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超高层建筑发展现状

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摘要:自1968年日本外交部大厦(地上36层,高度147m)建成以来,日本的超高层建筑的发展已有30年的历史了。随着强震记录的收集技术和计算机技术不断发展,动力设计方法的不断完善以及建筑用钢材的发展,日本正迎接钢结构超高层建筑时代的到来。

关键词:超高层建筑

自1968年日本外交部大厦(地上36层,高度147m)建成以来,日本的超高层建筑的发展已有30年的历史了。随着强震记录的收集技术和计算机技术不断发展,动力设计方法的不断完善以及建筑用钢材的发展,日本正迎接钢结构超高层建筑时代的到来。

1超高层建筑的现状

高度超过60m的建筑物,需受到日本建筑高层评委的评审,并通过建设大臣的认定后,方可允许建造。从日本《建筑通讯》上刊载的这些建筑物的有关数据资料,可以看出,除塔状构筑物及烟囱等以外,高度超过60m的建筑物,日本现在(1998年1月)有1000栋以上,其结构类型:纯钢结构(S结构)为60.6%;下部为钢-钢筋混凝土结构(SRC结构)、上部为S结构(S+SRC结构)为3.8%;SRC结构为21.3%(如图1),以RC(钢筋混凝土结构)高层住宅为主的建筑数量不断增加,且比率达13.9%。高度超过150m以上的建筑物,已有65栋,其中S结构占84.6%;下部为SRC结构、上部为S结构占6.2%;SRC结构占7.7%,从而可以看出超高层建筑以S结构为主的变化状况(如图2)。

图1受高层评委评审的全部建筑物

(1072栋)的结构类型

图2高度为150m以上的建筑

(65栋)的结构类型

把日本的超高层建筑按高度顺序由大到小进行20位的排列(排列表略),第20位的建筑最高高度为200m。如果看一下这些建筑物的结构特性,其主要的结构材料,全部是S结构。并在S结构中,配置了支撑系统及钢板抗震墙、带缝墙等,以减小强震或强风时的侧移变形。此外还增设了抗震装置。

2新材料的利用

在抗震设计中,一直以保证骨架结构的强度为重点。通过分析强震记录,发现强震时,仅是强度抵抗,并没有给予建筑物以充分的塑性变形能力。而塑性变形却可以吸收能量,减轻震害,这在抗震设计中,显得十分重要。因此,对钢材性能的要求也发生了变化,研制和开发出了适用于超高层建筑的高性能钢材,同时,还开发出了新的高层结构体系。

2.1高性能钢

80年代后期,超高层建筑,大跨结构迅速发展,对钢材性能的要求也越多。主要包括有高强度,低屈强比,窄屈服幅等的耐震性能;可焊性,形状尺寸加工精度的施工方面的性能以及耐久性等。

2.1.1高张力钢

建筑用钢材的应力-应变曲线如图3所示。其屈服点在100~780N/mm2的范围,其中屈服点为400N/mm2的钢材,占一半以上。

图3钢材应力-应变曲线

1-780N钢;2-建筑结构用780N钢;

3-建筑结构用高性能590N钢;4-SN490;

5-SS400;6-极低屈服点钢

钢材屈服点的提高,在设计方面就需要保证结构的刚度要求,防止局部屈曲;在施工方面就要保证结构的可焊性。另一方面,在多震国,地震时确保结构建筑物的安全性是一个最大的课题。因此,高张力钢不仅要有很高的屈服点及抗拉强度,还要具备充分的塑性变形能力。从这些观点出发,1988~1992年间,日本开发研制了屈服点为590N/mm2的高张力钢,广泛用于超高层建筑中。近些年来,又开发研制了屈服点为780N/mm2的高张力钢,已开始部分应用于超高层建筑中。

2.1.2低屈服点钢

另一方面,还开发研制了利用钢材的低屈服点和屈服特性的技术,耐震设计中的隔震和抗震构造技术得到了迅速发展,地震对建筑物输入的能量,通过建筑物特殊的部位吸收,从而确保整个结构的安全,防止结构构件(梁,柱)的破坏和损伤,低屈服点钢主要用于这些特殊部位,作为吸收地震能的材料。低屈服点钢,其化学成分主要是纯铁。如屈服点为100N/mm2的钢材(为普通钢材屈服点的一半左右),具有很大的塑性变形能力。

2.1.3TMCP钢

建筑物的高层化、大跨化等,要求使用的钢材高强度化,大断面化,极厚化。以往的冶炼方法,若保证钢材的高强度,就需加入相应的碳元素,钢材含碳量的增加会导致可焊性的降低。为了解决这个问题,开发研制了490N/mm2级的建筑结构用TMCP钢。建筑结构用TMCP钢,是通过TMCP(热处理)处理后得到的。已广泛用于超高层建筑中,如东京都新(厅)舍大厦(地上48层,檐口高241.9m)中的柱子全部采用此种钢。TMCP钢的特点是:①改善了可焊性,②保证了极厚部位的强度,③降低了屈强比。

