《高层建筑结构发展现状及前沿发展》毕业论文贺玲玲(终稿定稿百度文库)

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本科生毕业论文（设计）

题目：高层建筑结构发展现状及前沿发展方向

学习中心：沈阳直属学习中心

层次：专科起点本科

专业：土木工程

年级： 2015年秋季

学号： 150031203083

学生： ***

指导教师： ***

完成日期： 2017年08月22日

内容摘要

在建筑高速发展的未来，高层建筑的应用与发展势头迅猛，钢筋混凝土结构体系也将大量应用于实际施工当中，更多优秀优化的标志性建筑会大量涌现，高层建筑结构的应用发展会成为建筑的主导方向。针对我国高层建筑超高、复杂、混合的特点，本文简要阐述了目前我国高层建筑的结构特点以及建筑高度不断增加、结构体型日趋复杂的现状，同时对我国高层建筑在抗震、抗风、防火等问题进行了研究。

关键词：高层建筑；结构；发展现状；发展方向

目录

内容摘要 ........................................................................................................................... I 引言 . (3)

1 绪言 (4)

2 发展现状 (5)

2.1 高层建筑的发展特点 (5)

2.1.1 高层建筑发展迅速，数量多，分布广 (5)

2.1.2 建筑高度不断增加，超高层建筑以混合结构、组合结构为主 (5)

2.1.3 结构体型日趋复杂 (6)

2.1.4 新型结构不断涌现 (7)

2.2 设计工作 (8)

2.2.1 抗震设计工作 (8)

2.2.2 防风设计工作 (9)

2.2.3 防火设计工作 (10)

2.3 计算分析工作 (10)

2.4 试验研究工作 (10)

2.5 存在的问题与不足 (11)

3 发展战略 (12)

3.1 超高层建筑结构体系及设计方法的研究 (12)

3.2 组合结构、混合结构的研究 (12)

3.3 对减振控制技术的研究 (12)

3.4 抗风及防火关键技术的研究 (13)

3.5 对超高层建筑灾害监测预警与集成应用技术的研究 (13)

3.6 开展城市防灾抗灾的研究 (13)

4 上海金茂大厦高层结构的实例 (14)

5 结论与展望 (18)

参考文献 (19)

新中国成立后，我国的高层基础工程也迅速发展。虽然对于高层建筑存在许多争论，但由于人口不断增加，可利用土地资源不断减少，高层建筑并未停止它前进的步伐，随着城市的发展,人口和资源的迅速聚集,高层建筑开始成为城市的主流建筑。特别是在发展中国家，这一趋势更加明显。

随着时代的发展和发明创造的不断进步,我国建筑结构也随之向高层结构转变和发展.为了满足人们对生活、居住环境的需要，高层建筑结构的产生也在逐渐适应城镇化和现代工业化需求。在这样迅速的发展下，日新月异的科学技术,优质的建筑材料、自动化的电气控制设备应运而生,促进了高层建筑结构的发展,也对高层建筑结构的技术要求有了更进一步的细化。

大量高层建筑的涌现，给我们带来了新的研究方向和课题。通过对建筑高度发展过程的研究，可以看出古代建筑高度记录的保持者主要是服务于王权的高大建筑，中世纪是寄托着人们信仰的宗教塔楼。比如古代埃及金字塔、建于公园523年的河南嵩岳寺砖塔，15层40M；西安大雁塔7层高，64M；山西应县木塔9层，67.31M等等。而现在则是以经济利益为主导的实用型高层建筑。1998年建成的地上88层的金茂大厦，建筑高度420余M；陕西科技信息大厦为陕西第一高楼共54层，总高210M。国外高层建筑更是比比皆是：芝加哥John Hancock大厦1970年建成，高332M，100层；828M的迪拜塔等数不胜数。由此可见，高层建筑已经逐渐成为建筑工业化的产物，是大都市的重要景观，可提供丰富的城市轮廓线。高层只有在城市的滋润下才能较快地蓬勃发展，而城市的发展也依赖高层的支持！

通过对目前高层建筑常用结构体系的介绍和分析，本文着重对高层建筑结构体系和设计方法、减振控制技术、抗风防火控制技术、高层建筑危害监测预警以及组合结构和混合结构进行了深入研究。阐明各类型高层结构体系的优缺点，学习高层建筑的设计特点，为下一步高层结构体系的有效选用提供帮助。

