1949年10月1日中华人民共和国的成立,是20世纪世界上最为重大的历史事件之一。伟大的中华民族从此粉碎三座大山的桎梏,走上民族振兴之路。70年沧桑巨变,中国发生了翻天覆地的变化,尤其是改革开放40年,中国插上了腾飞的翅膀,一举发展壮大成为世界第二大经济体。这个过程中,建设行业做出了巨大的贡献,同时建设行业自身也上升到了一个新的水平,总体实力和科技水平进入了世界前列。城乡面貌和人民生活发生了巨大的变化,而其中令人印象深刻的成就之一,是全国各地耸立的大量高层和超高层建筑。

　　 中国是世界第一人口大国,虽然疆域辽阔,但可供建设的土地面积有限。在城市化进程中,上亿农村人口涌入城市,更加重了建设用地的紧缺性。因此,在我国适度发展高层与超高层建筑,是一种不可替代的选择。而改革开放带来的经济高速发展,以及由此而形成的经济实力和技术积累,是高层建筑发展的基础。正是在这种条件下,出现了中国高层建筑飞跃发展,这也引起了全世界同行的瞩目。世界高层建筑与城市人居协会(CTBUH)的统计资料中有详实的数据表明中国在这个领域中的地位。2018年全世界范围竣工的高度200m以上的143座高层建筑中,中国有88座,占61.5%,连续23年位居世界之首。根据已经建成和在建项目推测的2020年全球最高的20栋超高层建筑中,中国共有11栋,中国已经当之无愧地成为世界高层建筑第一大国(图1)。

　　 中国高层建筑的发展,始于20世纪二三十年代。中国发展商利用了两次世界大战之间的有利时机,在上海、广州等沿海城市建设了一定数量的高层建筑,形成了上海外滩等高层建筑群,其中最具代表性的当属上海国际饭店。这座24层、高83.8m的钢结构高层建筑在技术上属国际第二代高层建筑,雄踞中国第一高楼位置近50年。与上海国际饭店同期建造的还有上海大厦、广州爱群大厦等一批知名高层建筑。然而这一趋势由于抗日战争的爆发而中止。

　　 新中国成立以后,迅速转入大规模工业建设,这一时期基本没有高层民用建筑。直至20世纪60年代末、70年代初,由于外事工作的需要,在北京、广州等城市建设了少量高层民用建筑,代表性的建筑有27层的广州宾馆、17层的北京饭店新楼以及高度突破百米的广州白云宾馆。这些高层建筑均为钢筋混凝土框架-剪力墙结构。值得一提的是80年代中后期,在北京、上海等地建设了一批高度在20层以下、钢筋混凝土剪力墙结构的高层住宅,采取了预制与现浇相结合的结构方案。北京称为“内浇外挂”,上海称为“一模三板”,属高层装配式住宅的早期尝试,代表性工程有北京前三门大街住宅及上海漕溪北路住宅。

　　 1978年党的十一届三中全会确定的改革开放方针,极大地推动了经济建设的发展,也带来了高层建筑的春天。80年代初在深圳等经济特区及沿海主要城市建成了一批标准较高的高层建筑,其中代表性的有深圳国贸大厦、广州白天鹅宾馆、上海华亭宾馆、联谊大厦等,这些项目的设计基本由国内设计师主导。

　　 在此期间我国颁布了《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规定》(JZ 102-79),适时地为高层建筑结构设计提供了技术支撑和引导。也是在此期间建工部组织了国内部分主要设计院协作编制结构分析用的系列软件,形成SPS软件库,其中包括排架、框架、框架-剪力墙结构等的专用软件,对结构分析电算化的逐步普及起到了积极的作用。为了满足广大结构设计人员学习与交流的需要,始自1975年的高层建筑结构技术交流会在全国各地轮流举行,延续至今且影响逐步扩大,对高层建筑结构设计技术的发展起到了积极推动的作用。

　　 随着改革开放的深入,设计市场也开始对外开放,一批国外设计事务所进入中国,他们带来了新的设计理念和技术。本土设计师在与境外同行合作设计过程中开阔了视野,也得到了提高。这个时期建筑高度进一步提升,结构形式更为多样,出现了钢结构和钢-混凝土混合结构的高层建筑,代表性建筑有上海新锦江大酒店、希尔顿大酒店、北京京广中心,京城大厦、深圳发展中心、南京金陵饭店等一批有影响的高层建筑。

　　 1990年国家宣布上海浦东开发,使浦东陆家嘴成为高层建筑建设的热土。东方明珠广播电视塔的建设是浦东新区第一个标志性项目。这个完全由中国工程技术人员设计建造的工程采用“大珠小珠落玉盘”的建筑形态和空间巨型框架结构体系,以及先进的施工方法,成为世界塔桅建筑中的一颗明珠。随后大量金融办公建筑同时开始建设,这些项目体量大、设计标准高、空间变化复杂、结构体系多样,吸引了大量国际知名设计事务所参与其设计。在短短的10年左右时间,建筑高度跨越了400,500m两个台阶。我国工程技术人员在参与建设的过程中其设计水平得到了很大提高。浦东陆家嘴CBD代表性建筑有金茂大厦、交银金融大厦、环球金融中心、森茂大厦、信息枢纽大厦等(图2);结构体系中包含了加强层、巨型空间支撑框架、弱联系双塔楼、悬挂结构及部分预制装配结构,体现当时国际水平的先进结构体系和技术得到比较广泛的应用。

