超高層建筑技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

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自1968年日本外交部大廈（地上36層，高度147m）建成以來，日本的超高層建筑的發(fā)展已有30年的歷史了。隨著強(qiáng)震記錄的收集技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，動(dòng)力設(shè)計(jì)方法的不斷完善以及建筑用鋼材的發(fā)展，日本正迎接鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑時(shí)代的到來。

  1、超高層建筑的現(xiàn)狀
  高度超過60m的建筑物，需受到日本建筑高層評(píng)委的評(píng)審，并通過建設(shè)大臣的認(rèn)定后，方可允許建造。從日本《建筑通訊》上刊載的這些建筑物的有關(guān)數(shù)據(jù)資料，可以看出，除塔狀構(gòu)筑物及煙囪等以外，高度超過60m的建筑物，日本現(xiàn)在(1998年1月）有1 000棟以上，其結(jié)構(gòu)類型：純鋼結(jié)構(gòu)（S結(jié)構(gòu)）為60.6％；下部為鋼－鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（SRC結(jié)構(gòu)）、上部為S結(jié)構(gòu)（S＋SRC結(jié)構(gòu)）為3.8％；SRC結(jié)構(gòu)為21.3％（如圖1），以RC（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))高層住宅為主的建筑數(shù)量不斷增加，且比率達(dá)13.9％。高度超過150m以上的建筑物，已有65棟，其中S結(jié)構(gòu)占84.6％；下部為SRC結(jié)構(gòu)、上部為S結(jié)構(gòu)占6.2％；SRC結(jié)構(gòu)占7.7％，從而可以看出超高層建筑以S結(jié)構(gòu)為主的變化狀況（如圖2）。

　　　　　圖1　受高層評(píng)委評(píng)審的全部建筑物
　　　?。?072棟）的結(jié)構(gòu)類型

　　　　圖2　高度為150m以上的建筑
　　　?。?5棟）的結(jié)構(gòu)類型

  把日本的超高層建筑按高度順序由大到小進(jìn)行20位的排列（排列表略），第20位的建筑最高高度為200m。如果看一下這些建筑物的結(jié)構(gòu)特性，其主要的結(jié)構(gòu)材料，全部是S結(jié)構(gòu)。并在S結(jié)構(gòu)中，配置了支撐系統(tǒng)及鋼板抗震墻、帶縫墻等，以減小強(qiáng)震或強(qiáng)風(fēng)時(shí)的側(cè)移變形。此外還增設(shè)了抗震裝置。
  2、新材料的利用
  在抗震設(shè)計(jì)中，一直以保證骨架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度為重點(diǎn)。通過分析強(qiáng)震記錄，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震時(shí)，僅是強(qiáng)度抵抗，并沒有給予建筑物以充分的塑性變形能力。而塑性變形卻可以吸收能量，減輕震害，這在抗震設(shè)計(jì)中，顯得十分重要。因此，對(duì)鋼材性能的要求也發(fā)生了變化，研制和開發(fā)出了適用于超高層建筑的高性能鋼材，同時(shí)，還開發(fā)出了新的高層結(jié)構(gòu)體系。
  2.1　高性能鋼
  80年代后期，超高層建筑，大跨結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展，對(duì)鋼材性能的要求也越多。主要包括有高強(qiáng)度，低屈強(qiáng)比，窄屈服幅等的耐震性能；可焊性，形狀尺寸加工精度的施工方面的性能以及耐久性等。
  2.1.1　高張力鋼
  建筑用鋼材的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖3所示。其屈服點(diǎn)在100～780N／mm²的范圍，其中屈服點(diǎn)為400N／mm²的鋼材，占一半以上。
　　

圖3　鋼材應(yīng)力－應(yīng)變曲線
1－780N鋼；2－建筑結(jié)構(gòu)用780N鋼；
3－建筑結(jié)構(gòu)用高性能590N鋼；4－SN490；
5－SS400；6－極低屈服點(diǎn)鋼

