建筑、环境与土木工程学科发展战略研讨会北京,2004年12

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,建筑、环境与土木工程学科发展战略研讨会北京，2004年12月25-27日,高层建筑结构及其,设计理论,1,内容,一、高层建筑结构的现状与发展,二、高层建筑结构的材料与体系,三、高层建筑结构的抗震设计理论,四、高层建筑结构的抗风设计理论,五、高层建筑钢结构的设计理论,六、高层建筑结构及其设计理论的研究方向与课题,2,一、高层建筑结构的现状与发展,现代高层建筑起源于美国，已有110多年的发展历史。,最具代表性的建筑是1931年建成的纽约帝国大厦（高381,m，102,层）、1972年建成的纽约世界贸易中心姊妹楼（417,m,和415,m，110,层，2001年9月11日受恐怖袭击而倒塌）和1974年建成的芝加哥西尔斯大厦（442,m，110,层）。,随着世界经济和建筑技术的发展，世界范围内高层建筑的高度在不断的增加，许多国家为了表明国家实力试图建造世界上最高的建筑。,3,一、高层建筑的现状与发展,以下列举了世界高度前10位的高层建筑,排序,建筑名称,城市,国家,建成年,高度,层数,结构材料,1,101大楼,台北,中国,2003,508,101,钢-混凝土,2,Petronas Twin Towers,吉隆坡,马来西亚,1998,452,88,钢-混凝土,3,Sears Tower,芝加哥,美国,1974,442,110,钢,4,金茂大厦,上海,中国,1999,421,88,钢-混凝土,5,中信广场,广州,中国,1996,391,80,混凝土,6,地王大厦,深圳,中国,1996,384,69,钢-混凝土,7,Empire State Building,纽约,美国,1931,381,102,钢,8,中环广场,香港,中国,1992,374,78,混凝土,9,中银大厦,香港,中国,1989,369,70,钢-混凝土,10,Emirates Tower One,迪拜,阿联酋,1999,355,55,钢-混凝土,4,一、高层建筑的现状与发展,以下列举了世界高度前10位的高层建筑,Empire State Building,Petronas Twin Tower,Sears Tower,5,一、高层建筑的现状与发展,以下列举了世界高度前10位的高层建筑,101,大楼,金茂大厦,中信广场,6,一、高层建筑的现状与发展,世界高层建筑的建造重心正由北美洲向亚洲转移，中国已经处于高层建筑迅速发展时期，在世界高度前十位的高层建筑中占了6座（其中大陆3座,、,香港2座、台湾1座）。,我国高层建筑在建造总量、高度、层数和体量等方面不断有新的突破。,正在建设的上海环球金融中心的结构设计高度为492,m，,将是世界第一。,随着我国国民经济与科学技术的发展，预计在今后10-15年内，我国还会逐步建造超过500,m、600m、800m、,甚至1000,m,的高层建筑，继续站住国际领先地位。,环球金融中心,7,一、高层建筑的现状与发展,建造如此高度的高层建筑，我们将面临着哪些问题需要解决，也就是说高层建筑结构及其设计理论所需解决的关键科学问题有哪些？是否应包括：,（1）高层建筑结构的材料与体系,（2）高层建筑结构的性态设计理论,（3）高层建筑结构的抗震设计理论,（4）高层建筑结构的抗风设计理论,（5）高层建筑结构的智能控制应用技术,（6）,高层建筑结构的防爆与抗爆设计理论,8,二、高层建筑结构的材料与体系,我国高层建筑的结构材料一直以钢筋混凝土为主；特别是高层住宅，即使高度在100,m,以上的超高层住宅，也都采用混凝土结构。