1、 超高層建筑技術發展現狀分析摘要：自1968年日本外交部大廈（地上36層，高度147m）建成以來，日本的超高層建筑的發展已有30年的歷史了。隨著強震記錄的收集技術和計算機技術不斷發展，動力設計方法的不斷完善以與建筑用鋼材的發展，日本正迎接鋼結構超高層建筑時代的到來。關鍵詞：超高層建筑THEDEVELOPMENTOFCONSTRUCTINGTECHNOLOGYOFSUPER-TALLBUILDINGS自1968年日本外交部大廈（地上36層，高度147m）建成以來，日本的超高層建筑的發展已有30年的歷史了。隨著強震記錄的收集技術和計算機技術不斷發展，動力設計方法的不斷完善以與建筑用鋼材的發展，日本

2、正迎接鋼結構超高層建筑時代的到來。1超高層建筑的現狀高度超過60m的建筑物，需受到日本建筑高層評委的評審，并通過建設大臣的認定后，方可允許建造。從日本建筑通訊上刊載的這些建筑物的有關數據資料，可以看出，除塔狀構筑物與煙囪等以外，高度超過60m的建筑物，日本現在(1998年1月）有1000棟以上，其結構類型：純鋼結構（S結構）為60.6；下部為鋼鋼筋混凝土結構（SRC結構）、上部為S結構（SSRC結構）為3.8；SRC結構為21.3（如圖1），以RC（鋼筋混凝土結構)高層住宅為主的建筑數量不斷增加，且比率達13.9。高度超過150m以上的建筑物，已有65棟，其中S結構占84.6；下部為SRC結構

3、、上部為S結構占6.2；SRC結構占7.7，從而可以看出超高層建筑以S結構為主的變化狀況（如圖2）。圖1受高層評委評審的全部建筑物（1072棟）的結構類型圖2高度為150m以上的建筑（65棟）的結構類型把日本的超高層建筑按高度順序由大到小進行20位的排列（排列表略），第20位的建筑最高高度為200m。如果看一下這些建筑物的結構特性，其主要的結構材料，全部是S結構。并在S結構中，配置了支撐系統與鋼板抗震墻、帶縫墻等，以減小強震或強風時的側移變形。此外還增設了抗震裝置。2新材料的利用在抗震設計中，一直以保證骨架結構的強度為重點。通過分析強震記錄，發現強震時，僅是強度抵抗，并沒有給予建筑物以充分的塑

4、性變形能力。而塑性變形卻可以吸收能量，減輕震害，這在抗震設計中，顯得十分重要。因此，對鋼材性能的要求也發生了變化，研制和開發出了適用于超高層建筑的高性能鋼材，同時，還開發出了新的高層結構體系。2.1高性能鋼80年代后期，超高層建筑，大跨結構迅速發展，對鋼材性能的要求也越多。主要包括有高強度，低屈強比，窄屈服幅等的耐震性能；可焊性，形狀尺寸加工精度的施工方面的性能以與耐久性等。2.1.1高力鋼建筑用鋼材的應力應變曲線如圖3所示。其屈服點在100780Nmm2的圍，其中屈服點為400Nmm2的鋼材，占一半以上。圖3鋼材應力應變曲線1780N鋼；2建筑結構用780N鋼；3建筑結構用高性能590N鋼；

5、4SN490；5SS400；6極低屈服點鋼鋼材屈服點的提高，在設計方面就需要保證結構的剛度要求，防止局部屈曲；在施工方面就要保證結構的可焊性。另一方面，在多震國，地震時確保結構建筑物的安全性是一個最大的課題。因此，高力鋼不僅要有很高的屈服點與抗拉強度，還要具備充分的塑性變形能力。從這些觀點出發，19881992年間，日本開發研制了屈服點為590Nmm2的高力鋼，廣泛用于超高層建筑中。近些年來，又開發研制了屈服點為780Nmm2的高力鋼，已開始部分應用于超高層建筑中。2.1.2低屈服點鋼另一方面，還開發研制了利用鋼材的低屈服點和屈服特性的技術，耐震設計中的隔震和抗震構造技術得到了迅速發展，地震對

6、建筑物輸入的能量，通過建筑物特殊的部位吸收，從而確保整個結構的安全，防止結構構件（梁，柱）的破壞和損傷，低屈服點鋼主要用于這些特殊部位，作為吸收地震能的材料。低屈服點鋼，其化學成分主要是純鐵。如屈服點為100Nmm2的鋼材（為普通鋼材屈服點的一半左右），具有很大的塑性變形能力。2.1.3TMCP鋼建筑物的高層化、大跨化等，要求使用的鋼材高強度化，大斷面化，極厚化。以往的冶煉方法，若保證鋼材的高強度，就需加入相應的碳元素，鋼材含碳量的增加會導致可焊性的降低。為了解決這個問題，開發研制了490Nmm2級的建筑結構用TMCP鋼。建筑結構用TMCP鋼，是通過TMCP（熱處理）處理后得到的。已廣泛用于超