2.1.4SN钢

根据超高层建筑的抗震要求,钢材应具有足够的弹塑性性能和较好的机械性能,可焊性能,具有吸收地震能的能力,日本JIS制定了“建筑结构用钢材”(SN钢)标准。广泛用于超高层建筑。SN钢要求:①保证可焊性,②保证塑性变形能力,③保证板厚方向的性能,④保证经济性和加工方便,⑤保证与国际规格接轨。SN钢的规格有A、B、C三种,其板厚都是在6~100mm,分400N/mm2和490N/mm2两个等级。

2.2新RC结构(钢筋混凝土)

在钢结构钢材的强度不断提高的同时,钢筋混凝土结构中的钢筋和混凝土强度也在迅速地提高。1988年以来,进行了强度为58.8~117.6MPa的混凝土及强度为686~1176.7MPa的钢筋的开发,并已用于超高层住宅中,如礼新城北高层住宅(地上45层,高度160m),所用混凝土强度为58.8MPa,主筋强度为686MPa,断面加强筋强度为784MPa,是以前高层RC结构所用材料强度的两倍。现在超高层建筑已开始使用78.4MPa,98MPa的混凝土。

2.3CFT结构(钢管混凝土)

由于高强度钢的使用,可以使构件截面做得小而薄,然而这必带来局部屈曲和刚度降低的问题,解决这个问题的途径之一就是采用CFT柱。

继S结构、SRC结构、RC结构之后,它形成了第四种结构体系。CFT结构体系,就是用圆形或多边形钢管内填充混凝土的柱子和S结构,钢-混凝土结构的梁连接起来而形成的结构体系,具有刚度大,耐久力大,变形能力强,防火性好等方面的优良结构性能。因此,超高层建筑,大跨结构等开始广泛采用此种结构体系。

CFT柱的优点是,混凝土填充在钢管中,在受压和受弯共同作用下(如图4所示),混凝土向横向扩散,然而却受到钢管的横向约束(称为钢箍效应)。所以,混凝土的强度和变形能力提高。另一方面,由于混凝土的填充,钢管的局部屈曲受到了有效的抑制,如图5。这样,CFT柱可以最充分利用高张力钢的强度。随着高强混凝土及其组合的研究不断发展,将来高度为1000m级的超高层建筑的构想实现,期待着CFT柱将起主要作用。

图4CFT柱钢箍效应

1-轴力;2-形成面内力;3-面向外凸曲

图5钢管的局部屈曲抑制

1-地震力;2-屈曲;3-钢管柱;4-CFT柱

3隔震,抗震结构构造

1995年1月的阪神大地震以来,隔震结构急剧增加。从地震加速度反应谱曲线上可知,为了减小建筑物上的地震力,需要延长建筑物的固有周期,使其获得大的衰减。隔震结构是指,在建筑物基础上,安装夹层橡胶等水平方向柔软的减震支承,使水平变形集中在减震层上,把整体结构的固有周期延长2~3S的同时,再利用某种衰减装置(阻尼器),使作用在建筑物上部的反应加速度、位移得到大幅度衰减的结构体系。有许多种实用的减震支承和衰减装置,现将有代表性的列于表1中。新晨范文网

表1减震装置的性能和种类

装置

分类

性能种类

支承*支承荷载

*延长固有周期

*降低反应加速度

*降低上下水平振动夹层橡胶

高衰减夹层橡胶

铅芯夹层橡胶

滚动支承

水平

衰减

装置*限制水平地震反应位移

*降低水平地震加速度

*限制共振反应弹塑性阻尼器,高粘

性阻尼器,油性阻尼

器,摩擦阻尼器,高

衰减夹层橡胶,铅

芯夹层橡胶,滑动支

这种隔震结构的上部结构常是较刚性的。超高层建筑的固有周期都比较长,所以它自身已包含了减震效应。但是如果把衰减装置安装其上,则对于抗震更是一个有效的方法。

图6蜂窝式阻尼器的循环过程

用于超高层建筑(高层建筑)上的衰减装置,有对应于建筑物上下层的水平位移差(层间位移)而运动的钢制弹塑性阻尼器;高衰减的油性阻尼器;粘性抗震墙;粘弹性阻尼器等。其中,钢制弹塑性阻尼器,是利用钢材塑性荷载-变形关系曲线描述大的循环过程,并把振动能用循环面积消耗掉的一种装置。蜂窝式阻尼器就是一例。它是利用200N/mm2级的低屈服钢,利用它有限的塑性变形特性,提高吸收地震能的能力的装置。图6表示蜂窝式阻尼器的循环过程。

把这些衰减装置设置在超高层建筑上,多数情况下,可使设计地震力减小约30%左右。

4.结论

超高层建筑不仅在日本、美国等发达国家较为普遍,就是在发展中的中国,它仍然是今后我国建筑事业发展的方向。为此,随着我国国力的不断增强,不断借鉴外国先进的建筑技术,并结合我国的具体实际,必将能走出一条具有中国特色的超高层建筑之路。

参考文献

[1]〔日〕菅野*忠.最近のどル建筑技术

[2]〔日〕计良光一郎.发展遂げる建筑构造用钢材.Tekkohkai,1998.2

超高层建筑发展现状责任编辑:李老师    阅读:人次
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