21世紀高層建筑結構技術的發(fā)展與成就
一、高層建筑發(fā)展概況
新中國成立后，五十年代我國開始自行設計建造高層建筑，如北京的民族飯店(14層)、民航大樓(16層)等。六十年代建成的廣州賓館(27層)，其高度與解放前最高的上海國際飯店相同。七十年代北京、上海、廣州等地建成了一批剪力墻結構住宅和旅館。1975年廣州白云賓館(剪力墻結構33層、112米)的建成，標志著我國自行設計建造的高層建筑高度開始突破100米。八十年代我國高層建筑發(fā)展進進興盛時期，十年內(nèi)全國(不包括香港、澳門、臺灣)建成10層以上的高層建筑面積約4000萬平方米，高度100米以上的共有12幢。1985年建成的深圳國際貿(mào)易中心(筒中筒結構、50層、160米)是八十年代最高的建筑。九十年代我國高層建筑進進奔騰發(fā)展的階段。截至1998年末，全國(不包括香港、澳門、臺灣)建成的10層以上高層建筑面積約2億5千萬平方米，高度100米以上的高層建筑達200幢，其中150米以上的100幢，200米以上的20幢，300米以上的3幢，最高的上海金茂大廈88層、365米、塔尖高度420米。1995年發(fā)布的世界最高的100棟建筑中上海金茂大廈、深圳地王大廈(81層、325米)和廣州中天廣場(80層、322米)分別列為第4、13和14名。另有460米高的上海環(huán)球金融中心正在建造中。特別值得提及的是，我國的超高層建筑盡大多數(shù)建于地震區(qū)。
二、高層建筑結構體系的多樣化和復雜性
七十年代以前，我國的高層建筑多采用鋼筋混凝土框架結構、框架—剪力墻結構和剪力墻結構。
進進八十年代，由于建筑功能以及高度和層數(shù)等要求，筒中筒結構、筒體結構、底部大空間的框支剪力墻結構以及大底盤多塔樓結構在工程中逐漸采用。
九十年代以來，除上述結構體系得到廣泛應用外，多筒體結構、帶加強層的框架—筒體結構、連體結構、巨型結構、懸挑結構、錯層結構等也逐漸在工程中采用。
為適應結構體系的多樣化，結構材料向多樣性發(fā)展，八十年代以前高層建筑主要為鋼筋混凝土結構。進進九十年代后，由于我國鋼材產(chǎn)量的增加，鋼結構、鋼—混凝土混合結構逐漸采用。如金茂大廈、地王大廈都是鋼—混凝土混合結構。此外，型鋼混凝土結構和鋼管混凝土結構在高層建筑中也正在得到廣泛應用。高層建筑結構采用的混凝土強度等級不斷進步，從C30逐步向C60及更高的等級發(fā)展。預應力混凝土結構在高層建筑的梁、板結構中廣泛應用。鋼材的強度等級也不斷進步。
我國高層建筑早期多為單一用途，為適應建筑功能需要，向多用途、多功能發(fā)展，高層建筑平面布置和立面體型日趨復雜。
結構平面形式多樣，如三角形、梭形、圓形、弧形，以及多種形式的組合等亦多采用。高層建筑立面體型亦有豐富的變化，立面退臺、部分切塊、挖洞、尖塔、大懸臂等，使高層建筑的剛度沿豎向發(fā)生突變。
由于建筑功能的改變，使結構體系、柱網(wǎng)發(fā)生變化，因此主體結構要發(fā)生轉(zhuǎn)換，即由上部剪力墻結構到下部筒體框架或框架剪力墻結構的轉(zhuǎn)換；或主體結構由上部小柱網(wǎng)、薄壁柱到下部大柱網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。
結構體系的轉(zhuǎn)換及立面體型變化豐富的結構在地震區(qū)建造難度較大，還有待于進一步深進研究，并經(jīng)歷強震的檢驗。
三、高層建筑結構設計方法不斷創(chuàng)新
高層建筑結構的分析計算已基本告外傳統(tǒng)的手工計算而采用計算機程序計算，基本上都采用三維空間結構分析計算程序。常用的計算分析模型有，空間桿—薄壁桿件分析模型、空間桿—墻組元模型及空間桿—殼元分析模型。
有些程序可考慮樓板變形進行結構分析計算，能更真實反映復雜結構的受力特點。除可進行鋼筋混凝土結構計算外，有些計算分析軟件還可進行鋼結構、鋼—混凝土混合結構的計算。
彈性動力時程分析的程序已相當成熟，一般以層模型進行動力時程分析，可輸進各種類型的地震波，求得結構的位移與內(nèi)力。
彈塑性分析計算近幾年已開始進行，已初步開發(fā)出一些可應用于工程設計的程序，包括彈塑性靜力分析、層模型動力分析、桿模型平面結構動力分析等程序。
對結構體系進行了大量的研究工作。從1974年開始對剪力墻結構進行了大量的試驗研究，逐步形成了高層剪力墻結構體系；為適應高層住宅底部設置貿(mào)易服務設施等要求，從1980年開始進行了底層大空間，上層為大開間剪力墻結構體系的研究。進進八十年代，為完善筒體結構的計算方法與設計，我國進行了一些復雜的筒中筒結構的有機玻璃模型試驗。近年來對復雜體型的高層建筑如帶有轉(zhuǎn)換層、剛性層的結構錯層結構、連體結構等進行了一批模型振動臺試驗。為了解鋼—混凝土混合結構的抗震性能，進行了帶有轉(zhuǎn)換層、剛性層的鋼筋混凝土內(nèi)筒、周邊為鋼框架的模型試驗。另外對復雜體型的高層建筑進行了風洞試驗。通過試驗研究與分析，提出了相應的設計建議，并做為規(guī)范條文修訂的依據(jù)。