7、高層建筑中，如東京都新（廳）舍大廈（地上48層，檐口高241.9m）中的柱子全部采用此種鋼。TMCP鋼的特點是：改善了可焊性，保證了極厚部位的強度，降低了屈強比。2.1.4SN鋼根據超高層建筑的抗震要求，鋼材應具有足夠的彈塑性性能和較好的機械性能，可焊性能，具有吸收地震能的能力，日本JIS制定了“建筑結構用鋼材”（SN鋼）標準。廣泛用于超高層建筑。SN鋼要求：保證可焊性，保證塑性變形能力，保證板厚方向的性能，保證經濟性和加工方便，保證與國際規格接軌。SN鋼的規格有A、B、C三種，其板厚都是在6100mm，分400Nmm2和490Nmm2兩個等級。2.2新RC結構（鋼筋混凝土）在鋼結構鋼材的強度

8、不斷提高的同時，鋼筋混凝土結構中的鋼筋和混凝土強度也在迅速地提高。1988年以來，進行了強度為58.8117.6MPa的混凝土與強度為6861176.7MPa的鋼筋的開發，并已用于超高層住宅中，如禮新城北高層住宅（地上45層，高度160m），所用混凝土強度為58.8MPa，主筋強度為686MPa，斷面加強筋強度為784MPa，是以前高層RC結構所用材料強度的兩倍?，F在超高層建筑已開始使用78.4MPa，98MPa的混凝土。2.3CFT結構（鋼管混凝土）由于高強度鋼的使用，可以使構件截面做得小而薄，然而這必帶來局部屈曲和剛度降低的問題，解決這個問題的途徑之一就是采用CFT柱。繼S結構、SRC結構

9、、RC結構之后，它形成了第四種結構體系。CFT結構體系，就是用圓形或多邊形鋼管填充混凝土的柱子和S結構，鋼混凝土結構的梁連接起來而形成的結構體系，具有剛度大，耐久力大，變形能力強，防火性好等方面的優良結構性能。因此，超高層建筑，大跨結構等開始廣泛采用此種結構體系。CFT柱的優點是，混凝土填充在鋼管中，在受壓和受彎共同作用下（如圖4所示），混凝土向橫向擴散，然而卻受到鋼管的橫向約束（稱為鋼箍效應）。所以，混凝土的強度和變形能力提高。另一方面，由于混凝土的填充，鋼管的局部屈曲受到了有效的抑制，如圖5。這樣，CFT柱可以最充分利用高力鋼的強度。隨著高強混凝土與其組合的研究不斷發展，將來高度為1000

10、m級的超高層建筑的構想實現，期待著CFT柱將起主要作用。圖4CFT柱鋼箍效應1軸力；2形成面力；3面向外凸曲圖5鋼管的局部屈曲抑制1地震力；2屈曲；3鋼管柱；4CFT柱3隔震，抗震結構構造1995年1月的阪神震以來，隔震結構急劇增加。從地震加速度反應譜曲線上可知，為了減小建筑物上的地震力，需要延長建筑物的固有周期，使其獲得大的衰減。隔震結構是指，在建筑物基礎上，安裝夾層橡膠等水平方向柔軟的減震支承，使水平變形集中在減震層上，把整體結構的固有周期延長23S的同時，再利用某種衰減裝置（阻尼器），使作用在建筑物上部的反應加速度、位移得到大幅度衰減的結構體系。有許多種實用的減震支承和衰減裝置，現將有代

11、表性的列于表1中。表1減震裝置的性能和種類裝置分類性能種類支承*支承荷載*延長固有周期*降低反應加速度*降低上下水平振動夾層橡膠高衰減夾層橡膠鉛芯夾層橡膠滾動支承水平衰減裝置*限制水平地震反應位移*降低水平地震加速度*限制共振反應彈塑性阻尼器，高粘性阻尼器，油性阻尼器，摩擦阻尼器，高衰減夾層橡膠，鉛芯夾層橡膠，滑動支承這種隔震結構的上部結構常是較剛性的。超高層建筑的固有周期都比較長，所以它自身已包含了減震效應。但是如果把衰減裝置安裝其上，則對于抗震更是一個有效的方法。圖6蜂窩式阻尼器的循環過程用于超高層建筑（高層建筑）上的衰減裝置，有對應于建筑物上下層的水平位移差（層間位移）而運動的鋼制彈塑性阻尼器；高衰減的油性阻尼器；粘性抗震墻；粘彈性阻尼器等。其中，鋼制彈塑性阻尼器，是利用鋼材塑性荷載變形關系曲線描述大的循環過程，并把振動能用循環面積消耗掉的一種裝置。蜂窩式阻尼器就是一例。它是利用200Nmm2級的低屈服鋼，利用它有限的塑性變形特性，提高吸收地震能的能力的裝置。圖6表示蜂窩式阻尼器的循環過程。把這些衰減裝置設置在超高層建筑上，多數情況下，可使