　　 进入21世纪以来,改革开放的进一步深入和国力的增强使我国高层建筑的发展进入了一个新的阶段。地域分布进一步拓展,除一线城市及环渤海、长三角、珠三角地区之外,在很多二、三线城市也开始大量建造高层与超高层建筑,数量比较集中的有武汉、合肥、重庆、成都、西安、沈阳等城市。建筑高度进一步增加,建成了一批600m级的超高层建筑。结构体系多样化,当今世界上所有的超高层建筑结构形式,在我国均有建造。混合结构因其比较符合我国国情,继续成为应用最广泛的结构形式。钢结构也得到大力推广,尤其是在高层住宅建筑方面势头良好,出现了一些有中国特色的钢结构体系。性能化设计逐步应用于设计,消能减震技术和振动控制技术也在很多重要工程中得到应用。近20年的发展反映了我国在高层结构领域总体上已达到国际先进水平。近几年我国连续有一些项目(CCTV新台址、深圳平安金融大厦、上海中心大厦等)被CTBUH评为世界最佳高层建筑雄辩地说明了这一点。

　　 我国已经形成了比较完善的高层建筑结构设计、施工的规范和标准体系,对保证工程质量起了巨大的作用。

　　 近20年来中国超高层建筑和结构的发展主要呈现出以下趋势^[1,2]:

　　 (1)建筑高度不断被突破,在上海、深圳、天津、武汉立项了4栋600m级的超高层建筑,目前均已建成或基本建成(其中个别项目因非结构原因建筑高度有调整)。拟建的苏州中南中心建筑高度达到729m。

　　 (2)建筑的功能呈现出多样化和综合化发展,通常以办公、住宅、公寓及酒店为主要使用功能。

　　 (3)结构抗侧力体系以框架-核心筒为主并呈现出多样性,如连体结构、斜交网格筒、桁架筒以及钢板剪力墙等更高效的结构体系逐渐增多。

　　 (4)基于性能的抗震设计方法逐步普及,消能减震(振)技术在超高层建筑结构抗震或抗风设计中应用日益广泛,结构材料更加注重高强和延性。

　　 (5)由本土结构工程师自主设计的超高层建筑的数量和高度在不断增加,原创最高建筑高度已突破500m;本土工程师和国外事务所发挥各自优势,共同推动我国超高层建筑结构技术的发展。

　　 (6)开发商对超高层建筑结构的安全、结构造价和可持续性发展日益关注,并引入了结构设计第三方同业审核制度。

　　 超高层建筑结构抗侧力体系是决定超高层建筑结构是否合理和经济的关键。此外,随着建筑高度的不断增加,建筑功能越来越复杂,对结构抗侧力体系的效率要求也越来越高,对结构体系的创新也越来越迫切。超高层建筑结构抗侧力体系的发展除了从传统的框架、剪力墙、框架-剪力墙、框架-核心筒、框筒结构逐步向框架-核心筒-伸臂、巨型框架、桁架支撑筒、筒中筒、束筒等结构体系转变外,还衍生出交叉网格筒、米歇尔(Michell)桁架筒以及钢板剪力墙等新型结构体系,并进化出了多种体系杂交混合使用^[3]。结构材料也从纯混凝土结构、钢结构向钢-混凝土混合结构转变。

　　 结构体系呈现主要抗侧力构件周边化、支撑化、巨型化和立体化的特点。建筑业态综合化、高度不断突破、消防疏散等因素也促使其由单幢超高层建筑朝若干超高层建筑塔楼组成的“空中城市”以及连体结构发展。

　　 钢筋混凝土结构自重较大导致可使用楼面效率低,纯钢结构刚度偏弱导致用钢量高、结构造价昂贵。两种结构体系各自存在的不足限制了其在超高层建筑中的应用。除了超高层住宅或公寓外,当建筑高度超过250m时采用钢筋混凝土结构或钢结构的超高层建筑相对较少。20世纪90年代初设计的广州中信大厦为国内大陆建成最高的钢筋混凝土结构^[4],建筑高度391m(含屋顶60m高避雷塔),采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,底层剪力墙厚度1 600mm,结构自重达3.01×10⁶kN。目前国内已建成最高的纯钢结构为深圳汉京中心,建筑高度350m,采用核心筒完全偏置的钢框架支撑结构,其用钢量达到300kg/m²。可有效发挥钢与混凝土自身优点、适合我国国情的钢-混凝土混合结构逐渐增多。据中国建筑科学研究院(CABR)统计^[1],已建成的150m以上的高层建筑中,混合、组合结构约占22.3%;200m以上的高层建筑,混合、组合结构约占43.8%;300m以上的高层建筑,混合、组合结构约占66.7%。近年来混合结构发展更为迅速,2014年同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司对258幢建筑高度250m以上超高层建筑的结构材料进行了统计^[5],其中钢-混凝土混合结构占98.4%。国内500m以上高度的在建或已建的超高层建筑结构全部采用钢-混凝土混合结构体系(表1)。

　　 尽管如此,目前建成的钢-混凝土混合结构尚未经受实际地震的考验,结构阻尼比取值、整体结构的协调工作性能以及高性能结构材料的应用等仍需进行更深入和系统的研究^[1]。

