:再质疑我国地震区超高层混合结构设计

再质疑我国地震区超高层混合结构设计

摘要:本文根据美国、日本对高层混合结构(混凝土核心筒+钢框架)的适用范围,结合我国现行规范(程)[1][2][3][4]的规定,以及我国近年来对超高层混合结构的狂热追求——各地最高建筑首选混合结构体系的现状,谈谈我的看法,并质疑我国住建部建质文件[5]:超限高层专项审查技术要点。

本文结语中,还介绍了美国新世界贸易中心1 WTC混合结构(纽约是非抗震设防区),它的施工顺序与我国混合结构的很不同,哪种施工顺序更科学,供研究参考。

关键词:混凝土核心筒、钢框架、混合结构、质疑

全钢结构——主要采用下列不开裂的结构构件(structural members),并通过焊接、铆钉或高强螺栓连接而成的钢结构骨架[6]:型钢(Steel shape)、钢板(Steel plate)、高强钢丝或钢棒);钢管混凝土(Concrete-filled Steel Tubular,简称STC);钢梁+压型钢板上现浇混凝土组合件(Steel-Concrete composite)

因此,凡采用带裂缝工作的混凝土构件(Concrete member),如钢筋混凝土(Reinforced Concrete,简称RC)构件、型钢混凝土(Steel-Reinforced Concrete,简称RCS)构件,以及部分预应力混凝土(Partial Prestressed Concrete,简称PPC)构件时,均不能叫做钢结构,应视为混合结构。

1988年,我国高层首次采用混凝土(Concrete)核心筒+外钢框架(Steel Frame),即C+SF混合结构以来(图1),我国就大量采用混合结构,甚至在8度抗震设防区(北京国贸等)也如此。为何C+SF能够在我国大量采用,主要原因是:混凝土核心筒几乎承担100%的水平作用[7](风、地震),具有很大的抗推刚度,容易满足水平侧移限值,设计无难度。但必须指出:由于混凝土结构(开裂)、钢结构(不开裂)两种结构的结构延性比ζs=Du/Dy相差很大[8],前者仅ζc=3~4,后者高达ζc=7~9(图2)。因此,混凝土和钢两种结构的混合在强震作用下的结构性能表现,必须引起注册结构工程师的严重关注:强震后,同一幢高楼的两种抗侧力体系,一个(混凝土核心筒刚度大,地震力也大——第一道抗震防线)可能成为建筑垃圾,而另一个(钢框架)能修复(可持续发展)。一旦发生地震,后果将极其严重,政府官员和注册结构工程师要深思!

结构延性比(ductility ratio)——钢结构:ζs=Du/Dy=7~9,混凝土结构:ζc=3~4

规范[1]P.385:“对于混凝土核心筒-钢框架混合结构,在美国主要用于非抗震设防区,且认为不宜大于150m。在日本,1992年建了两幢,其高度分别为78m和107m,结合这两项工程开展了一些研究,但并未推广。

一 我国规范(程)对高层全钢结构、混凝土结构和混合结构的高度限值[H]

表1 我国规范(程)规定的高层混合结构的高度限值[H]

* RC——Reinforced Concrete钢筋混凝土,RCS——Steel-Reinforced Concrete型钢混凝土

由表1可见,我国四本现行规范(程)对高层混合结构的高度限值[H]是:7度的[H]≤180m,8度[H] ≤140m,9度[H]≤95m。

二 我国超高层混合结构现状

我国400m以上的高层建筑采用混合结构体系好像已成为时尚。混合结构由不开裂钢结构和开裂的混凝土结构组成。由于混凝土的极限拉应变εct=0.0002=0.02%,混凝土开裂时的钢筋应力:εs=Esεct=200×103×0.0002=40MPa。抗震弹性阶度软件分析也不会准确?!目前,我国部分高层混合结构工程如下:

(一)广州新中轴线的三大高层混合结构(图3)

东塔是广州最高的高层混合结构——H=518.150m,美国KPE建筑事务所、奥雅纳工程咨询(深圳)公司设计,中国建筑第三工程局有限公司和中国建筑第四工程局有限公司联合承建,中建钢构有限公司钢结构施工。总建筑面积50万m2,总用钢量16.8万t(型钢10.8万t,钢筋6.0万t)。最厚钢板t=130mm(铸钢件厚度400mm),RCS构件中的最大钢筋直径d=40mm。混凝土用量20万m3。

(二)上海陆家嘴的三大超高层混合结构(图4)

上海中心是上海最高的高层混合结构——H=580m。由美国Gensler公司设计,上海建工(集团)总公司总包。总建筑面积57.4万m2,钢材总用量10万t,最厚钢板t =140mm,最大钢筋直径d = 40mm。

(三)深圳平安大厦(图5)

平安大厦是深圳最高的高层混合结构——H=597m(不含天线高63m)。由美国KBF公司和CCDI悉地(深圳)国际设计公司设计,中国建筑一局(集团)有限公司承建,中建钢构有限公司钢结构施工。总建筑面积46万m2,钢材总用量10万t(不含型钢混凝土RCS中的钢筋5.455万t)。最厚钢板t=150mm(铸钢件厚220mm),最大钢筋直径d=32mm。混凝土用量为27.8万m3。