随着我国城市人口的不断增加与密集，高层建筑的需求日益加大，开始成为城市的主流建筑。当人们谈起举世闻名的摩天大楼时，往往和芝加哥、纽约这样的国际大都市联系在一起，这足以说明高层建筑对城市社会形象的贡献。

我国《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：10层及10层以上或房屋高度超过28M的住宅建筑和高度大于24M的其他民用建筑结构为高层建筑。建筑物高度超过100M时，不论住宅建筑或公共建筑，均为超高层建筑。因高层建筑高度标准与不同地区的地理环境、建筑材料、地震强度、建筑技术以及电梯的设置标准等诸多因素有关，所以各国对高层建筑的规定也不尽相同。日本将高度为31M或8层以上视为高层建筑；美国则将高度在24.6M或7层以上的建筑视为高层建筑；英国为等于或大于24.3M。我国一般8层以上的房屋就需要设置电梯,对10层以上的房屋就有提出特殊的防火要求的防火规范。高层建筑是社会生产的需求和人类生活需求的产物，是现代化、商业化的必然产物。

我国近代高层建筑起源于本世纪20年代的上海，1934年建成的上海国际饭店高82M，22层；1968年建成的广州宾馆高87M，27层，截止抗日战争爆发，建成的8层以上公寓、旅馆、办公楼约95栋。我国第一栋超过100M高度的超高建筑是1976年建成的广州的白云宾馆，高112M，33层。

随着科技的不断进步，高新材料的应用，自动化、电气化建设在建筑中的实现，为高层建筑的长远发展提供了基础与条件。本文着重论述了高层建筑的概况、现状、存在问题及今后的发展趋势。

2 发展现状

高层建筑的建设，是技术进步的体现，也是社会经济发展、改善人民生活条件的需要，因此，加强高层建筑结构的研究，提高高层建筑结构的安全性和经济性，是建筑结构领域发展的重要方向。

2.1 高层建筑的发展特点

2.1.1 高层建筑发展迅速，数量多，分布广

中国《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]规定：10层及10层以上或房屋高度超过28M的住宅建筑和高度大于24M的其它民用建筑结构为高层建筑。美国规定22-25M以上或7层以上的建筑物为高层建筑；日本规定，8层以上或高度超过31M 视为高层建筑，30层以上的办公楼、旅馆和20层以上的住宅为超高层建筑；英国将等于或大于24.3M的建筑视为高层建筑。所谓高层建筑是指，建筑高度大于27M 的住宅和建筑高度大于24M的非单层厂房、仓库和其他民用建筑。

随着经济的不断发展，高层建筑在我国的发展速度非常惊人。中国连续第9年拥有最多的200M及以上竣工建筑，2016年更是以84座的数量占全球竣工总量的67%。这标志着中国所有城市已经进入相当繁荣的发展，高层建筑的发展也应运而生。

2.1.2 建筑高度不断增加，超高层建筑以混合结构、组合结构为主

“没有最高，只有更高”。如今，在世界各地范围内的建筑日趋激烈，我们已真正进入到了一个空前的高层建筑修造的年代。高层建筑的发展更加迅猛，建筑高度也不断增加。世界上第一幢近代高层建筑是芝加哥家庭保险公司大厦，建于1883-1885年，共10层（90年加至12层）高55M，采用砖墙和铁柱结构体系（詹尼设计，1931年被拆除）。19世纪末钢结构得到大力发展与应用，1889年建成的巴黎埃菲尔铁塔，钢结构与电梯的结合，对高层建筑的发展有了很大的推动。1926-1931年建成的克莱斯勒大厦，77层，高319M；1931年完工的帝国大厦，102层，高达381M，保持41年世界最高建筑纪录。帝国大厦在结构体系上采用框架支撑体系，在电梯进纵横方向设置了支撑，连接采用铆接，在钢框中填充了墙体以共同承受横向作用。超高层建筑高度不断被刷新，建筑结构多以混合结构、组合结构为主。香港环球贸易广场，高度：484M，300M以下是混凝土核心筒+钢结构，300M以上是全钢结构，是以钢筋混凝土和钢结构组合而成的混合结构体系。上海

