我国高层混合结构设计探讨

2015-11-29王仕统

中国建筑金属结构 2015年2期

王仕统

我国高层混合结构设计探讨

王仕统

本文根据美国、日本对高层混合结构（混凝土核心筒+钢框架）的适用范围，结合我国现行规范（程）[1][2][3][4]的规定，以及我国近年来对超高层混合结构的狂热追求——各地最高建筑首选混合结构体系的现状，谈谈个人的看法，并质疑我国住建部建质文件[5]中超限高层专项审查技术要点。同时，还介绍了美国纽约新世界贸易中心1 WTC混合结构（非抗震设防区）的施工顺序与我国混合结构的很不同，哪种施工顺序更科学，供研究参考。

混凝土核心筒；钢框架；混合结构；质疑

全钢结构——主要采用下列不开裂的结构构件（structural members），并通过焊接、铆钉或高强螺栓连接而成的钢结构骨架[6]：型钢（Steel shape）、钢板（Steel plate）、高强钢丝或钢棒，简称S）、钢管混凝土（Concrete-filled Steel Tubular，简称ST·C）、钢梁+压型钢板上现浇混凝土组合楼盖（Steel-Concrete composite，简称S·C）。

因此，凡采用带裂缝工作的混凝土构件（Concrete member），如钢筋混凝土（Reinforced Concrete，简称RC）构件、型钢混凝土（Steel-Reinforced Concrete，简称RC·S）构件，以及部分预应力混凝土（Partial Prestressed Concrete，简称PPC）构件时，均不能叫做钢结构，应视为混合结构。

1988年，我国高层首次采用混凝土（Concrete）核心筒+外钢框架（Steel Frame），即C+SF混合结构以来（图1），我国就大量采用混合结构，甚至在8度抗震设防区（北京国贸等）也如此。为何C+SF能够在我国大量采用，主要原因是：混凝土核心筒几乎承担100%的水平作用[7]（风、地震），具有很大的抗推刚度，容易满足水平侧移限值，设计无难度。但必须指出：由于混凝土与钢结构两种结构的结构延性比ς=Du/Dy相差很大[8]，前者仅ςc=3～4，后者高达ςs=7～9（图2）。因此，混凝土和钢两种结构的混合在强震作用下的结构性能表现，必须引起结构工程师的严重关注：强震后，同一幢高楼的两种抗侧力体系，一个（混凝土核心筒刚度大，地震力也大——第一道抗震防线）可能成为建筑垃圾，一个（钢框架）能修复（可持续发展），如何处理后事，值得深思！

图2 两种结构的延性比ς值

规范[1]P.385：“对于混凝土核心筒-钢框架混合结构，在美国主要用于非抗震设防区，且认为不宜大于150m。在日本，1992年建了两幢，其高度分别为78m和107m，结合这两项工程开展了一些研究，但并未推广。

1.我国规范（程）对高层全钢结构、混凝土结构和混合结构的高度限值[H]

表1 我国规范（程）规定的高层混合结构的高度限值[H]

由表1可见，我国四本现行规范（程）对高层混合结构的高度限值[H]是：6、7度的[H]≤220m，8度[H]≤140m，9度[H]≤95m。

2.我国超高层混合结构现状

我国400m以上的高层建筑采用混合结构体系好像已成为时尚。因为，混凝土核心筒的刚度极大，容易满足水平侧移限值，软件都可以计算，设计无难度。目前，我国部分高层混合结构工程如下：

2.1 广州新中轴线的三大高层混合结构（图3）

东塔是广州最高的高层混合结构——H=518.15m，美国KPE建筑事务所、奥雅纳工程咨询（深圳）公司设计，中国建筑第三工程局有限公司和中国建筑第四工程局有限公司承建，中建钢构有限公司钢结构施工。总建筑面积50万m2，总用钢量16.8万t（型钢10.8万t，钢筋6.0万t）。最厚钢板t=130mm（铸钢件厚度400mm），最大钢筋直径d=40mm。混凝土用量20万m3。

图3 广州新中轴线三大高层混合结构

2.2 上海陆家嘴的三大超高层混合结构（图4）

上海中心是上海最高的高层混合结构——H=580m。由美国Gensler公司设计，上海建工（集团）总公司总包。总建筑面积57.4万m2，钢材总用量10万t，最厚钢板t =140mm，最大钢筋直径d = 40mm。

图4 上海陆家嘴的三大高层混合结构

2.3 深圳平安大厦（图5）

平安大厦是深圳最高的高层混合结构——H=597m（不含天线高63m）。由美国KBF公司和CCDI悉地（深圳）国际设计公司设计，中国建筑一局（集团）有限公司承建，中建钢构有限公司钢结构施工。总建筑面积46万m2，钢材总用量10万t（型钢4.545万t，钢筋5.455万t）。最厚钢板t=150mm（铸钢件厚220mm），最大钢筋直径d=32mm。混凝土用量为27.8万m3。