　　 常用的超高层建筑结构抗侧力体系如图3所示。每种结构体系都有其受力特点、合理的适用高度以及适用的建筑功能。工程实践表明,框架-核心筒(伸臂加强层)一般适用于建筑高度150～300m的超高层建筑,巨型结构以及斜交网格筒等适用于300m及以上高度的超高层建筑。除了单位面积材料用量这一直接指标外,顶点位移、弯曲变形占结构顶点位移的比例以及可使用楼面面积的效率等也是评价抗侧力体系效率高低的重要指标。华东建筑设计研究总院(ECADI)对近80栋建筑高度在250m以上的混合结构的分析和统计表明^[6],结构竖向构件(外框柱+核心筒剪力墙)的截面总面积占底层建筑面积的6%～10%。

　　 我国超高层建筑大多采用以框架-核心筒结构为主的双重抗侧力体系,也有悬挂结构这样的单重抗侧力体系(图4(a))。以常用的框架-核心筒为例,无论外框架、核心筒还是斜撑、伸臂加强层等均有多种不同的组合和变化,体现出结构设计的多样性。

　　 外框架是形成建筑外轮廓的主要结构,同时承担在侧向荷载作用下的较大倾覆力矩和部分剪力。外框柱常常随着建筑体型变化而变化。外框柱通常采用斜柱、搭接柱或转换柱的形式适应建筑体型锥形化、退台等的内收,以满足建筑功能综合化带来的不同建筑功能下的不同进深需求。在扭转建筑体型中,外框柱沿高度每层旋转若干角度。

　　 追求抗侧力体系的高效率必然导致超高层建筑结构周边化布置。除了常规的稀柱框架外,外框架也有采用密柱深梁的框筒结构(柱网间距小于4.5m)以及巨型框架结构(外框柱数量不大于8个)。1)密柱框筒结构由美国SOM的Fazlur Khan在20世纪60年代率先提出。框筒结构经过一段时期的发展和冷落,近年来有复古回归的迹象。深圳证券大厦、北京国贸三期等均采用密柱框筒结构。在塔楼低区,密柱需要通过转换加大开间以满足建筑功能。深圳华润总部密柱和裙梁采用偏心布置以突出建筑竖向线条效果(图4(b))。2)巨型框架由巨柱和环带桁架组成,外框巨柱通过伸臂桁架与核心筒连接,强化整体弯曲效应。外框巨柱截面面积通常超过10m²,通过最大程度集聚楼面竖向荷载,以平衡水平荷载作用下倾覆力矩引起的拉力。因此巨柱轴压比相对较低,水平荷载作用下极少出现拉力,抗剪刚度小,其截面刚度需求高于承载力需求。环带桁架作为巨型框架的重要组成部分,兼具转换次框架的功能。南京江北绿地中心将拱结构代替传统的环带桁架,进一步提高环带桁架的结构转换效率(图4(c))。

　　 外框柱通常采用SRC柱、CFT柱以及CFRT柱(矩形钢管混凝土柱)等截面形式(图5)。其中SRC柱中钢骨大多采用实腹式型钢,含钢率4%～6%,而早期建设的金茂大厦以及上海环球金融中心等巨柱采用分离式型钢。武汉中心圆钢管柱(CFT柱)直径达到3m,对梁柱节点进行了专门研究。广州东塔和沈阳宝能金融城采用矩形钢管混凝土柱(CFRT柱),截面面积达20m²;天津高银117大厦的多腔钢管混凝土柱截面面积达到45m²,对其承载力、柱脚节点构造、抗火性能、焊缝构造等均进行了专项研究。

　　 核心筒结构贯穿建筑物全高,容纳了主要垂直交通和机电设备管道,并承担了大部分的竖向和水平荷载,通常作为超高层建筑的第一道抗震防线。随着建筑高区电梯数量和机电设备用房的逐步减少,核心筒面积也逐渐收缩。

　　 核心筒的布置除了传统布置在平面正中基本对称外,也有采用端部分离式筒体以及多个角筒组合而成(图6(a)),或者采用核心筒偏心布置的形式(图6(b))^[7]。

　　 核心筒结构除了少量全钢结构采用框架支撑筒外,大多采用钢筋混凝土核心筒。核心筒剪力墙通过双翼墙、斜墙以及减少墙肢数量或墙肢长度、核心筒开洞等方式相应收进,以适应高区核心筒面积不断缩小的需求。为了满足墙肢轴压比、减薄墙厚等要求以及提高抗剪承载力,在超高层建筑低区采用钢板组合剪力墙、钢管剪力墙或型钢混凝土剪力墙等。核心筒结构也有采用钢板剪力墙,如天津津塔^[8](图6(c))利用钢板屈曲后强度产生的张力场效应来抵抗水平荷载。为了提高施工速度,外包钢板剪力墙也在珠海十字门等工程中尝试应用。为了减轻塔楼结构自重,核心筒结构也有沿建筑高度采用混合结构体系,如上海环球金融中心(IFC)和广州西塔等工程在中低区核心筒采用钢筋混凝土剪力墙,高区核心筒则采用钢-框架斜撑结构。

　　 外框支撑主要以轴向受力抵抗水平荷载,充分发挥截面材料的效率。其布置形式也有多种变化,通常采用跨越若干楼层的巨型斜撑,既有上海环球金融中心的单斜杆巨型斜撑,也有香港中国银行和北京中信大厦的交叉斜撑。天津高银117巨型斜撑与竖向承重结构分离的形式^[9],一方面可使巨型斜撑仅承担轴向力,以最大效率抵抗水平荷载,另一方面也可弱化斜撑的建筑立面效果。集承重体系与抗侧力体系于一体的斜交网格筒结构也在超高层建筑工程中有所应用(图7(a))。

