我国高层建筑钢结构的发展及展望

ｉ　折江建筑２Ｄ０２年增刊（总第１１１期）　：　：　．　＿　绫国高层建筑铜　佝钓发展殷展望　居荣初　周鹏洋　（杭州大地网架带ｊ造有限公司萧山３１１２１５）　张才傲　（渐江省玉环县建设委员会玉环３１７６￣０）　，前言　我国钢结构建筑在近十年来空前发展，其中以房　矣霎　嚣　太桥，是一座跨度１２８ｍ×９孔的菱形腹杆铆接桁梁　屋建筑钢结构及桥梁建筑钢结构最为典型。而前者又　以高层建筑钢结构及轻钢结构更为突出。各种类型的　桥。全长１６７０ｍ，由我国山海关桥梁厂制造，钢材由　前苏联进口。至于高层建筑钢结构，只是近年来才有　空间结构、网架结构、轻钢结构更由于其优点十分明　显，在－Ｉ＂程中应用日益广泛。　我国的钢结构建筑经历了几个不同的发展时期。　在建国初期，重型工业厂房太多采用钢结构，在民用　零的突破。白上世纪６０　８０年代，可以说是钢结构　的低潮期，除了一些特殊建筑以外，几乎很少采用钢　结构，国家在导向上又提出节约钢材的，以　适应当时我国钢产量较低的情况。　｛　ｌ　建筑方面仅有一些大型公共建筑，如北京体育馆，采　采用高孵ｍ、跨度６０．９ｍ钢屋架，其余民用建筑应用　白８０年代以来，以经济建设为中心的改革开放　发展，使钢结构建筑也巳由衰落迈向新的发展阶段。、　ｊ　用了５７ｍ的双铰拱、北京人民太会堂中的万人礼堂　，深得人．　。尤其是９０年代以后，建设事业蓬勃　表１我国具有代表性的高层钢结构及钢一混凝土高层建筑　工程名称　盎茂大厦　地王大厦　赛格广场　浦东国际金融大厦　国际航运大厦　京广中心　森茂大厦　上海交行鱼融大厦　地点　上悔　棵彗ｌ】　上悔　上海　北京　上海　上海　高度　层敦　建筑面积　总用钢量　（ｒｒ１）　地下　地上　＜万　）　（Ｉ）　４∞　∞８．６　瑚　２１０　猫　１％　１９７　３　４　３　３　３　３　４　８８　８ｌ　７ｏ　５３　４８　５７　４８　４８　１９．８　ｌ４．　１５．８　ｌ２　ｌ０　ｌ３．７　１ｌ　结构形式　建成年份　１９９８　１９９６　１９９８　１９９８　１９９８　Ｉ９９０　１９　｛　：　１４０００　钢箭混凝土棱心筒．外框钢筋混凝土柱殛钢柱　２４５ＯＯ　钢箭混凝土棱心筒．外框锕结掏　１００００　Ｉ１０ＤＤ　螂　ｌ９００Ｄ　８０００　钢箭混凝土棱心筒．外框镪管混凝土　钢箭混凝土棱心筒．外框钢结构　钢箭混凝土棱心筒，外框锕结掏　钢框架．带边框钢筋混凝土剪力墙　钢箭混凝土棱心筒，外框钢箭混凝土结构　钢筋混凝土棱心筒。外框钢结构　深圳　粥．９５　３　｛　ｌ　Ｉ　＾　１９９８　京城大厦　上海力宝中心　世界叠融大厦　北京　上海　上海　１犯　１７２　１６５．５　４　２　３　５２　４０　４３　１１　８．３　１姗　３３００　钢框架一羽支捧（外包钢筋混凝士）　钢框架，现挠钢筋混凝土棱心筒　钢裁混蕞土棱心筒。外框钢裁棍凝土拄　１９９１　１９９８　１嘶　Ｉ　耀圳发展中心　搠贷大厦　新金桥大厦　上海银冠大厦　深圳　上海　上海　上海　１　１５７：７　１５彳　１５６　２　３　２　４　４８　４３　＿　５．６　Ｂ．５　４　螂　鳓　７０００　钢筋混土柱心筒．外框钢结构　钢筋混土棱心筒．