混凝土结构除钢筋可在车间内下料外，大量的支模、钢筋绑扎和混凝土浇筑等做工均需在现场进行，需要大量的工时。钢结构的施工速度比钢筋混凝土结构快20%～30%，相应的施工周期也更短。

（6）钢结构材料可回收再利用、有利环保。相对于混凝土而言，在超高层建筑达到使用寿命后，钢结构可以做到材料的回收重利用，而混凝土只能作为建筑废料另行进行处理。所以在超高层建筑中采用钢结构对于未来的环境、能源等均有十分重要的意义。

（7）动态综合分析工程造价，虽然钢结构直接造价比钢筋混凝土结构体系稍高，但钢结构在总体上是经济的。

1.4　目前国内建设和研究超高层建筑现状

国内外建设经验表明，高层建筑结构的应用与发展既是一个国家经济实力壮大的标志，也是其科技水平提高、材料工艺与建筑技术进入高科技阶段的体现。我国在经济建设取得高速发展的情况下，借鉴国外经验，在20世纪90年代初期和末期形成了两个高层钢结构建设的高峰期，先后建成了近70栋高层钢结构（含钢结构混合体系结构）建筑，其中高度为492m的上海环球贸易中心，其高度到目前为止在世界上还名列前茅。但我们的建造技术、设计研究、加工安装理论还没有达到形成规范用于指导设计的高度。因为就现状来说：

（1）《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99－88在地震区适用的最大高度为300m，超越300米高度时就已无相关规定可以使用和遵守。

（2）除了北京、上海、广州等少数大城市建设了少量超过300m以上的超高层钢结构建筑外，全国一般省市地区接触、设计和建设超高层钢结构建筑则更少，且相关研究资料文献也不多。

1.5　本研究课题的意义

从本章1.1～1.4节对国内高层建筑的现状的论述可知，适应我国城镇化建设的飞速发展，用钢结构代替钢筋混凝土建设超高层建筑已渐成主导方向。

虽然目前我国只在少数大城市建设了少量超过300m的高层钢结构建筑，但随着国民经济的进一步发展，各地区经济实力进一步提高，各省市建设超高层建筑的要求和可能性则越来越高。

鉴于我国对于建设300m以上超高层钢结构建筑规范和标准还未形成，且研究文献还很少，为了进一步了解高层钢结构技术经济特性，研究高层钢结构设计特点，找出各种参数变化对其动力特性产生影响的规律，掌握超高层钢结构的设计规则，将会对地方兴建既安全又经济的超高层钢结构建筑提供设计依据，起到指导和推动作用，故本次针对高度300m以上的“超高层钢结构建筑设计研究”就显得很有意义。

从另一角度看，我国目前每年钢产量已达到4亿t，为开展应用钢结构建设超高层建筑，提供了充分的推进条件。

2　课题研究的思路和过程

2.1　课题研究的思路

（1）搜集国内外专家学者关于高层钢结构设计的著作和论文，搜集国内外关于高层钢结构的规范、标准、规程，搜集国内外建成的超高层钢结构建筑有关设计资料，通过归纳分析，研究结构类型、适用的组合做法及不同结构体系的特性和适用要求；研究确定出一种优化的结构形式。

（2）选定有代表性的结构设计平面；并按不同的参数变化组合，输入模拟工程，逐一对其进行具体的计算；然后根据计算结果分析其动力特性的变化规律。

（3）从应用于实践出发，提出结构设计的布置和构件的设计原则。

2.2　课题所采用的计算程序

（1）中国建筑科学研究院编制的PKPM系列。

（2）MIDAS。

3　课题研究、工程计算、应用实施总结

3.1　研究方案的制定

本阶段主要是对研究目标、研究成果、研究方法等内容制订方案。确定了以研究300m以上的超高层钢结构建筑为目标，通过结构形式比选确定一种优化结构，然后经过对工程进行试算，当输入不同参数时，找出其动力特性影响规律，最后对300m以上的超高层钢结构建筑的结构布置和构件设计提出原则作法。

3.2　搜资调研、技术准备阶段

本阶段为课题研究做准备工作。在此期间，结合工程研究内容，课题组搜集国内外有关建设超高层钢结构建筑设计方面的资料，包括国内外书刊、学报、会议论文，国家及行业规范、规程共计30余项，建筑工程实例8项（纽约世贸中心、芝加哥标准石油公司大厦、芝加哥希尔斯大厦、芝加哥汉考克中心、洛杉矶第一洲际世界中心、上海金茂大厦、上海环球金融中心、台北101大厦）。经过对资料分析、比较，了解其各种基本理论和观点，为顺利开展研究工作，博采众长，打下了良好的技术基础。

综上，国内外300m以上的超高层建筑的结构类型为钢结构或钢－混凝土混合结构，结构体系为筒中筒或巨柱框架－核心筒结构体系。很显然，核心筒采用混凝土是适合我国经济状况的，而核心筒以外部分的结构体系是多种多样的，外围采用巨柱框架可能对建筑的采光性比较有利，但是从抗连续倒塌、结构多道防线的角度来看，外围框架柱数量很少的巨柱框架是不可取的，因为只要一个巨柱发生破坏，外围框架将会失稳倒塌。所以，从抗连续倒塌、多道防线的角度，外围采用密柱框筒是比较合适的选择，为了使外围框筒的柱断面尽量小，应该采用钢柱。