　　 除了传统的框架中心支撑,也在尝试应用高腰桁架筒(图7(b))或米歇尔桁架筒(图7(c)),进一步提升了支撑结构的效率。但结构材料的高效与对建筑立面效果的影响以及节点构造复杂程度需要进一步平衡。偏心支撑不仅能通过耗能梁段提高抗震延性,又便于核心筒建筑门洞开设,在钢结构核心筒体系中扮演了重要的角色。

　　 伸臂桁架充分利用外框柱的轴向刚度,极大提高了框架-核心筒结构的整体抗倾覆能力,在250m以上高度的超高层建筑中得到了广泛应用。

　　 伸臂桁架加强层的设置有效提高了塔楼结构的抗侧刚度,同时也引起了结构刚度的突变,而且对建筑空间以及施工周期都产生一定影响。因此,伸臂桁架加强层也是一把“双刃剑”。目前设计界有“效率优先”和“均匀刚度”两种观点,前者更注重伸臂桁架优化布置,如楼层位置、数量以及桁架的形式,后者更注重抗震延性,避免结构刚度突变。现行规范建议的伸臂桁架最优布置与建筑高度的关系是基于结构体型和刚度沿高度均匀变化且伸臂桁架刚度无限刚的假设。实际工程建筑体型和竖向刚度变化很多,因此应通过如顶点位移与基本周期(包含风荷载作用下对结构舒适度的控制)、层间位移角、核心筒承担倾覆力矩的比例及拉力等控制目标,对加强层的设置位置进行有效性(或称敏感性)分析,并结合建筑功能需求从而选择伸臂加强层的最优位置^[10]。

　　 环带桁架作为虚拟伸臂,可通过楼板的变形协调核心筒带动外框架承担更多的倾覆力矩。相对伸臂桁架来说,环带桁架抗侧效率次之,却也克服了上述伸臂桁架加强层存在的问题,在超高层建筑中也有较多应用。核心筒与外框架之间的楼板面内剪切刚度的加强和准确模拟是提高环带桁架抗侧刚度的关键所在。

　　 连体结构不仅给予了建筑师在立面和平面上充分的创造空间,同时也在防火和疏散方面提供了新的思路^[11,12],使得超高层建筑塔楼可以同时朝竖向和水平两个方向延伸(图8)。连体结构中的各组成塔楼可以在一定程度上突破传统结构设计中高宽比限制、平面和立面规则性限制等问题,使超高层建筑呈现更多的可变性。连体结构在提高多塔结构抗侧刚度的同时,也带来结构刚度突变、结构扭转效应、施工模拟、风环境以及抗震性能等新的技术问题,需要对具体工程进行有针对性的专门分析与研究。

　　 当建筑高度超过300m,建筑体型复杂以及建筑高宽比大于6时,风荷载往往成为超高层建筑结构控制水平荷载。横风向荷载不容忽视,建筑顶部舒适度不易满足,风洞试验、风荷载动力响应优化以及附加阻尼装置成为结构抗风设计的主要手段。

　　 建筑高度大于200m、高宽比较大、建筑体型复杂或地形和环境复杂时宜进行风洞试验或数值风洞模拟确定风荷载(图9)。数值风洞模拟结果受到数值模型本身和数值迭代算法等诸多因素影响,分析结果离散性较大,一般用于建筑方案设计阶段,用来探讨建筑体型变化对结构抗风性能的影响及优化建筑体型。常用的风洞试验方法有测压模型试验、测力天平试验、气弹模型试验和高雷诺数试验等。

　　 测压模型试验通过测压计测得作用于模型上风压力分布,一般用于确定主体结构上的风荷载和围护结构上的风荷载。测力天平试验通过测力仪测得作用于模型底部的整体弯矩,进而估算建筑物的风荷载和响应,不能用于局部结构和围护结构设计。

　　 如高度超过500m的超高层建筑或高宽比大于10的重要结构,宜通过气弹模型试验评估风致动力响应和风荷载。对表面为连续曲面不带尖角的建筑,如上海中心、迪拜哈利法塔等,其绕流状态随雷诺数有较大的变化,需通过高雷诺数试验,验证小比例边界层风洞模型试验的结果是否可以用于实际结构的设计。

　　 风洞试验中的地面粗糙度应结合实际周边地形和建筑物分布来设置。金茂大厦在90年代初设计时考虑了将来陆家嘴区域规划中周边上海IFC等拟建高层建筑的影响,与自身单栋塔楼相比其横风向响应增大33%。

　　 超高层建筑承受的风荷载效应较大,对抗风设计而言,减小风荷载比增大结构刚度和强度更加有效。因此超高层建筑抗风设计首先考虑减小风荷载,在建筑方案前期工程师就参与配合,与建筑师一起通过优化建筑形体和结构动力特性来减小风荷载,其对提高超高层建筑结构安全、经济性以及大楼使用品质大有益处。此外,由于横风向响应比顺风向响应对风向角更为敏感,因此超高层建筑的朝向优化往往更有实际效益。大量工程实例表明,超高层建筑的风向角折减效应能达到15%～25%。超高层建筑体型优化主要有以下几类:

　　 某超高层建筑在不改变整体建筑形态的前提下,风工程顾问通过风洞试验尝试了不同的塔楼平面角部处理方式,以找出降低横风向涡激幅度的方案。图10所列的角部凹口或切角的宽度达到平面宽度的10%～15%。与原设计方案相比,通过建筑平面角部优化,设计风荷载可降低25%左右。