,钢结构及钢-混凝土混合结构的比重逐步扩大，主要用在超高层公共建筑中，以发挥钢和钢筋混凝土的各自优势，从而改善结构性能。,在国外特别是地震区，高层建筑结构是以钢结构为主，而我国钢筋混凝土结构及混合结构占绝大部分。,如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，还没有经受大地震作用的考验。,9,二、高层建筑结构的材料与体系,高层建筑结构的基本类型有框架、框架-剪力墙、剪力墙、框支剪力墙、框架-筒体和筒中筒等结构。,目前超高层建筑大多采用三种结构体系，即框架-筒体、筒中筒和框架-支撑，这些也是世界其它国家的超高层建筑所采用的主要结构体系。,框架-核心筒结构,是我国高层建筑结构中最常采用的一种结构体系，且大多采用钢框架-混凝土核心筒的混合结构形式。,国外很少采用这种混合结构，在抗震结构中更少见；国内工程界对这种体系的看法也存在一些争议。,采用这种混合结构体系的主要原因是比钢结构的用钢量少，又可减小柱子断面，常常为业主所看中。,10,二、高层建筑结构的材料与体系,框架-核心筒结构,的钢筋混凝土内筒往往要承受80%以上的地震剪力，有的高达90以上。,由于结构以钢筋混凝土核心筒为主，变形控制要以钢筋混凝土结构的位移限位为基准；然而由于内筒的高宽比很大(约为10-12)，其弯曲变形的侧移较大，靠刚度很小的钢框架协同工作减小侧移，不仅增大了钢结构的负担，而且效果不大，有时不得不加大混凝土内筒的刚度或设置伸臂结构、形成加强层才能满足现行规范对结构侧移的限值。,为了安全起见，要求框架承担剪力不小于底部剪力的25，这也会使钢材的用量加大；混凝土核心筒的轴压随高度增大而增大，为保证其延性，必须加大筒壁的厚度和配筋，因而用钢量也会相对上升。,11,二、高层建筑结构的材料与体系,框架-核心筒结构,，由于钢筋混凝土内筒与钢框架的竖向变形性能不同，由徐变、温度等因素会引起结构附加内力；在构造上，有一些结构为了增加结构刚度而将楼板钢梁与混凝土内筒做成刚接，这不仅增加施工困难，而且钢与混凝土的连接节点可靠性较差。,采用混凝上核心筒，可以节省一些钢材，但是究竟能节省多少，还要做进一步分析。而我国当前的国情，已经不是结构材料越省越好的年代。对混合结构的抗震性能以及为改善其性能需要采取的措施要有充分认识。,内筒最好采用钢骨混凝土剪力墙，以便使钢梁与钢骨有可靠的连接。,12,二、高层建筑结构的材料与体系,框架-核心筒结构,，为减小侧移，通常需要设置伸臂结构，形成加强层；在结构体系或柱距变化时，需要设置结构转换层。,加强层及转换层都在本层形成大刚度而导致结构刚度突变，常常会使与加强层或转换层相邻的柱构件剪力突然加大，加强层伸臂构件或转换层构件与外框架柱连接处很难实现强柱弱梁。,因此，在需要设置加强层及转换层时，要慎重选择加强层及转换层的结构形式，尽量减小其本身刚度，减小其不利影响。,斜撑桁架或简单的斜撑杆优于实腹梁，在抗震结构中采用厚板作转换层对抗震是十分不利的。,13,二、高层建筑结构的材料与体系,筒中筒体系,主要采用钢筋混凝土结构，这在国外地震区是很少见到的。,密柱深梁的钢筋混凝土框架-核心筒结构实现梁铰屈服机制有一定困难。,当采用钢筋混凝土筒中筒结构时，必须充分注意框筒是否能真正实现梁铰机制，是否能确保框筒的延性要求。,因此，在高层建筑结构中，应注意结构体系及材料的优选。,14,二、高层建筑结构的材料与体系,现在我国钢材产量较大，建筑钢材的类型及品种逐步增多，钢结构的加工制造能力逐步增强，因此在有条件的地方，应尽可能采用钢骨混凝土结构、钢管混凝土(柱)结构、甚至全钢结构，以减小框架柱的断面尺寸，并改善结构的抗震性能。,在超过一定高度后，由于钢结构质量较小而且较柔，为减小风振而需要采用混凝土材料，钢骨(钢管)混凝土通常做为首选。