在總結科研、設計、施工的基礎上，1980年頒布施行了我國自行編制的《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)定(JZ102-79)》，通過實踐應用又積累了更多的經(jīng)驗，在1991年修改為《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程(JGJ3-91)》。九十年代以來由于鋼結構、鋼—混凝土混合結構的興建，1998年我國編制了《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程(JGJ99-98)》。最近由于體型復雜的高層建筑增多及超過200米的超高層建筑的出現(xiàn)，需要對《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程(JGJ3-91)》進行修訂，修訂后名稱為《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》，內(nèi)容將包括：總則、荷載和地震作用、常規(guī)高度結構設計的一般規(guī)定、結構計算分析、框架結構設計、剪力墻結構設計、框架—剪力墻結構設計、筒體結構設計、復雜高層建筑結構設計、混合結構設計、超高層建筑結構設計、基礎設計、高層建筑結構施工等，將更適合高層建筑結構的設計應用。其中按建筑物的高度、結構體系、抗震設防烈度可確定各類構件的抗震等級，從而按各類構件的延性要求，確定各構件的截面配筋設計及構造要求，以確保其良好的抗震性能。
四、高層建筑結構施工技術迅速發(fā)展
高層建筑由于對抗震、抗風的要求高，且建筑多樣化，層數(shù)、高度日益進步，九十年代以來國內(nèi)高層建筑的施工方法是以全現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工為主體，另外由于鋼結構和鋼—混凝土混合結構的興建，需輔以此類結構的預制安裝方法和多種混合施工方法。
高層現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工技術著重解決了模板、混凝土、鋼筋3個方面的施工新技術。九十年代國內(nèi)采用4種類型支模方法：即采用中、小模板、大模板、滑模、爬模，各種模板均有其優(yōu)缺點和適用范圍，今后要向標淮化、工具化方向發(fā)展。
高層建筑采用的混凝土強度等級已由常用的C30、C40逐步向 C50、C60、C80及更高的強度等級發(fā)展。高強高性能混凝土的生產(chǎn)要有嚴格的質(zhì)量控制與治理措施，應由工廠預拌生產(chǎn)。國內(nèi)預拌商品混凝土近年發(fā)展很快，約占全部混凝土總量的21%。高層建筑還需要解決泵送混凝土題目，1997年可用國產(chǎn)混凝土拖式泵一次泵送到200米以上高度。
在普及C50、C60級混凝土的工程應用，擴大C70、C80級的工程試點的同時，開發(fā)配制C100級高強混凝土。主要手段是在常規(guī)水泥、砂石的基礎上，依靠化學外加劑和礦物摻合料來降低混凝土用水量和改善微觀結構，使混凝土更加致密并獲得高強。1995年以來C80混凝土已在遼寧、上海、北京、廣州個別工程中局部試用。1997年國內(nèi)建筑業(yè)應用高強混凝土776萬立方米，占全部混凝土總量的4.6%。
在高層建筑基礎采用大體積混凝土施工技術方面取得了經(jīng)驗，其主要措施為：減少水泥水化熱，采用較低水化熱水泥，摻粉煤灰和減水劑，進步砼抗拉強度；采用泵送預拌混凝土、分段、分層連續(xù)作業(yè)的公道澆搗方法，并及時養(yǎng)護及進行測溫監(jiān)控。新上海國際大廈基礎底板76米×72米，主樓底板厚3.5米，裙樓底板厚3米，不設結構縫，采用C30混凝土斜面分層澆筑，每層厚度不超過50厘米，17000立方米混凝土共用64小時，一次澆筑到頂，刮平養(yǎng)護后未發(fā)現(xiàn)裂縫。
對于14—40毫米粗鋼筋的連接，從八十年代至今研究開發(fā)了4種連接技術；電渣壓力焊，套筒擠壓連接、錐螺紋連接、直螺紋連接，均在工程中得到應用，并迅速推廣。
從五十年代到八十年代，主要對混凝土預制裝配框架、裝配式大板、升板、盒子結構等預制安裝技術進行了研究，取得了一定成效。從八十年代至今由于鋼結構、鋼—混凝土混合結構的興建，鋼結構安裝技術有了新的發(fā)展。主要以塔式起重機為主機進行安裝，高強螺栓連接已取代鉚接和部分焊接。鋼結構還需解決防火、防銹、防腐等題目。深圳佳寧娜友誼廣場兩座33層公寓樓相距25.2米，在其頂部由8層高鋼結構連成整體，總重8500KN，采用卷楊機高空平移法施工，獲得成功。
高層建筑施工技術在迅速發(fā)展，在即將跨進的21世紀將繼續(xù)保持這種發(fā)展趨勢。
本文章由海南康氏力拓空間鋼結構公司小編整理發(fā)表，官網(wǎng)：fw-arrow.cn