　　 通过沿大楼高度改变塔楼宽度与形状等,造成漩涡脱落特性随高度变化,从而降低横风向涡激的相关性,破坏其共振条件。常用的方法有以下几类(图11):1)建筑宽度沿高度收缩;2)建筑立面扭转;3)建筑外形呈阶梯状退台;4)大体量的建筑物立面开洞。

　　 日本学者对大量超高层建筑结构阻尼比实测值结果表明^[13],高度大于250m的建筑结构的阻尼比在0.5%～1%之间,且随着结构高度的增加阻尼比逐步下降。在结构抗风设计中,由于结构固有阻尼比较难精确估计,因此一般采用较低阻尼比且相对保守地计算结构风荷载以及舒适度。实际工程通常通过加大结构抗侧刚度来满足舒适度要求,但往往结构造价不经济;另一途径就是设置减振装置,如调谐质量阻尼器AMD,TMD,调谐液体阻尼器TLD和黏滞阻尼器或黏弹阻尼器(如VCD等)等。

　　 调谐阻尼器对减小塔楼顶部风致振动有显著效果,已应用于如台北101大楼、上海环球金融中心、上海中心大厦等超高层建筑中(图12)。调谐阻尼器与主体结构质量比在0.5%～2.0%,与主体结构形成谐振即频率比接近1.0时,减振效果最佳。超高层建筑中调谐阻尼器通常仅用于减小风振加速度,提高风荷载下建筑物的舒适度,将阻尼器作为可能增加的安全储备,而不作为减小结构设计风荷载的手段。

　　 半主动的质量阻尼器AMD,可以较小的附加质量并在较小的风速下发挥减振作用。由于AMD需要额外的电源,在极端风荷载下,额外电源的可靠性就必须更为重视。

　　 上海IFC在塔楼394m的高度伸臂桁架加强层(94层)布置了两台阻尼器(图12(a)),总重约270t/台,尺寸(长×宽×高)为910cm×910cm×414cm。设置AMD后,在10年一遇风荷载下,塔楼顶部风致加速度由11.4gal减少到6.2gal^[14]。

　　 上海材料研究所和加拿大RWDI风工程顾问合作,将电涡流阻尼技术引入到传统的摆式TMD中,设计了一个电涡流阻尼器(EC-TMD)以减少上部楼层的风致加速度(图12(b))。上海中心大厦的EC-TMD位于塔楼125层,质量块重1 000t,广义质量比约0.96%,吊索长度20.6m,频率比约99.3%。设置TMD后,塔楼顶部10年一遇风荷载下的风致加速度从8gal减少到4.3gal。

　　 利用塔楼顶部的消防水箱作为TLD不会给主体结构带来附加质量,同时节省造价。TLD的水箱质量一般为主体结构的0.5%～3.0%。苏州国金中心(图12(c))TLD水箱位于塔楼93层,内部尺寸(长×宽×高)为19m×16.3m×4.2m,静水深约为1.92m,可以提供约600t的水。风洞试验结果表明,安装TLD后塔楼顶部10年一遇风荷载风致加速度可从17gal减少到12gal。

　　 动力弹塑性分析技术的发展,使基于性能的超高层建筑抗震设计成为可能并日趋成熟。模拟振动台试验仍是研究超高层建筑抗震设计的重要手段之一。消能减震装置(阻尼器)使得超高层建筑抗震设计已从单纯的“抵抗”向“消减”转变。

　　 2010年出版《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)正式提出性能化抗震设计的理念。基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展,使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标转变。超高层建筑设计因其独特的重要性和敏感性,是抗震性能化设计思想和设计应用的最初落脚点,并在抗震性能化设计的具体应用上起到引领性作用。

　　 抗震性能化设计不再只是关注小震水准的设计要求,同时也对其他不同重现期地震作用下的结构行为与性能要求予以足够的重视,特别是更明确地强调建筑结构在大震作用下的结构弹塑性变形发展、预期结构性能与倒塌防止控制等方面,提出了基于静力或动力的弹塑性分析要求。动力弹塑性时程分析作为抗震性能化设计的一项重要内容和手段,关键的几个问题是分析模型建立、地震波的选择、时域积分算法和计算结果的合理评价。

　　 目前我国建筑结构性能化抗震设计没有考虑结构延性对结构承载力以及构造要求的影响。因此也有学者^[15]建议调整并明确结构抗震设计三水准性能化目标的具体要求为:计算结构弹性变形,保证“小震不坏”;考虑不同结构延性确定地震作用(承载力要求),验算结构承载力,并根据结构延性要求确定结构构造要求,以保证“中震可修”;验算结构弹塑性变形,保证“大震不倒”。

　　 近20年来国内相关科研院所进行了数百栋实际工程的模拟振动台试验研究(图13)。CABR根据28幢不同地震烈度、建筑高度及结构体系的超高层建筑振动台模拟结果分析^[16],得出以下结论:在不考虑非结构构件破坏前提下,模型阻尼比随地震作用增强基本呈线性增大,实测模型阻尼比均值分别为小震2.66%,中震3.09%,大震3.58%;模型刚度随地震作用增强发生退化,根据刚度退化反算连梁刚度折减系数均值分别为小震0.39,大震0.19;水平加速度沿建筑高度放大效应比较明显,尤其在塔楼0.8H(H为结构高度)以上部位的不规则结构布置处。CABR首次对设置了屈曲约束支撑和黏滞阻尼器等减震措施的昆明春之眼主楼进行了1∶35的缩尺模型振动台试验^[17];同济大学应用多功能振动台阵对重庆来福士广场四塔楼高位减(隔)震连体结构进行了1∶25模型振动台试验^[18]。

