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图2 已竣工的超高层建筑排名(@CTBUH)

图3 世界最高建筑的竣工时间(@CTBUH)

小编认为,一栋建筑当它的高度造成在设计、施工以及使用上明显区别于同类较低的建筑时,那么就可以被定义为高层建筑。

2 超高层建筑的设计特点

超高层建筑与中低层建筑相比,结构不仅要承受重力荷载,而且要负担较大的水平荷载(如风荷载、地震作用等)。随着房屋高度的增加,水平荷载往往成为设计的控制因素。

简单来看,超高层建筑可以视为固定在地面上的一根悬臂杆件,在侧向荷载为倒三角荷载时,荷载效应与建筑高度的关系中,轴向力 N 与建筑高度 H 大致成正比,而结构弯矩和位移与建筑高度 H 呈指数关系。

图4 超高层结构内力及位移与高度的关系

根据CTBUH对历年全球最高的100座超高层建筑统计的结果,可以发现,在二十世纪之前,超高层建筑采用的材料均是以全钢结构为主。到了近年来,主要的超高层结构都是采用的是钢结构外框+混凝土核心筒的混合结构,以充分发挥两种材料的优势。

图4 历年全球前100超高层结构采用的材料占比(@CTBUH)

3 超高层建筑主要的结构体系

超高层建筑结构的受力特点决定了结构抗侧力体系选择合理成为结构经济性的关键因素。当结构到达一定高度后,每增加一层抵抗侧向荷载所需的结构材料要比中低层建筑要多得多。因此,超高层建筑结构体系主要采用抗侧更为高效的筒体结构及其衍生的结构形式,主要有筒体结构、束筒结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、巨型结构、连体结构和其它一些新型结构体系等。

图5 超高层建筑主要的结构体系

3.1 筒体结构

筒体结构可以定义为全部利用建筑的周边构件来抵抗侧向荷载的全三维结构体系。

筒体概念的最早是由SOM的法兹勒.坎恩(Fazlur Khan)提出的。利用筒体结构来抵抗侧向荷载是超高层建筑设计的一场革命。本质上这种体系是力求在建筑的外围形成一种三维的墙体结构。

图6 Fazlur Khan和其代表作西尔斯大厦

根据外框结构的布置形式,筒体结构可分为框筒,斜交网格筒,支撑筒

3.1.2 框筒

框筒结构是由布置在建筑周边的小柱距、高梁截面的密柱深梁组成,在概念上可以认为等效于一个连续的三维墙体。框筒结构在形式上是由建筑四周的密柱、深梁组成,其受力特点是一个地面上的悬臂多孔筒体,不同于一般的框架结构。

(1) 框筒的受力性能

为了更加清楚的说明框筒的受力性能,我们以下图所示的一个50层的由密柱、深梁组成的建筑为例。假设内柱设计只承担重力荷载,而忽略其抵抗侧向荷载的能力。其抗侧力体系主要是由密柱、深梁在空间上形成的筒体,如下图所示。

图7 框筒结构示意图

框架是平面结构,它主要抵抗与框架方向平行的水平力产生的层剪力和倾覆力矩。而框筒的受力却是空间的,在水平力作用下,层剪力主要由与水平力方向平行的腹板框架来承担,而层倾覆力矩则由腹板框架与垂直于水平力方向的翼缘框架共同承担。

平行于侧向荷载的框架起着多孔筒体的“腹板”作用,而垂直于侧向荷载的框架则起着“翼缘”的作用。竖向重力部分由外框架承担,部分由内柱或内筒承担。

当承受由于侧向荷载作用产生的弯曲时,受力的主要形式为一通常的竖向悬臂筒,在中和轴两边的柱承受拉力和压力。而平行于侧向荷载作用方向的框架承受平面内弯曲。

图8 框筒结构在侧向荷载作用下应力分布

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