外框钢结掏　钢筋混土棱心筒，外框锕结构　钢框架、§　性拄　ｌ￣Ｊ｛Ｉ　１９９７　１９９６　ｌ螂　３８　３８　北京国贸中心　中国保障大厦　上海锦江饭店　世界广场　上海希尔顿饭店　上海国贸中心　上海证券大厦　上海瑞金大厦　大连森茂大厦　ｌ４・　，　北京　上悔　上海　上海　上海　上海　上海　上海　大琏　１５５．２　Ｉ５４　１　Ｉ．ＳＯ　１４４　１４２　１２０．９　１０７　１∞　２　３　１　２　ｌ　２　２　１　２　剪　３９　４６　４３　３７　２７　２７　２４　Ｂ　６　６．６　４　８　５．２　９　９．８　３．２　４．６—　１　００Ｄ　１２∞　７５００　１１０∞　４ＯＯＯ　１｛￣７４０　∞∞　舢　３∞０　内、外钢框槊一钢支撑筒体　钢筋混凝土蒋体，钢桁架桨　钢框架一钢支捧及钢扳剪力墙　钢框絮一钢支捧　钢筋混凝土棱心筒．外框钢结构　钢框槊一钢支撑　钢筋混蕞土棱心筒．巨型钢框架一钢支捧　钢筋混凝土棱心筒．外框钢结构　釉混凝±一钢支撑　，　ｌ９９８　１９９８　１９８９　１９９７　３８　‘　１０　・维普资讯 http://www.cqvip.com

目前已呈现出５０年来未曾有过的兴旺现象，１９９７年　我国钢产量突破１亿ｔ，连续几年的发展，数量上已　跃居世界首位，钢结构以其自重轻、基础造价低、安　简结构，外框是密柱周，可构成空间作用，内简是｛　支撑的钢框架结构，整个结构有较均匀和足够的剐ｆ　和较好的延性。　装容易、施工快、周期短、投资回收快、施工污染　少、抗震性能好等综合优势而得到主管部门的重视，　（４）铜框架一钢筋混凝土核心简混合结构：这ｊ　形式在自重轻和施工进度快方面优于混凝土结构，ｉ　从而促进了建筑钢结构的迅速发展。　．　在造价方面又优于纯钢结构，因此近年来在高层钢｛　构建筑中被大量采用。此种结构的侧向剐度主要取｝　于核心简的高宽比从抗震的抗风角度考虑其高宽ｌ　，２我国高层钢结构的发展概况　高层建筑钢结构在建国５０年来起步是较晚的，　－　始建于１９８６年的北京香格里拉饭店，是钢与混凝土　的混合结构，内简为钢筋混凝土结梅，１９８７年完工，　不宜超过ｌＯ。表２为部分钢一混凝土筒混合结构ｊ　心筒高宽比。　表２部分钢一混凝土筒混合结构核心筒高宽比　高８２．７５ｍ．箅是首座钢混建筑。高ｌ６５ｍ的深圳发展　中心大厦，是我国第一瞳超过１０ｏｍ的钢结构高层建　筑，这两幢建筑的建成，揭开了我国高层钢结构建筑　金茂　地王　世界金　新盘桥　希尔顿　证券　期货　。上　亡　大厦　大厦　融大厦　大厦　饭　大厦　大厦　ｌ４３　６　ｌ２０　ｌ５７　ｊ５．４　９．３２　１３　５　ｊ２　４　８．９　ｊ３　核心倚高（　）　４１８　磷　１７６　１　的序幕。深圳特区钢结构建筑的兴起提供了可以借鉴　的范例。表１为我国北京、上海、深圳等地兴建的具　棱心倚竟（　）　２７　ｌ２　ｌ２　４　ｌ７５　．．．　１５．船　２４　ｊ３　９６　８　９７　有代表性的高层钢结构及钢一混凝土高层建筑。它们　的高度均在１００ｍ以上。我国高层钢结构建筑的主要　８５Ｏ　２１∞　ｌ∞Ｄ　９∞　５ｏＯ　４００　５２０　望　。　年开始　兰　譬璧　：　登　兰　体苎　（５）巨型钢框架结构：近年来发展的巨型框架２　日　ｉ构形　磊　．