图5 深圳平安大厦（n=118层，H=597m，不含天线63m）

2.4天津高银117大厦（图6）

n=117层，H=597m，总建筑面积85万m2，总用钢量18万t（型钢14万t，钢筋4万t）。混凝土用量为18.9万m3。

图6 天津高银117大厦

可见，我国超高层混合结构体系的型钢、钢筋、混凝土用料多，并不经济，且两种抗侧移体系的性能相差很大，型钢混凝土施工也很艰难。“全世界已建成的前十大高楼（至2012年）中，美国1幢（全钢结构），亚洲9幢，其中中国7幢”[21]——中国台湾101楼1幢（全钢结构），中国大陆6幢均为混合结构。

3.结语

3.1 美国高层混合结构“主要用于非抗震设防区，且认为不宜大于150m”[1]；“1992日本建了两幢：H=78m和H=107m，但并未推广”[1]；“1964年美国阿拉斯加地震高层混合结构楼房，曾发生严重破坏甚至倒塌”[7]。

我国规范（程）规定的高层混合结构的高度限值见表2。

可见，我国各地用500m～600m高层混合结构来狂热冲击高层建筑的高度（广州东塔maxH=518.15m、上海中心580m、深圳平安597m、天津117大厦597m），严重违背我国规范（程）的高度限值[H]，极其危险，且结构用钢和混凝土极大，劳命伤财。如，广州东塔用钢16.8万t，（其中型钢10.8万t，钢筋6万t），混凝土20万m3。非常笨重，型钢混凝土构件施工也十分艰难。质疑我国超限专家如何评审通过？！超出规范（程）限值3～4倍，是不负责任的表现！据说，某省将设计高层混合结构到1000m高，那就太不讲科学了。一旦发生高楼地震破坏，总理号召不惜一切抢救人的生命也就晚矣！

用高层混合结构狂热冲击我国规范[1]-[4]高层的高度限值，严重问题在哪里呢？——我国执行的是中华人民共和国住房和城乡建设部建质文件[5]，文件对高层混合结构高度的上限均未限制，只规定了抗震设防的各项技术性能指标。从而，我国高层混合结构的高度越做越高，结构越做越笨。为了达到技术指标：①设计人员只有无限度的加大结构尺寸和结构用钢量来满足文件中规定的各项指标，直到算够为止；②进行了模型抗震性能试验。看似万无一失、很科学，但是，由于混凝土和钢两种结构的混合在强震作用下的结构性能及延性比的差异和破坏机理，我国也极少进行混合结构性能研究，以及美国阿拉斯加地震高层混合结构破坏事实[7]，必须引起我国政府和科技人员的严重关注。设计是硬道理（轻量化设计），硬设计（笨重）就没有道理！

表2 我国规范（程）规定的高层混合结构的高度限值[H] （m）

图7 美国居世界前列的三个著名高层全钢结构建筑

3.2 高层全钢结构属于不开裂结构[6]，才是抗震性能好、轻量化的结构形式，才能设计得最高[8][9][10]。现代全钢结构的两大特点：①采用轻质高强材料；②采用现代结构分析方法——结构减震控制理论、结构稳定理论和预应力理论[11]。图7所示，美国居世界前列的三个著名高层全钢结构建筑，可见，随着它们高度的增加：H=381m（Empire State Building，帝国大厦）→H=416.966m（World Trade Center，世界贸易中心）→H=443.179m（Sears Tower，西尔斯塔），结构方案也在变化：框-撑→框筒→束筒，用钢量[7][12][13]反而在减少：206kg/m2→186.6kg/m2→161kg/m2，这充分说明高层全钢结构轻量化设计的高科技设计水平。

图8所示世界贸易中心轻量化的几个指标：

① 世界贸易中心的箱形钢柱尺寸小，且钢板薄[14]：箱形截面450×450×（7.5～12.5），3柱过渡到1个箱形柱（800mm×800mm），未设转换层；采用被动控制阻尼器；工地高强螺栓装配化（三层吊装单元）。总用钢G=8.41万t，建筑总重[7][15]P=40万t，从而，G/ P=0.21（优秀设计[16]G/P=0.2～0.3）；

② 美国世贸中心的风压值w=2.2kN/m2，顶点侧移仅为[14]：u=280mm，u/H=0.28/416.966=1/1489，刚度OK。

图8 世界贸易中心（美国纽约，1973）

由此可见，要想把高层建得最高且为轻量化，结构工程师应该明白：（a）正确选择抗侧力体系；（b）正确估计结构或构件截面尺寸。且应按美国、日本先进国家的方式，美国高层混合结构“主要用于非抗震设防区，且认为不宜大于150m”[1]——在强震区采用全钢结构，而非混合结构。