从刚度及受力特点来看，筒中筒或成束筒结构无疑是侧向刚度最大的结构体系，可以更好地控制高度300m以上结构的位移，同时由于其足够多的赘余度，所以更容易实现抗连续倒塌的目标。

从结构性能、楼层高度、施工等方面综合考虑，钢梁＋复合楼板是楼盖体系的不二选择。

综上分析，高度300m以上超高层建筑的适宜的结构类型和结构体系是：筒中筒（混凝土内筒＋钢结构外框筒）或成束筒，楼盖采用钢梁＋复合楼板。

3.3　研究方案

工程的建筑平面见图1。结构布置平面简图见图2。

图1 建筑平面图

图2 结构布置平面简图

分析的工程总高不小于300m，按三种层数（84层、90层、99层）、三种标准层层高（3.6m，3.8m， 4.0m）、三种楼面荷载标准值（7.2kN／m2，7.7kN／m2，8.1kN／m2，不包括梁、柱、剪力墙重）分列组合进行计算分析。通过对工程受设定的外力作用下产生内力和位移数据的统计分析，找出层高、层数、荷载等参数变化对超高层建筑钢结构的动力特性（周期、剪力、位移等参数）产生影响的规律。

工程的结构体系采用筒中筒，其中外筒采用钢柱钢梁，其内筒采用钢骨混凝土核心筒，其他梁均为钢梁，楼板采用压型钢板上浇筑混凝土。

层高、主要结构构件尺寸及强度等级见表4。

表4 工程层高、主要构件尺寸及强度配置一览表

3.4　工程计算、找出其动力特性在参数变化时受影响的规律

3.4.1　层数、层高、荷载变化对超高层建筑钢结构的振动周期的影响分析

按各种工况计算的结构周期（X向第一平动周期Tx、Y向第一平动周期Ty、扭转第一周期Tt、扭转周期与第一平动周期比Tt／T1）见表5。

各工况振型曲线变化不大，故仅列出一种工况的振型曲线，前4阶平动振型曲线见图3。

层数、层高、荷载等变化对超高层建筑钢结构周期的影响分析如下：

（1）各种工况第一平动周期的平动系数均近似为1.00，Tt／T1＝0.47～0.56，表明筒中筒结构具有很好的竖向刚度和平面刚度，扭转周期比Tt／T1随着层数（高宽比）的增加而减少、随荷载的增加而增大；双向振型曲线光滑、规律明显，和300m以下高层建筑的规律相同，符合一般振动规律。

（2）在其他参数相同的情况下，随着楼面荷载的增加，结构振动周期加长，层高越高楼面荷载变化引起周期变化的幅度越大，增长的幅度数值很小，约1.0%，基本可以忽略，即正常楼面做法变化对结构周期基本无影响。进一步分析可以得到规律：楼层荷载增加5%～7%，第一周期增长约为楼层荷载增加量的0.25倍。

图3 前4阶平动振型曲线

表5 层数、层高、荷载变化时工程的计算周期

（3）在其他参数相同的情况下，随着标准层高的增加（高宽比相应增加），结构振动周期加长，即侧向刚度减小。进一步分析可以得到规律：楼层高度增加5%～6%，第一周期增大约为楼层高度增加值的1.6倍。

（4）在结构平面布置基本不变（柱墙梁的位置不变，仅尺寸或材料强度调整）的情况下，随着层数的增加（高宽比相应增加），结构振动周期加长。进一步分析可以得到规律：楼层数增加7%～10%，第一周期增长约为楼层数增加量的2倍。

3.4.2　层数、层高、荷载变化对超高层建筑钢结构的地震剪力的影响分析

由于工程的X及Y向刚度相近，故仅对X向进行研究。

各工况计算的楼层最大反应力及楼层最大剪力见表6。

表6 层数、层高、荷载变化时工程楼层最大反应力及楼层最大剪力

层数、层高、荷载变化对楼层最大剪力及楼层最大反应力影响分析：

（1）最大楼层反应力发生在顶部，表明超高层建筑钢结构地震作用下鞭梢效应比较明显；最大楼层反应力随楼面荷载增大而减小，表明荷载增大有助于减小鞭梢效应；最大楼层反应力随层数的增加而减小，表明层数增加后结构变柔，从而使楼层水平地震反应减小；最大楼层反应力与层高增加不存在直接的直观规律，尚待进一步研究。

（2）底部若干层和顶部若干层反应力上下层之间变化幅度较大；避难层（层高2.2m）处的反应力与上下层之间变化幅度较大，表明层高变化引起侧向刚度变化，从而引起反应力变化。