　　 近年来随着减震技术的发展,在超高层建筑结构设计中采用消能减震技术成为一种新的抗震设计思路。地震作用下,通过在结构中设置减震装置(阻尼器)来消耗能量,减少主体结构承担的地震作用,有效地保护主体结构在地震作用下的安全。

　　 超高层建筑消能减震常用的阻尼器主要有位移型阻尼器、速度型阻尼器以及混合型阻尼器(Viscous Compound Damper, VCD)三种。位移型阻尼器主要是金属阻尼器,包括防屈曲支撑(BRB)、防屈曲钢板墙、剪切型软钢阻尼器和耗能连梁等,主要用于结构减震。速度型阻尼器主要为黏滞阻尼器,不提供结构刚度;但在变形很小的情况下,黏滞阻尼器就开始耗能,减小结构动力响应,因此可以用于抗风、抗震和提高塔楼顶部舒适度。减震阻尼器布置在相对位移或相对速度较大的楼层,同时采用套索或悬挑桁架等措施增加阻尼器两端的相对变形或相对速度,以提高阻尼器的减震效率。针对不同的地震水准要求,可混合应用不同类型的减震装置。

　　 人民日报社报刊综合楼(图14(a))采用了890根屈曲约束支撑,最大屈服承载力为6 650kN。大震作用下结构的基底剪力约为小震的3.5倍,主体结构仅为中等破坏,且主要集中在屈曲约束支撑和框架梁上。

　　 昆明春之眼主楼(图14(b))建筑高度407m,塔楼综合应用了悬臂式黏滞阻尼器、屈曲约束支撑以及巨柱间跨层布置的黏滞阻尼器等多种混合减震装置,有效降低地震作用,在罕遇地震下最大变形可减少25%。

　　 上海世茂国际广场在塔楼和裙房之间的防震缝内设置黏滞阻尼器^[19],减少裙房结构的扭转变形并降低地震作用,也是消能减震技术在相邻建筑中首次应用,为消能减震技术的应用开拓了更广泛的空间。

　　 随着计算分析手段的不断丰富,结构工程师对超高层建筑结构的受力特点有了更深的认识。结构分析技术从早期的定性、简化计算朝定量、精细以及直接分析法方向发展。

　　 超高层结构分析软件选取需根据结构类型、结构特点、软件功能、前处理和后处理的便利性综合确定。弹性计算分析软件广泛采用国产商业化软件如SATWE,PMSAP,YJK以及国际通用程序如ETABS,MIDAS,SAP2000等。弹塑性分析软件主要有国内自主开发的EPDA,SAUSAGE以及PERFORM-3D,ABQUS,LSDYNA等大型非线性分析程序。超高层建筑结构分析通常采用两种不同软件完成,并相互校核。

　　 超高层结构构件截面尺寸较大,截面形状复杂,约束条件多种,且往往采用组合截面,结构分析对结构构件的模拟需依据假定合理和简化计算的原则,充分考虑巨型构件的“尺寸效应”,如刚域对结构刚度的作用、约束条件、偏心力矩以及构件承载力的验算。

　　 巨柱具有截面尺寸大、不对称、单边收进、多构件相连且相连构件不汇交截面形心等特点。巨柱可根据其截面类型、约束条件、计算量的大小分别采用杆单元、壳单元或实体单元模拟。

　　 钢筋混凝土剪力墙墙肢通常采用壳单元并根据墙肢尺寸大小进行适当的剖分。核心筒墙肢长度收分时,在轴向力作用下墙肢的内力突变以及对周边结构的内力重分配以及附加变形等需要充分考虑。

　　 连梁根据跨高比大小可采用梁单元或壳单元,抗震分析时考虑刚度折减。当连梁高度较高,采用梁单元无法反映连梁对墙肢的实际弯曲约束时,一般采用壳单元模拟。

　　 楼板分别选用膜单元、壳单元和刚性隔板假设等,以满足楼板对结构构件刚度影响、横膈作用以及以轴向受力为主的结构构件的承载力验算等不同需求。

　　 其他结构整体分析采用的计算参数如阻尼比(包括抗震和抗风)、周期折减系数、嵌固层的假设等根据结构高度、结构体系、建筑功能以及地下室约束程度等分别确定。

　　 近年来我国超高层建筑结构高度增加及体型复杂,计算分析手段先进和丰富,以及对结构设计认识不断加深,在此背景下,有必要对结构控制指标再思考和进一步研究^[20]。

　　 近80幢高度超过250m的超高层建筑的结构分析统计表明^[6],其平均质量分布在13～21kN/m²之间,且建筑高度越高,平均质量越大。对于400m以上的超高层建筑,平均质量分布在17～21kN/m²之间。此外,超高层建筑平均质量大小与塔楼高宽比、塔冠虚高比例、结构体系以及水平荷载等综合因素有关。

　　 CABR^[21]以我国414栋已建或已通过超限审查的高层建筑为数据源,统计分析了我国高层建筑自振周期的分布规律,在满足我国设计规范对结构整体稳定性、位移限值以及最小剪重比等要求基础上,结构自振周期的合理分布范围为:当结构高度H≥250m时,基本周期T₁在$0.3\sqrt{{\rm H}}\sim 0.4\sqrt{{\rm H}}$之间;当150m≤H<250m时,T₁在$0.25\sqrt{{\rm H}}\sim 0.40\sqrt{{\rm H}}$之间。这为宏观上把握我国超高层建筑结构刚度和质量提供了参考数据。

