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)。 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 |