,日本阪神地震震害说明，在钢骨混凝土构件中，采用格构式的型钢时，震害严重，采用实腹式的大型型钢或焊接工字钢时，则震害轻微。,因此，在高层建筑结构中，若用钢骨混凝土构件，建议采用实腹式的大型型钢或焊接工字钢。,15,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.1 基于性态的高层建筑混凝土结构抗震设计,近十年来，特别是1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震以后，暴露出现行抗震设计思想-基于力或位移的设计方法的严重不足。,为了克服这些不足，基于性态的（,performance-based）,抗震设计已经被国际上广泛研究，并且被认为是未来抗震设计的主要指导思想。,以往提到的基于力的抗震设计或者基于位移的抗震设计，由于力和位移都是很明确的物理概念，可以被很容易地理解。,但是基于性态的抗震设计，由于性态是一个宏观概念，不像力或位移那样可以直接作为设计参数，但还是可以直接应用到设计中去。,16,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.1 基于性态的高层建筑混凝土结构抗震设计,事实上，这里提到的结构性态往往可以与结构的破坏程度相关，而结构的破坏程度又可以由结构的反应参数来表示(如应力、力、位移、能量以及具有明确定义的破坏指标)。,所以基于性态的抗震设计是比基于力或者基于位移的抗震设计更为广泛的一种设计理念，更为直接地满足个人或者社会对建筑物的要求，即要求建筑物安全可靠、满足使用需要，而不是普通使用者能提出的建筑物可以抵抗多强的地震力，或者是变形控制在什么程度。,17,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.2 高层建筑混凝土结构的短柱问题及其抗震性能,在高层建筑混凝土结构中，为了保持结构的整体延性需要控制框架柱的轴压比，这会导致框架柱的断面很大，且柱的纵向钢筋只能构造配筋，即使采用高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。,柱的轴压比问题实际是柱的塑性变形能力问题，构件的变形能力会极大地影响结构的延性。若柱处于小偏压受力状态，由于是混凝土压碎丧失承载能力，柱塑性变形能力很小。,钢筋混凝土剪力墙同样存在塑性变形能力问题。,高层建筑混凝土结构普遍存在着短柱（剪跨比,M,/,VH,小于2）甚至超短柱（剪跨比小于1.5）的现象。,18,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.2 高层建筑混凝土结构的短柱问题及其抗震性能,地震时，短柱刚度大、变形能力差，会发生突然脆性破坏，而导致整座高层建筑发生倒塌；,如何提高,高层建筑混凝土结构中短柱的抗震性能，以提高高层建筑的抗震安全性，是高层建筑结构抗震设计理论的关键科学问题之一。,目前解决钢筋混凝土短柱问题的途径有：,（1）箍筋采用复合螺旋箍筋,（2）沿柱高,X,型配置钢筋,（3）采用钢管混凝土或者型钢混凝土组合,（4）采用将柱子直接批分成几个小柱的分体柱技术,（5）等等,19,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.3,高层建筑结构-桩-土动力相互作用,对于软土地基上的高层建筑结构，桩基础是经常采用的一种基础形式，土、基础以及上部结构三者之间存在动力相互作用，使得桩基和土的的动力特性成为结构地震响应分析所必须考虑的因素之一。