2001年9月11日（恐怖日），波音767客机击断钢柱，进入美国世界贸易中心 (World Trade Center)。1h后，南、北两楼先后塌落。2013年建成新世贸中心1号大楼（简称1 WTC），考虑到原世贸中心中央只有44条钢柱（图9a），顶不住飞机撞入后的上部建筑重力而塌落。1 WTC采用高层混合结构（纽约，非抗震区）。其结构高度与原南楼相同H=1362ft=415.318m，新、旧世贸中心的平面尺寸等数据见图9b。

中国高层混合结构的施工顺序是：超前施工混凝土核心筒，然后利用核心筒上的起重设备安装周边钢框架。

新世贸1号楼（1 WTC）的施工顺序是：先安装钢框架（包括混凝土核心筒内的钢构件），然后现浇混凝土[17]。具体分为四个步骤：① 钢框架；②金属楼板和现浇核心筒外的混凝土；③核心筒混凝土剪力墙；④核心筒内混凝土楼板。核心筒外缘要设置宽翼缘钢环形梁，以便在楼板和核心墙之间保持间隙，便于模板提升。每8层至12层按上述顺序作业。该施工顺序是结构设计的关键，因为它要影响不同构件间的连接方法和构造，特别是在混凝土核心筒墙和相邻部位之间。施工顺序也会影响塔楼的轴向压缩、计算方法和施工的补偿。在混合结构中，钢和混凝土的弹性变形、徐变和收缩效应的差异，轴向缩短更显得重要。核心筒中的框架柱在外包混凝土之前的缩短应仔细考虑，目的是在楼层施工完毕后应保持理论标高。承包商应调整周边钢柱与中心混凝土墙的标高差，对它们采用不同程度的增长，对于钢结构可以：①在制作时将柱子加长一点；②在现场按时加垫片，或在两者同时采用。塔楼结构是按2003 IBC的风荷载设计的，进行了一系列塔楼对龙卷风的反应以及对人体的舒适度研究。在不同阶段，在Rowan Williams Davies & Irwin 风洞试验室进行了高频力的平衡（HFFB）和空气弹性试验，也考虑塔尖的空气动力学试验和空气弹性试验。风洞试验考虑了周围环境的影响。鉴于1 WTC完工时，2、3、4号楼还没有完工，在办公楼最高层可能会遇到人体舒适度问题，结构设计也考虑了千年一遇的风暴。

上述两种高层混合结构的施工顺序，哪种更科学（附加应力少）很值得我们研究！否则，施工在结构中产生的应力和变形难以估计。

图9 世界贸易中心

表3 二、三、四观点[9][6][11]

3.3 我国结构工程师应努力实现全钢结构文化：

由图2可知，曲线有2个谐振点，分别位于低频处和高频处。当外加电磁波沿Z轴方向射入超材料，此时电场沿X轴极化，磁场沿Y轴方向。由于两侧金属环之间有一定距离且开口方向相反，在电磁波的作用下，2个金属环产生平行于开口方向的电偶极子和垂直于谐振平面的磁偶极子，并且二者的共振存在一定的相位差，因此在这种情况下出现2个不同的振动状态，即图2中的低频谐振和高频谐振状态。

① 现代全钢结构设计轻量化，即实现结构哲理：少费多用——用最少的结构提供最大的结构承载力。钢结构行业包括设计与施工（制造和安装），轻盈的钢结构必须从设计开始——设计是龙头。因此，在进行现代全钢结构设计时，不是简单地使用设计软件，而应该遵循钢结构轻量化的设计理论——二、三、四观点（表3），其中钢结构精心设计四大步骤中的前两步：a.正确选择结构方案；b.正确估计结构截面高度。否则，所谓的优化是徒劳的。作者认为，钢结构的用钢量是衡量结构设计优劣的最重要指标之一。不谈用钢量多少，狂热追求钢结构建筑亚洲第一高、世界第一跨是不科学的。我们要永远记住一个真理——设计是硬道理（结构轻量化），硬设计（结构笨重）就没有道理！

② 现代全钢结构建筑与绿色建筑必须挂钩——节材与环保。全钢结构最能实现产业化：钢构件制造（焊接）工厂化，工地高强螺栓装配化。

我国钢结构轻量化设计，任重而道远！

空谈误国，实干兴邦！

参考文献

[1] 住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范（GB 500 11-2010）.中国建筑工业出版社，2010

[2] 住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2010）.中国建筑工业出版社，2011年6月

[3] 中国建筑技术研究院.高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ 99-2012）.(报批稿)

[5] 全国超限高层建筑工程抗震设防审查委员会.超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（建质[2006]220号-建质[2010]109号

[6] 广东省标准.钢结构设计规程（DBJXX-XX，2014）.(报批稿)

[7] 刘大海，杨翠如.高楼钢结构设计（钢结构、钢-砼混合结构）.中国建筑工业出版社，2003年9月

[8] 王仕统.提高全钢结构的结构效率.实现钢结构的三大核心价值.钢结构，2010年第9期

[9] 王仕统.关于钢结构设计的二、三、四观点.中国建筑金属结构，2014年第4期