　　 层间位移角限值是反映结构刚度和稳定性的综合性指标。当建筑高度较高、高宽比较大以及水平荷载较大时,层间位移角往往成为结构控制指标。对建筑高度高于150m的超高层建筑,我国按结构构件采用弹性刚度,考虑无害位移(整体弯曲变形)影响的总层间位移角进行简化控制。但此方法有较大的局限性且偏于严格。如何考虑超高层建筑结构中非结构构件对抗侧刚度的贡献,可否采用基于区格的广义剪切变形算法,复杂建筑形体中在结构自重荷载作用下产生的水平变形与水平荷载引起的变形是否叠加等问题都有待进一步讨论和深入研究。

　　 超高层建筑结构基本周期较长,场地特征周期T_g较小时,剪重比(即《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中地震剪力系数)往往难以满足规范相关要求。工程设计领域对剪重比限值问题进行了深入讨论,普遍认为“超高层建筑剪重比不满足要求时,可采取增大楼层设计剪力的方法以代替结构刚度调整,或采用合理的计算参数或计算方法,如足够多的振型数,避免采用Ritz法等,并建议在确定剪重比限值时综合考虑场地土、结构高度等因素的影响”。

　　 另外,建筑体型复杂或沿高度质量分布不均匀时的刚重比计算方法,框架-核心筒结构中核心筒承担倾覆力矩超过60%时核心筒剪力墙墙肢的轴压比限值,巨型框架承担的外框地震剪力调整等超出了目前现行规范或标准的计算和分析假设或已有的试验研究基础,需要根据实际结构的具体情况做专门分析和研究。

　　 对超高层建筑来说,一次性加载条件夸大了在结构上部和顶部由于内外竖向构件的竖向变形差异,引起连接竖向构件的刚接水平构件(例如刚接梁、伸臂桁架刚接弦杆、腹杆等)产生较大的附加内力,导致内力结果失真。采用刚度逐步成形的施工模拟分析方法可以解决上述问题。此外刚性连体结构、大跨转换结构、悬挂结构等计算分析也要考虑施工模拟。

　　 超高层建筑中的伸臂桁架斜杆、巨型斜撑以及受力较大的关键构件通常延迟安装,从而有意识地控制这些构件的内力分布。施工模拟分析可以准确模拟结构刚度形成与荷载施加过程中构件受力与变形的真实情况,从而为构件设计与施工变形控制提供可靠依据。

　　 如:1)CCTV新台址主楼采用钢支撑筒结构,共有10多根关键构件(包括框架柱和支撑)在施工过程中延迟安装,且安装顺序及时机预先确定(图15)。关键构件的延迟安装主动控制了竖向荷载下结构力的流向,使得筒体的角柱截面更加合理,避免吸收更多的地震作用^[22]。2)天津高银117大厦(高度597m)外框采用巨型支撑筒,斜撑与次框架承重结构分离布置。巨型斜撑延迟于主体结构安装,可显著减小由于巨柱压缩变形对巨型支撑的附加轴力(图16)。

　　 施工模拟分析时考虑混凝土构件在长期荷载作用下收缩徐变的影响,可提供更准确的竖向构件压缩变形及差异的结果。构件竖向压缩变形也可为楼面标高补偿以及确定构件下料长度预调值提供可靠依据(图17)。

　　 在软土地基上建造的强连接连体结构,当各塔楼之间存在差异沉降,连体部分就会产生较大的附加内力;框架-核心筒结构基础通常出现“锅底沉降”,也会加剧连接核心筒和外框架的伸臂桁架的附加内力。当嵌岩桩桩长较长,且基底岩面起伏加大时,长短桩桩身压缩差异导致上部结构产生较大的附加内力。基础不均匀沉降与结构施工过程和加载历程有关,因此应考虑施工过程的影响,通过施工模拟来详细分析结构的附加内力。

　　 除了上述结构整体分析外,对于超高层建筑结构关键构件失效引起的防连续倒塌分析,大跨楼盖或连廊竖向振动分析,复杂节点的有限元分析,作为抗侧力体系中起变形协调的楼板应力分析、钢结构抗火分析、复杂截面和受力状态下构件承载力验算等专项分析技术日益成熟,为超高层建筑结构的安全性、鲁棒性以及舒适性提供了可靠支撑。

　　 超高层建筑高度更高、建筑体型更加复杂、结构效率更高的发展趋势给结构设计带来了挑战,设计院和科研院校相互结合,进行了大量的相关研究工作,主要在结构新材料、新型构件及节点方面,研究手段主要是试验研究和计算分析。

　　 目前C60以上高强混凝土已广泛应用于超高层建筑结构,国内最高混凝土强度等级已达C100。天津高银117大厦将C60高强混凝土成功泵送至621m的高度;轻质混凝土楼板的采用,进一步减轻了超高层建筑结构自重;自密实混凝土解决了超高层建筑结构构件截面钢筋布置密集、混凝土振捣困难的施工难题。高性能混凝土材料既可以减轻结构自重,又可以提高混凝土耐久性以及施工可行性。

　　 屈服强度Q390,Q420以及Q460高强度钢材也已成功应用于如CCTV新台址主楼等工程实践;屈服强度波动范围小、可焊性及抗震性能更好的GJ系列钢材已普遍用于超高层建筑结构;Q600钢、耐候钢、耐火钢以及施焊时不需预热的超厚钢板等新型高性能钢也在研制和开发。