,高层建筑结构-桩-土动力相互作用是一个很复杂的问题，多年来一直是高层建筑结构抗震设计领域的重点研究课题之一。,近几十年来，国内外许多学者针对高层建筑结构-桩-土动力相互作用问题进行了大量的理论研究和试验研究工作。,20,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.3,高层建筑结构-桩-土动力相互作用,理论研究又可分为解析法,、,数值法及耦合法,。,受计算机技术条件的限制，解析法在20世纪70年代得到了较大的发展，但是，解析法只能用于上部结构、基础以及地形地质条件较简单的情况。,随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟方法被越来越多地用于相互作用的研究。,有限元法是应用最广、最有效的数值方法，可以处理各种复杂的情况，并且由于其通用性强、有大量的商业程序，易于为用户掌握，因而可以用于许多复杂的土与结构相互作用问题的研究,。,21,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.3,高层建筑结构-桩-土动力相互作用,近年来，同济大学、湖南大学、南京工业大学、武汉大学和天津大学等都已进行了土-结相互作用的振动台模型试验，获得了丰富的试验数据,，,并进行了有限元分析与试验的对照分析。,主要研究成果有：（1）土层中无限远边界的模拟；（2）高层建筑结构-地基相互作用体系的三阶段振动台模型试验；（3）高层建筑结构地基相互作用体系振动台模型试验的计算机模拟分析；（4）考虑高层建筑结构地基相互作用的输入地震动研究；（5）相互作用体系动力特性参数的简化计算方法；（6）实际工程问题的计算机模拟；（7）考虑液化影响的计算分析研究；（8）地基基础支护结构高层建筑结构动力相互作用体系计算分析,22,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.4,高层建筑结构的地震扭转效应,大量的理论和震害分析表明，高层建筑结构的破坏往往是由于空间扭转振动所引起的，而且震害较为严重，特别是复杂体型的高层建筑。,地震时使高层建筑结构发生空间扭转振动的原因主要有两个方面：,（1）高层建筑结构本身。严格说来，一般的高层建筑结构均为非对称的(质量非对称或刚度非对称), 地震时, 作用在质量中心的惯性力将对刚度中心产生扭转力矩，迫使结构产生平移扭转耦联的空间振动。,（2）外来干扰。地震波通过地面时的运动是极其复杂的，各点的周期和相位是不同的。由于地面质点间运动的差别，地震时的地面运动不仅存在平动分量，而且也存在转动分量。这种转动分量迫使高层建筑（即使是对称结构）产生扭转耦联的空间振动。,23,三、高层建筑结构的抗震设计理论,3.4,高层建筑结构的地震扭转效应,尽管结构抗震理论与实践已有近百年的历史，但在一般的高层建筑抗震分析中，通常是将结构简化成平面模型，分别在其两个主轴方向进行计算。严格上将，这与实际情况是不相符的。,世界各国某些抗震规范有的是在计算公式中仅用某个系数来考虑结构的扭转振动（如美国、日本等），有的是用两个地震动分量成比例的地震作用效应用平方和开平方的方法来考虑双向地震作用（如中国规范），均没有给出合理的考虑多分量地震动作用的结构抗震设计的反应谱方法。,目前这些方法缺乏足够的理论根据，这也是一直是困扰着结构抗震界的悬而未决问题。,24,四、高层建筑结构的抗风设计理论,经过数十年的努力，对高层建筑外加风荷载的研究已经取得了比较丰富的成果。尤其是在顺风向风荷载和响应研究方面，,Davenport,建立的风荷载模型及后续的研究成果具有坚实的理论基础和足够的工程实用精度，被各国规范所采用，解决了大量的工程问题，推动了工程抗风理论与技术的进步。