中萎　；　美　＿土芰　ｊ　三　竺　的篓　￣－ｌ－，　堂　竺　该中心　耄装竺　美　芏　写茎磊　南　皇　；　言　王　…篓　：　震周期为２，９ｓ，　竺　时　磊　辜　：　：　：　　０竺苎　釜，‘　１…２．０．　：　。　ｔ　９５，兰　．向　度　现要钢结　在相距　塔　第　：。　釜乏　ｊ　ｌ｛　构　点是警竺刚度均匀：．　！拿　毫　当　范．’：，纯孽架结　横向巨型桁架体系相连，９毒以上由裙房连接，构　制作安装简单，以用于　了直型框　：塔楼　有钢筋混凝土核　：　　ｌ作用下　Ｉ／２　．￣，一。　、ｆ瓤　增罐　ｒ　曩鞠栩　承ｉ翻■■瞄嘲暖娜■啊—■鼢ｇ’锄圈—＿嘲圈糖湖鹾　鐾薷ｊ　螽　维普资讯 http://www.cqvip.com

｝　结构是必然的趋势，其综合经济优势十分明显，下面　侧力结构截面较小，较钢筋混凝土结构可增加使用　拟从结构造价、施工速度、有效建筑面积占有率及抗　积；高层建筑中管道很多，如采用钢结构，可在粱　震性能对比等方面和钢筋混凝土建筑作一比较。　开孔以穿越管道。在楼层净高相同的情况下，钢结　（１）钢结构造价分析：就结构材料而言，钢材比　的楼层高度可比混凝土结构的楼层高度小，从而减　混凝土贵，故一般认为：与混凝土结构相比钢结构不　外围护墙面积，并减少室内空调所需能量，减少建　经济。这是孤立地看待问题的结论，没有系统考查其　维护、使用费。从而当在建筑总高度确定的条件］　综合经济效益。一个高层建筑工程的总投资除用于高　采用钢结构可比混凝土结构多造几层，因而增加了　层建筑本身的造价外，还要用于征地和动迁，并且随　筑面积。除此而外，在粱高相同的情况下，钢结构　着城市化进程的加快，此类费用将越来越大，考虑一　开间可比混凝土结构的开间大５０％，从而可使建　般情况，工程造价约为工程总投资的５０％。其次，　布置更加灵活。　建筑装修标准和建筑内部设备的标准越来越高，占工　（４）钢结构有较好的抗震性能：钢结构的延性　程造价的比例也越来越大，目前一般办公磺、宾馆和　混凝士的延性好得多．其抗震性能远比混凝土结　高级住宅的结构造价≤工程造价的３０％。再次，假　好，我国唐山大地震造成如此大的人员伤亡，几乎　设上部结构无论是钢结构还是混凝土结构，基础均相　为多层砖混结构混凝土预制板塌坍所引起，可以．　同（实际不同），在考查不同结构造价的差别时，只　信，如果是钢结构，震害将大大减轻。　考虑上部结构，而一般高层建筑，上部结构造价约为　（５）施工及加工条件比较——环境影响：钢结ｊ　全部结构造价的５０％一７０％。　为干式施工，可避免混凝土湿式施工所造成的环境　综上所述，上部结构造价仅为工程总投资的　染。另外钢结构材料可利用夜间交通流畅期间运　７．５％一１０．５％。可见，上部结构造价及结构造价占　不影响建在闹市区高层建筑周围地区的日间交通。ｉ　总投资的比例是很小的，而采用钢结构与采用混凝土　高层混凝土一般采用商品混凝土，夜间运输施工噪　结构的结构费用差价所占工程总投资的比例将更小，　很大，白天运输又受到交通拥挤影响，且无法间断ｊ　一般不到工程总投资的３％一４％。因此，结构造价　工。钢结构的重要构件均可在工厂加工，精度高，｛　单一因素不应作为决定采用何种结构材料的主要依　差小，能确保施工质量。　据。