　　 此外,低屈服点钢材(钢材屈服强度100～160N/mm²)具有高延伸率、屈服强度稳定等特点,已普遍在BRB支撑、防屈曲钢板剪力墙等应用,成为结构抗震的保险丝,保护主体结构在中、大震下免于破坏。

　　 正火状态交货的可焊铸钢以及锻钢等在伸臂桁架与核心筒连接等节点中已有所应用,也为超高层建筑结构中大承载力、多杆件汇交的复杂节点构造设计提供了新的选择。

　　 除振动台模拟试验和风洞试验外,众多超高层建筑工程进行了大比例构件和节点试验研究,以验证结构的安全性和可靠性,并为结构设计提供参考。

　　 CABR结合振动台试验及模型静力试验相关计算分析工作,完成了关于转换层、加强层、体型收进、带悬挑结构、连体结构等复杂高层建筑结构的研究应用,为我国复杂高层建筑设计提供了依据。针对混合结构和组合构件应用广泛的特点,开展了分离式型钢混凝土组合柱、钢板混凝土组合剪力墙、带钢斜撑混凝土组合剪力墙、内藏钢桁架混凝土组合剪力墙等多种形式的研究工作^[23]。

　　 ECADI和国内科研院所及高校合作,对超高层建筑工程中关键节点或新型结构进行了大量缩尺模型力学试验(图18),如上海环球金融中心巨型斜撑与巨柱连接节点、武汉中心伸臂桁架与核心筒的连接节点、CCTV大楼高含钢率SRC柱受力和变形性能以及蝶形节点受力性能、天津津塔考虑屈曲后效应钢板剪力墙的抗震试验、天津高银117大厦巨型BRB支撑受力与变形试验、巨型钢管混凝土组合柱防火性能试验、天津周大福蝶形铸钢节点试验等都取得了丰富的成果。国内其他设计及科研单位针对CFT巨柱钢和混凝土共同工作机理、钢管混凝土剪力墙、外包钢板剪力墙受力性能以及自复位结构等也进行了专项试验和研究。上述结构试验和专项技术研究成果对超高层建筑结构关键技术的应用或改进起了至关重要的作用,一方面确保结构安全、合理,有力地提升了工程项目的设计品质,另一方面也填补了国内设计规范或标准的部分空白并在其他工程实践中推广应用。

　　 另外,上海中心大厦、天津周大福大厦等设置结构性态监测系统,在施工过程和使用阶段的监测结果(如结构阻尼比、周期等动力特性、基础沉降、塔楼加速度、变形以及关键构件的应变等)用以验证结构设计的合理性,或改进结构的设计方法。

　　 综上所述,新中国成立70年来在高层建筑结构领域的发展成绩是巨大的,笔者郁于自己有限的经历,难免挂一漏万,但足以令人自豪。尤其值得欣慰的是在此领域中一大批不同年龄层次的技术骨干已经成长起来,他们基础扎实、勇于创新,可以相信他们一定能把中国的高层建筑结构推向新的高峰,使我国真正成为这个领域的强国。笔者认为我国超高层建筑结构在几个方面的发展仍将持续相当长的一段时期。

　　 (1)千米级大楼、大高宽比(大于1∶10)、倾斜体型、扭转体型、核心筒偏置等复杂形体的超高层建筑以及由超高层建筑群组成的“空中城市”将给结构设计和施工提出更大的挑战。

　　 (2)调谐质量阻尼器和黏滞(黏弹)阻尼器将在更多的超高层建筑中应用,其提供的附加阻尼弥补了现行规范可能高估超高层建筑结构固有阻尼而存在的风险。超高层建筑抗风体型优化将由单一减少风荷载措施向综合措施方向发展,如建筑体型风致响应优化+MIA(振型干预方法)^[24]。风致振动控制将由单一的TMD制振向联合制振方向发展。

　　 (3)建议进一步开展超高层混合结构体系在高地震烈度区的抗震性能研究。在高地震烈度区优先采用全钢结构或在混合结构中设置消能减震装置。超高层建筑中采用层间隔震+减震技术给抗震设计提供了新的选择。包含自复位结构、摇摆结构以及可更换构件等可恢复功能的结构体系,可以实现既定的地震可恢复功能,具有广阔的工程应用前景^[25]。在中、低地震烈度区,建议考虑超过现行规范规定的超大震地震作用。

　　 (4)建议对超高层建筑结构设计控制指标如长周期地震作用、结构层间位移角、刚重比、剪重比、外框承担剪力比、核心筒轴压比等作进一步研究,以保证结构安全的同时,降低结构材料用量。

　　 (5)钢-混凝土组合巨柱、超长大承载力的斜撑、超厚的基础筏板及混凝土剪力墙等巨型结构构件的设计方法、节点构造以及施工可建性等已超越了现行规范或标准的范围,需要进一步的理论分析、试验研究、结构性态监测和工程实践来验证及完善。

　　 (6)建议加快高性能混凝土(C70及以上混凝土)、轻质混凝土以及高性能钢材(Q500以上)在超高层建筑结构中的可行性研究^[26]。

　　 (7)“千米级摩天大楼”^[27]、“英里塔”计划、 “4D”超高层建筑、超高层建筑木结构、UHPC(Ultra High Performance Concrete)及再生混凝土以及模块化超高层建筑等新理念和新技术,为我国超高层建筑的发展提供了新的方向。