,尽管如此，由于现代建筑风工程研究仅有40多年历史，加之这一研究涉及多门学科的交叉，理论和应用问题都非常复杂，高层建筑抗风研究中还存在很多没有很好解决的基础理论和实际应用技术问题，很多主要成果尚没有在规范中体现。,目前，除了需要解决这些尚未解决的基础性问题以外，还要面临很多新的挑战性问题。随着结构的高度更高、跨度更大、更轻、更柔，结构的强风荷载和动力响应出现了很多新的理论问题，实际工程应用也面临更大的困难。,25,四、高层建筑结构的抗风设计理论,目前，面临的主要问题有：,（1）单体高层建筑的横风向荷载和响应的研究尚存在很多有待深入之处；,（2）复杂高层建筑扭转风荷载和响应的研究还很少；,（3）顺风向、横风向和扭转三维等效静力风荷载的计算方法还在初步阶段；,（4）复杂群体建筑的风荷载和响应研究有待深入，现有结果的表达难以适应规范的应用；,（5）建筑风环境研究尚没有引起足够的重视；,（,6）CFD(,Computational Fluid Dynamics,),方法在计算三维高层建筑的风荷载和气动弹性响应方面还难以取得重要突破。,这些研究如能取得新的进展，高层建筑的抗风设计将更科学、更合理。,26,五、高层建筑钢结构的设计理论,世界上的第一座高层钢结构建筑,Home Insurance,大楼1885年诞生在美国芝加哥。,刚刚过去的二十世纪见证了高层钢结构建筑的蓬勃发展。,在我国，从20世纪80年代中期开始，高层钢结构建筑在上海、北京、深圳、广州、大连、厦门、沈阳、天津等地相继出现。,高层建筑钢结构的分析理论与设计理论是这一研究领域的两大关键问题。,高度的不断突破依赖于高层建筑的结构理论的不断发展。,高层钢结构分析理论和设计理论现今已经发展成比较完备的体系，为工程实践提供了坚实的理论基础。,27,五、高层建筑钢结构的设计理论,早在20世纪50年代末60年代初，美国学者分别提出双分量梁模型和单分量梁模型用于钢框架结构的弹塑性分析，这两种模型均为集中塑性铰模型；以后国内外学者进一步提出精炼塑性铰模型、分布塑性模型等，可考虑构件杆端塑性分布对结构弹塑性性能的影响。,在结构三维弹塑性分析方面，日本较早提出采用杆端弹簧模型，而国内同济大学于20世纪90年代提出的基于塑性流动法则的三维弹塑性梁单元模型，具有计算更简便的特点。,20世纪70年代开始，美国学者对半刚性连接钢框架的分析理论进行了深入研究，而欧洲学者等对半刚性连接钢结构节点及半刚性连接组合结构节点进行系统研究，提出了半刚性连接钢结构的设计方法。,28,五、高层建筑钢结构的设计理论,从1923年日本关东大地震开始，钢结构卓越的抗震性能在历次大地震中显露无遗，因而高层钢结构体系在地震区有很强的竞争力。,然而，1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震后发现的大量钢结构震害现象打破了“钢结构不会震坏”的神话。,高层钢结构梁柱连接的传统形式存在着严重的断裂隐患，为此美、日分别提出了加强连接强度、削弱杆端截面或改进连接构造等措施，以防止断裂现象，提高梁柱连接的抗震性能。,29,五、高层建筑钢结构的设计理论,高层建筑钢结构抗震设计理论三个新的研究热点：,（1）,性态设计,结构的设计要求根据事先选择的性态目标而确定，性态目标越高，结构抗震性能的要求就越高，结构的造价也越高；,（2）,损伤累积和断裂机理,钢结构在三向应力约束和应力集中情况下容易发生断裂，应当考虑所有可能的前期阶段的损伤对当前状态的影响，这样才能准确的估计发生断裂的可能性，也才能对高层钢结构全生命周期的工作性能作出准确的评价；,（3）,抗震措施,如结构节点加强措施、节点附近梁截面削弱措施(狗骨式节点)、低屈服钢耗能减震装置、防屈曲支撑、钢板耗能墙等。