  鋼材屈服點(diǎn)的提高，在設(shè)計(jì)方面就需要保證結(jié)構(gòu)的剛度要求，防止局部屈曲；在施工方面就要保證結(jié)構(gòu)的可焊性。另一方面，在多震國，地震時(shí)確保結(jié)構(gòu)建筑物的安全性是一個(gè)最大的課題。因此，高張力鋼不僅要有很高的屈服點(diǎn)及抗拉強(qiáng)度，還要具備充分的塑性變形能力。從這些觀點(diǎn)出發(fā)，1988～1992年間，日本開發(fā)研制了屈服點(diǎn)為590N／mm²的高張力鋼，廣泛用于超高層建筑中。近些年來，又開發(fā)研制了屈服點(diǎn)為780N／mm²的高張力鋼，已開始部分應(yīng)用于超高層建筑中。
  2.1.2　低屈服點(diǎn)鋼
  另一方面，還開發(fā)研制了利用鋼材的低屈服點(diǎn)和屈服特性的技術(shù)，耐震設(shè)計(jì)中的隔震和抗震構(gòu)造技術(shù)得到了迅速發(fā)展，地震對(duì)建筑物輸入的能量，通過建筑物特殊的部位吸收，從而確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全，防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件（梁，柱）的破壞和損傷，低屈服點(diǎn)鋼主要用于這些特殊部位，作為吸收地震能的材料。低屈服點(diǎn)鋼，其化學(xué)成分主要是純鐵。如屈服點(diǎn)為100N／mm²的鋼材（為普通鋼材屈服點(diǎn)的一半左右），具有很大的塑性變形能力。
  2.1.3　TMCP鋼
  建筑物的高層化、大跨化等，要求使用的鋼材高強(qiáng)度化，大斷面化，極厚化。以往的冶煉方法，若保證鋼材的高強(qiáng)度，就需加入相應(yīng)的碳元素，鋼材含碳量的增加會(huì)導(dǎo)致可焊性的降低。為了解決這個(gè)問題，開發(fā)研制了490N／mm²級(jí)的建筑結(jié)構(gòu)用TMCP鋼。建筑結(jié)構(gòu)用TMCP鋼，是通過TMCP（熱處理）處理后得到的。已廣泛用于超高層建筑中，如東京都新（廳）舍大廈（地上48層，檐口高241.9m）中的柱子全部采用此種鋼。TMCP鋼的特點(diǎn)是：①改善了可焊性，②保證了極厚部位的強(qiáng)度，③降低了屈強(qiáng)比。
  2.1.4　SN鋼
  根據(jù)超高層建筑的抗震要求，鋼材應(yīng)具有足夠的彈塑性性能和較好的機(jī)械性能，可焊性能，具有吸收地震能的能力，日本JIS制定了“建筑結(jié)構(gòu)用鋼材”（SN鋼）標(biāo)準(zhǔn)。廣泛用于超高層建筑。SN鋼要求：①保證可焊性，②保證塑性變形能力，③保證板厚方向的性能，④保證經(jīng)濟(jì)性和加工方便，⑤保證與國際規(guī)格接軌。SN鋼的規(guī)格有A、B、C三種，其板厚都是在6～100mm，分400N／mm²和490N／mm²兩個(gè)等級(jí)。
  2.2　新RC結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土）
  在鋼結(jié)構(gòu)鋼材的強(qiáng)度不斷提高的同時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋和混凝土強(qiáng)度也在迅速地提高。1988年以來，進(jìn)行了強(qiáng)度為58.8～117.6MPa的混凝土及強(qiáng)度為686～1176.7MPa的鋼筋的開發(fā)，并已用于超高層住宅中，如禮新城北高層住宅（地上45層，高度160m），所用混凝土強(qiáng)度為58.8MPa，主筋強(qiáng)度為686MPa，斷面加強(qiáng)筋強(qiáng)度為784MPa，是以前高層RC結(jié)構(gòu)所用材料強(qiáng)度的兩倍?，F(xiàn)在超高層建筑已開始使用78.4MPa，98MPa的混凝土。
  2.3　CFT結(jié)構(gòu)（鋼管混凝土）
  由于高強(qiáng)度鋼的使用，可以使構(gòu)件截面做得小而薄，然而這必帶來局部屈曲和剛度降低的問題，解決這個(gè)問題的途徑之一就是采用CFT柱。
  繼S結(jié)構(gòu)、SRC結(jié)構(gòu)、RC結(jié)構(gòu)之后，它形成了第四種結(jié)構(gòu)體系。CFT結(jié)構(gòu)體系，就是用圓形或多邊形鋼管內(nèi)填充混凝土的柱子和S結(jié)構(gòu)，鋼－混凝土結(jié)構(gòu)的梁連接起來而形成的結(jié)構(gòu)體系，具有剛度大，耐久力大，變形能力強(qiáng)，防火性好等方面的優(yōu)良結(jié)構(gòu)性能。因此，超高層建筑，大跨結(jié)構(gòu)等開始廣泛采用此種結(jié)構(gòu)體系。
  CFT柱的優(yōu)點(diǎn)是，混凝土填充在鋼管中，在受壓和受彎共同作用下（如圖4所示），混凝土向橫向擴(kuò)散，然而卻受到鋼管的橫向約束（稱為鋼箍效應(yīng)）。所以，混凝土的強(qiáng)度和變形能力提高。另一方面，由于混凝土的填充，鋼管的局部屈曲受到了有效的抑制，如圖5。這樣，CFT柱可以最充分利用高張力鋼的強(qiáng)度。隨著高強(qiáng)混凝土及其組合的研究不斷發(fā)展，將來高度為1000m級(jí)的超高層建筑的構(gòu)想實(shí)現(xiàn)，期待著CFT柱將起主要作用。
　　

