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     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。2.1.3 TMCP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。2.1.4 SN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。2.3 CFT结构(钢管

图4 CFT柱钢箍效应1-轴力;2-形成面内力;3-面向外凸曲

图5 钢管

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。

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,滑动支承

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。


超高层建筑技术发展现状

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,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)。

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