,30,六、高层建筑结构及其设计理论的研究方向与课题,6.1 研制高层建筑结构的新材料与新体系,研制新型结构材料,现有主要结构材料有：钢筋混凝土、钢、钢-混凝土组合；其中钢是超高层建筑结构的首选材料,能否开发出新型高强或高性能的结构材料？,研制新型结构体系,现有主要结构体系有：框架-筒体，筒中筒，框架-支撑等；,能否开发出新型的、更为安全可靠、经济合理的结构体系？,31,六、高层建筑结构及其设计理论的研究方向与课题,6.2 完善和发展高层建筑钢结构及性态设计理论,研制高层建筑钢结构的半刚性连接节点，如采用高强螺栓连接，实际上也是结构体系的一个重要发展。,完善和发展高层钢结构全周期分析理论。考虑损伤累积的高层钢结构全周期分析理论涉及许多基本理论问题需要解决，与结构耐久性的研究相互补充。,完善和发展高层建筑结构的性态设计理论。虽然性态设计的概念已经建立，相关设计准则也已经制定，但相关的研究基础还很不够。,建立高层建筑结构的非线性分析和设计理论。一方面，对于高层建筑钢结构，目前尚没有成熟可靠的实用非线性分析和设计理论；另一方面，性态设计理论的发展尚有赖于实用非线性分析理论的发展。,32,六、高层建筑结构及其设计理论的研究方向与课题,6.3 完善和发展高层建筑结构的抗震设计理论,继续研制提高高层建筑混凝土结构短柱抗震性能的新型实用技术，确保工程设计的抗震安全性；,完善和发展高层建筑结构-桩-土动力相互作用理论，建立新的分析方法和手段进行第三阶段试验的计算分析，与振动台试验结果进行对比分析，并与前两阶段所采用的分析方法进行比较；,完善和发展高层建筑结构扭转地震反应分析理论和设计方法：选择适合于高层建筑结构分析的多维地震动输入模型；确定多维力相互作用的构件本构关系；建立高层建筑扭转振动的抗震设计方法。,33,六、高层建筑结构及其设计理论的研究方向与课题,6.4 完善和发展高层建筑结构的抗风设计理论,单体高层建筑的风荷载和响应及等效静力风荷载研究。,研究重点：超高层建筑的横风向风荷载和气动阻尼的理论模型；扭转风荷载和气动阻尼的理论模型；三维等效静力风荷载的计算方法。,复杂群体建筑的风荷载和响应的研究。,研究重点：风荷载干扰作用机理及影响因素；建筑物干扰状态下风荷载的理论描述。,建筑风环境研究。,研究重点：城市,CBD,风环境实验、计算机模拟和评价方法；建筑物室内风环境数值模拟及评价方法。,高层建筑数值风洞研究。,研究重点：建立适应于三维建筑物非定常风荷载数值模拟的湍流模型及模拟方法；建构高层建筑数值风洞的基本框架。,34,六、高层建筑结构及其设计理论的研究方向与课题,6.5 研制和应用高层建筑结构的智能控制体系,近年来，研制与应用智能材料制作为结构控制装置，为高层建筑结构的减震控制技术的发展带来了新的生机和活力，为建立高层建筑结构智能与自适应控制体系开辟了新的领域。,研究重点：,（1）研制基于智能材料的更为有效、适用的智能控制装置；,（2）应用到高层建筑结构的风振与地震反应控制上形成智能与自适应结构体系。,35,六、高层建筑结构及其设计理论的研究方向与课题,6.6 建立高层建筑结构的防爆与抗爆设计理论,以美国“911”事件为标志，恐怖袭击对高层建筑结构安全的威胁成了新世纪结构工程领域面临的新问题。,以往的研究主要针对核爆炸条件下的人防工程问题，如今需面对的是普通炸弹爆炸冲击条件下民用建筑的安全问题，并且对易于成为袭击对象的高层钢结构建筑显得更为重要。,主要研究问题有：,（1）爆炸荷载及其作用机理；,（2）材料的本构模型；,（3）竖向倒塌机理；,（4）结构防爆与抗爆体系与设计标准的建立。,36,敬请大家多提宝贵建议,谢谢大家！,37,