此外，在高层建筑中基础造价在结构造价中所占　比例约为３０％，高层钢结构白重约为混凝土结构白　４钢结构设计中存在的主要问题　重的Ｉ／２—３／５，结构白重的降低，可以减小地震作　（１）对结构侧向刚度的要求：长期以来，国外，　用力，进而减小结构设计内力，所以由于结构白重的　结构“刚”和“柔”之争各持己见，难以定论，我ｌ　减轻，可以使基础造价降低，对抗侧力结构的要求也　的高层建筑历来绝大部分都是钢筋混凝土结构，一　相应降低，这对结构造价的降低不可低估。这个优势　高度的工程都可以满足或大大超过位移限值的要球　在南方软土地区更为明显。如以钢筋混凝土结构其基　没有“柔”的问题。这些年超高层钢结构开始建造；　础承受的荷载为１００％，则钢结构为５０％一６７％，钢　后，水平刚度就成为越来越突出的问题，在水平刚　一混凝土混合结构为６７％一７５％。　上如何把握，引起了多方面的关注。表３列出了部　（２）施工速度快：一般高层钢结构的施工速度高层钢结构白振周期及位移。　快，约为钢筋混凝土结构的７０％，通常钢结构平均　在表中除两项外，钢一混凝土简混合结构的层ｎ　每４天完成一层，而钢筋混凝土结构平均每６天完成　位移都不能满足现有高层钢筋混凝土设计规范的　一层。由于施工周期的缩短，可使整个建筑提前投入　定。在我国目前编制的高层钢结构技术规程中，对　使用，投资者可提前获取投资收益、缩短贷款周期，　层钢结构层间位移的要求也比较明确。最近由国外　从而减少借贷利息。如以高档办公楼的投资回收期在　计的高层钢一混凝土筒混合结构的水平位移．很难　三年左右，则采用钢结构比采用钢筋混凝土结构可提　足按“钢”、“混”两个高层设计规程对层间位移的月　前半年投人使用，据测算可节省投资１８％。　值。主要原因有两点：一是中国荷载规范中风荷载　（３）钢结构能增加使用面积：钢结构柱、梁及抗　度系数比国外大．使超高层的风荷载效应偏大；二　・１６・　ｌ　氍｛　：　ｇ日■■■■目　口■■■■■∞雕■■■■—■■　｛　目目■■■■■■■■●ｎ目■目■强■强繇　Ⅷ％　ｔ嚣　｛　维普资讯 http://www.cqvip.com

混凝土结构的位移限值较其它国家稍严。总之，这个　而深圳地王大厦的高宽比接近９。当然，我国现行规　范关于高层建筑高宽比的主要是根据我国１５０ｍ　以下高层钢筋混凝土结构提出的，是否适用于超高层　建筑，特别是超高层钢结构建筑，尚待作进一步研　究。　（５）钢结构防火问胚：钢结构不耐火，温度　问题今后还有待作进一步的深入研究。　表３部分高层钢结构自振周期夏住移　自振周期（ｓ）　项目名称　层间位移　向　Ｙ向　香格里拉饭店　长富宫中心　证券大厦　希尔顿饭店　１／５９０｛地震）　Ｉ／３５７（地震）　１ｆｌ７５８（风）　１／１０￣ｆ风）　２．０６　２．９０　２．９０　３．５５　２．１６　３．２ｏ　１．卯　３．１２　４００℃时，钢材的强度将降至原强度的一半，温度到　６００℃时，钢材基本丧失全部强度。而高层建筑火源　多．很容易失火。由于“烟囱效应”，高层建筑火灾　上海锦江饭店　１／，００（风）　４．∞　／　一般较难控制，因此，高层钢结构的抗火设计极为重　中国国贸中心　Ｉ／拍６（地震）　５．２ｏ　５．