（3）底层最大剪力随荷载增大而增大，即荷载越大水平地震反应越大；底层最大剪力随层高增加而减小，即层高增加后结构侧向刚度减小，相应水平地震反应减小；底层最大剪力随层数增加而增大，表明层数增加后荷载增大引起的楼层反应力增大幅度较刚度变柔引起的楼层反应力减小幅度为大。进一步研究可以得到以下规律：楼层荷载增加5%～7%，底部最大剪力增大约为楼层荷载增加量的0.33倍；楼层高度增加5%～6%，底部最大剪力减小约为楼层高度增加值的0.33倍；楼层数增加7%～10%，底部最大剪力增大为楼层数增加量的0.2～0.7倍。

3.4.3　层数、层高、荷载变化对超高层建筑钢结构的位移的影响分析

各工况计算的最大位移和最大层间位移角见表7。

层数、层高、荷载变化对超高层建筑钢结构的位移的影响分析：

（1）最大位移发生在顶部；最大位移随楼面荷载增大而增大，表明荷载增大后水平地震反应增大，相应位移增大；最大位移随层高增大而减大，表明层高增大后刚度减小，相应位移增大；最大位移随楼层增加而增大，楼层增加后结构总荷载增加、整体侧向刚度减小，相应位移增大。

（2）最大层间位移角发生在建筑总高的3／4～4／5部位，对应最大楼层剪力曲线上部外凸明显的位置；最大层间位移角随楼面荷载增大而增大，表明荷载增大后水平地震反应增大，相应位移增大；最大层间位移角随层高增大而增大，表明层高增大后刚度减小，相应位移增大；最大层间位移角随楼层增加而增大，楼层增加后结构总荷载增加、整体侧向刚度减小，相应位移增大。

表7 层数、层高、荷载变化时，工程楼层最大位移和最大层间位移角的变化

（3）进一步研究可以得到以下规律：楼层荷载增加5%～7%，层间位移角和顶点位移增大为楼层荷载增加量的0.4倍；楼层高度增加5%～6%，层间位移角增大为楼层高度增加值的1.6倍，顶点位移增大约为楼层高度增加值的3倍；楼层数增加7%～10%，层间位移角增大约为楼层数增加量的2.5倍，顶点位移增大为楼层数增加量的2～4倍。

3.5　结构布置和构件的设计原则

本阶段对如下内容进行了确定：

（1）结构布置：建筑体型规则性；结构布置的连续性（防震缝伸缩缝布置，竖向支撑连续性，转换层水平刚度）；柱距及内外筒跨度确定；内筒和楼梯间、电梯间布置；次梁布置。

（2）抗侧力构件的设计。

框架柱（钢柱；钢骨混凝土柱、钢管混凝土柱、钢管混凝土叠合柱）；

剪力墙（钢骨混凝土墙）；必要时设置的加强层桁架（伸臂桁架、腰桁架）。

（3）抗震性能化设计：鉴于超高层建筑钢结构的特殊性和重要性，对地震区的超高层钢结构，必须进行抗震性能化设计。抗震性能化设计应根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，建筑使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等，对选定的抗震性能目标提出技术和经济可行性综合分析和论证。在满足结构构件布置的一般原则下，构件尺寸应根据抗震性能化设计进行调整。

经过研究，确定结构布置和构件设计的基本原则如下：300m以上的超高层建筑钢结构的结构布置和构件设计的基本原则与300m以下的基本相同，由于300m以上建筑的重要性、荷载反应等均高于300m以下的建筑，因此，300m以上的建筑的结构布置和构件设计应考虑更严格的措施和更大的安全系数，需要特别注重概念设计和抗震性能化设计。

4　研究结论

（1）从结构性能、抗连续倒塌、多道防线、刚度及受力特点、楼层高度、施工等方面综合考虑，研究确定高度300m以上超高层建筑的适宜的结构类型和结构体系为：混凝土内筒＋钢结构外框筒＋钢梁＋复合楼板。

（2）研究确定了随楼层荷载变化（楼层荷载增加5%～7%）、楼层高度变化（楼层高度增加5%～ 6%）、楼层数变化（楼层数增加7%～10%）及相互变化时，第一周期、底部最大剪力、层间位移角、顶点位移等动力特性的相应变化规律为以下几点：

①楼层荷载增加5%～7%，第一周期增长约为楼层荷载增加量的0.25倍；底部最大剪力增大为楼层荷载增加量的0.33倍；层间位移角和顶点位移增大为楼层荷载增加量的0.4倍。

②楼层高度增加5%～6%，第一周期和层间位移角增大约为楼层高度增加值的1.6倍；底部最大剪力减小约为楼层高度增加值的0.33倍；顶点位移增大约为楼层高度增加值的3倍。

③楼层数增加7%～10%，第一周期增长约为楼层数增加量的2倍；底部最大剪力增大约为楼层数增加量的0.6倍；层间位移角增大约为楼层数增加量的2.5倍；顶点位移增大为楼层数增加量的2～4倍。

（3）300m以上的超高层建筑钢结构的结构布置和构件设计的基本原则与300m以下的基本相同，但应考虑更严格的构造措施和更大的安全系数，需要特别注重概念设计和抗震性能化设计。