圖4　CFT柱鋼箍效應(yīng)
1－軸力；2－形成面內(nèi)力；3－面向外凸曲

圖5　鋼管的局部屈曲抑制
1－地震力；2－屈曲；3－鋼管柱；4－CFT柱

  3、隔震，抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)造
  1995年1月的阪神大地震以來，隔震結(jié)構(gòu)急劇增加。從地震加速度反應(yīng)譜曲線上可知，為了減小建筑物上的地震力，需要延長建筑物的固有周期，使其獲得大的衰減。隔震結(jié)構(gòu)是指，在建筑物基礎(chǔ)上，安裝夾層橡膠等水平方向柔軟的減震支承，使水平變形集中在減震層上，把整體結(jié)構(gòu)的固有周期延長2～3S的同時(shí)，再利用某種衰減裝置（阻尼器），使作用在建筑物上部的反應(yīng)加速度、位移得到大幅度衰減的結(jié)構(gòu)體系。有許多種實(shí)用的減震支承和衰減裝置，現(xiàn)將有代表性的列于表1中。

表1　減震裝置的性能和種類

  這種隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)常是較剛性的。超高層建筑的固有周期都比較長，所以它自身已包含了減震效應(yīng)。但是如果把衰減裝置安裝其上，則對(duì)于抗震更是一個(gè)有效的方法。
　　

　　　　　圖6　蜂窩式阻尼器的循環(huán)過程

  用于超高層建筑（高層建筑）上的衰減裝置，有對(duì)應(yīng)于建筑物上下層的水平位移差（層間位移）而運(yùn)動(dòng)的鋼制彈塑性阻尼器；高衰減的油性阻尼器；粘性抗震墻；粘彈性阻尼器等。其中，鋼制彈塑性阻尼器，是利用鋼材塑性荷載－變形關(guān)系曲線描述大的循環(huán)過程，并把振動(dòng)能用循環(huán)面積消耗掉的一種裝置。蜂窩式阻尼器就是一例。它是利用200N／mm²級(jí)的低屈服鋼，利用它有限的塑性變形特性，提高吸收地震能的能力的裝置。圖6表示蜂窩式阻尼器的循環(huán)過程。
  把這些衰減裝置設(shè)置在超高層建筑上，多數(shù)情況下，可使設(shè)計(jì)地震力減小約30％左右。

  4、結(jié)論
  超高層建筑不僅在日本、美國等發(fā)達(dá)國家較為普遍，就是在發(fā)展中的中國，它仍然是今后我國建筑事業(yè)發(fā)展的方向。為此，隨著我國國力的不斷增強(qiáng)，不斷借鑒外國先進(jìn)的建筑技術(shù)，并結(jié)合我國的具體實(shí)際，必將能走出一條具有中國特色的超高層建筑之路。