２ｏ　探　ｎ发展中心　Ｉ棚（风）　／　／　要，而且目前我国制订的高层建筑钢结构设计规程中　新金桥大厦　１，７∞（风）　４　０　／　的肪火部分，主要还是按照国外的设计方法与设计规　京城大厦　ｌ／２３１（地簏）　４．７０　４　７５　定。其设计过程为：根据常温下结构的荷载状态确定　京广中心　１／２ｔ８（地震）　８　０８　５　９２　各构件的内力，再根据此内力与构件在高温下的承载　金麓大厦　１／４２０（风）　６　１８　／　力（由试验确定）确定各构件的耐火时间极限或所需　浦东国际金融大厦　ｌ／５３３（风）　３．１７　／　防火覆盖厚度。这种设计方法的缺点为①未能考虑温　地壬大厦　１／＇２７２（风）　５．６９　６．１９　中国工商银行　／　２．５　／　度变形对应力的影响；②没有考虑高温下结构内力重　分布的影响；③没有考虑各构件的相互作用影响，即　（２）设计方法存在的主要问题：我国目前高层钢　结构某一构件达到极限状态并不意味着整体结构达到　结构的设计步骤为：①按弹性方法计算结构各构件内　极限状态。　力；②按弹塑性方法验算各构件的极限承载力。显　５展望及建议　然．上述结构内力计算方法与结构承载力验算方法不　匹配，一般高层钢结构达到承载力极限状态时，已进　我国的钢材产量已突破１亿ｔ，总量已跃居世界　入弹塑性变形阶段，此时结构内力要重新分布，即与　首位，而建筑业将是应用钢材的主要市场。随着我国　弹性状态对内力的分布不同。因此，按目前方法设　西部大开发和东部地区的持续发展，钢结构无论在交　计，各构件的可靠度不是实际可靠度，也不能保证各　通、能源、建筑、水利等领域有着广阔的应用前景。　构件承载可靠度的一致性。　但也必须承认：①我国钢材的质量、品种尚有欠缺，　（３）层间变形限值问题：我国规范对高层钢结构　还难以适应和满足客观的需要；②我国目前所颁布的　抗风的层间变形限值为层高的】／４０ｏ，抗震的层阃变　钢结构设计及施工规范，还需不断修订、更新和完　形限值为层高的１／＇２５０～１／３００。然而问题是目前我国　善，因为它已无法涵盖新的结构体系，轻钢建筑体系　不少高层建筑钢结构的实际计算层间变形难于满足规　就是其中之一；③地震及风荷载对高层钢结构建筑的　范要求，造成不少设计不满足规范限值，这究竟是合　影响，尚需进行深人的理论分析和试验研究，目前在　理不台法，还是既不台理也不台法？难以定论。为维　这方面还存在较多的问题，如地震反应谱对长周期结　护我国工程法规的严肃性，亟需研究解决。众所周　构的适应性问题，时程分析法中如何选择合适的地震　知，层间变形的目的在于①防止非结构构件（如　波以及人工地震波的应用问题，建设部标准中通过人　隔墙、幕墙等）的破坏；②保证结构一般能满足强度　为调整设计反应谱的长周期谱曲线来保证高层钢结构　和稳定性等要求。　建筑抗震设计的安全性，是否可靠均需进一步验证：　（４）高宽比限值问题：目前我国规范对地震区高　④高层建筑中强震仪的安设问题，均应有立法保障。　层钢结构建筑的高宽比建议限值为：纯钢结构为６，　明确规定；⑤高等学校中应重新审议和安排钢结构课　铜一混凝土混合结构为５。然而，我国的不少建筑均　程，以提高学生对它的重要性的认识，扭转历史偏见　超出了上述，其中上海金茂大厦高宽比大于７，　所造成的误导。　Ｊ７・