(四)天津高银117大厦(图6)

天津高银117大厦n=117层,H=597m,总建筑面积85万m2,总用钢量18万t(型钢14万t,钢筋4万t)。混凝土用量为18.9万m3。

可见,我国超高层混合结构体系的型钢、钢筋、混凝土、圆柱头栓钉用料多,并不经济,且两种抗侧移体系的破坏机理相差很大,型钢混凝土(RCS)施工艰难(图8)。

表2所示,世界前10名超高层建筑(全钢、混凝土、混合结构)——世界全钢结构第1名,排到第10名。

No.8吉隆坡Petronas Tower高度算到天线顶;No.10芝加哥Sears Tower高度算到结构顶,后者若算到天线顶H=520m>452m(图7)。

三 结语

(一)我国抗震规范[1]P.385:“对于混凝土核心筒-钢框架混合结构,在美国主要用于非抗震设防区,且认为不宜大于150m。在日本,1992年建了两幢,其高度分别为78m和107m,结合这两项工程开展了一些研究,但并未推广。据报道,日本规定采用这类体系要经建筑中心评定和建设大臣批准。”

文献[7]P.5:“1964年美国阿拉斯加地震,采用混凝土芯筒-钢框架混合结构的楼房,曾发生严重破坏甚至倒塌。据此,美国工程界一些人认为,混合结构不宜用于地震区的高楼。”

我国对超高层混合结构的延性破坏几乎未进行系统深入的科学研究,就盲目大胆建造(实践),现在不垮并不意味地震时不垮。一旦高层发生地震(如唐山、汶川等),后果将不堪设想[9][10]。

表2所示,我国现行规范(程)规定的高层混合结构的高度限值(详见本文表1)。

可见,我国各地用500m~600m高层混合结构来盲目狂热冲击高层建筑的高度——广州东塔maxH=518.150m、上海中心580m、深圳平安597m、天津117大厦597m。严重违背我国现行规范(程)的高度限值[H],在地震区采用如此高的高层混合结构,极其危险,且结构用钢和混凝土极大,劳命伤财与绿色建筑理念豪无共同之处。如,广州东塔用钢16.8万t,(其中型钢10.8万t,钢筋6万t),混凝土20万m3。非常笨重,型钢混凝土构件施工也十分艰难(图8)。质疑我国超限专家如何评审通过?!超出规范(程)限值3~4倍,是不负责任的表现!据说,某省将建高层混合结构1000m高,那就太盲目、不讲科学了。

用高层混合结构狂热冲击我国规范[1]-[4]高层的高度限值,严重问题在哪里呢?——我国执行的是中华人民共和国住房和城乡建设部建质文件[5],文件对高层混合结构高度的上限均未限制,只规定了抗震设防的各项技术性能指标。从而,我国高层混合结构的高度越做越高,结构越做越笨。为了达到“规定的”技术指标,设计者:

①只有无限度的加大结构尺寸和结构用钢量来满足文件中规定的各项指标,如,剪重比、刚重比、层间刚度比、周期比、轴压比等,直到算够为止;

② 进行了所谓模型抗震试验。

看似万无一失、很科学,但是,由于混凝土结构(开裂)和钢结构(不开裂)两种结构的混合在强震作用下的结构性能及延性比差异和破坏机理,以及美国阿拉斯加地震高层混合结构破坏事实[7],必须引起我国政府和科技人员的严重关注。理念是:

钢结构设计是硬道理(力学功底、结构理论),硬设计(只会熟练使用设计软件,而不知其然)就是任性——笨重与怪异。

为了对比,将全钢结构高层世界前三名列出,可见,随着高度的增加,它们的结构体系也在变化,用钢量反而在减少。

参考文献

[01] 中国住房和城乡建设部,建筑抗震设计规范(GB 500 11-2010),中国建筑工业出版社,2010。

[02] 中国住房和城乡建设部,高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010),中国建筑工业出版社,2011年6月。

[03] 中国建筑标准设计研究院有限公司,高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 99-2015),中国建筑工业出版社,2015。

[04] 中国工程建设标准化协会,高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程(CECS230:2008),2008

[05] 全国超限高层建筑工程抗震设防审查委员会,超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质[2006]220号-建质[2010]109号。

[06] 广东省钢结构协会、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司,广东省标准:钢结构设计规程(DBJ 15-102-2014),中国城市出版社,2015年6月1日。

[07] 刘大海、杨翠如,高楼钢结构设计(钢结构、钢-砼混合结构),中国建筑工业出版社,2003年9月。

[08] 王仕统,提高我国全钢结构的结构效率,实现钢结构的三大核心价值,钢结构,2010年第9期。

[09] 王仕统,我国地震区超高层混合结构设计探讨,中国建筑金属结构,2015年第2期 。

[10] 王仕统,质疑我国地震区超高层混合结构设计,钢构之窗,2015年第4期。