中心大厦（见图1-1），高度：632M，是以钢筋混凝土和钢结构组合而成的混合结构体系。台北101大楼（见图1-2），高度：508M，采用SRC钢骨加高强度混凝土组合结构体系。

图1-1 上海中心大厦

图1-2 台北101大楼

2.1.3 结构体型日趋复杂

从30年代到50年代的一些早期高层作品，多属于塔式方形平面，表现为砖石实体的雕塑型。如纽约帝国大厦及以前的作品都属此类。后来又从塔式发展为圆形平面。50年代出现了玻璃幕墙，60年代，玻璃幕墙走向了玻璃摩天大楼，充分表现了钢与玻璃的简洁风格。由密斯设计的西格拉姆大厦以及后来芝加哥两幢湖滨公寓，都是在结构外面将整幢建筑包以玻璃与金属铝片，闪闪发光。它表现为简洁通透，不带任何外加装饰、制作精美，突出表现了高度工业化的精神。从此玻璃方盒子的高层建筑风行于美国，而后欧洲，继而又传到其它国家。60年代末，以100层汉考克大厦为代表的重技派高层建筑又有新突破。这是一幢下大上小，有收方的方棱椎体，其外露的巨大十字叉风撑与角柱、横梁组成了一个空间结构体系，其建筑形象也恰能充分表征这些结构特征。70年代以后，结构体系与

玻璃幕墙的性能又有了进一步发展，审美观也起了变化，出现了反应时代的更高境界，使高层建筑的造型与风格又有了新的突破。此时又运用简单的几何形体，构成抽象派的手法，以突破千篇一率的国际式。80年代以来，又为了突破国际式的平顶型与方柱体，又出现了尖顶方锥体型。这是一种新的倾向。近年还流行一种实体墙与玻璃交替变化而有韵律的构图，如美国1987年完成的明尼阿波利斯的西北中心大厦，就是一座80年代具有代表性的高层建筑。现代高层建筑的发展过程中，对高层建筑艺术以及造型也进行了探索。李湘渊认为[2]现代建筑美学对于高层建筑的造型与风格带来的影响很大，尤其在现代社会功能和新材料、新技术、新结构体系不断发展的情况下，使高层建筑的体型、风格出现了多样化，可以说是多姿多采，极为丰富。

2.1.4 新型结构不断涌现

从20世纪90年代开始，高层建筑又有了新的发展。早期高层建筑基本采用框架结构，60年代美国人坎恩提出了框筒体系，后来以此为基础又衍生出多束筒、筒中筒等体系，为建筑达到新的高度奠定了基础。60年代末和70年代初建成了一批100层以上的高层建筑，都是运用了框筒体系，才达到了新的高度。进入90年代，我国高层建筑的功能不断增多，刚性层的设置、转换层的设置大大满足了高层建筑多功能的需要。

多束筒体系已表明在适应建筑场地、丰富建筑造型、满足多种功能和减小剪力滞后等方面具有很多优点，预计今后也将扩大应用。沈恭将高层建筑结构体系的发展过程大致归纳在表1-1中[3]。

表1-1 高层建筑结构体系的发展过程

2.2 设计工作

我国是多地震国家，并且我国大部分高层建筑结构所在地区恰巧又是地震活动较为频繁的地区，高层建筑集中的地区为东南沿海，如上海、广东、深圳，基本风压也较大。因此高层建筑大多要考虑抗震、抗风问题。

2.2.1 抗震设计工作

（1）抗震设计的基本要求。高层建筑抗震的原则是“小震不坏，中震可修、大震不倒”。遵循这个原则就要求设计者在设计时要充分考虑合理的结构，通常剪力墙结构和筒体结构抗震能力高；还要考虑建筑结构位移的要求，保证刚度，允许位移；采用新型材料，减轻建筑结构自身重量，降低地震伤害等。

（2）抗震设防目标。地震大多不常发生，而且有巨大的破坏力，因此，不能要求一般高层建筑在地震中完好无损，只能按照“小震不坏、中震可修、大震不倒”的原则进行设计。①小震不坏。在建筑物使用期间内可能遇到的多遇地震（小震），即相当于比设防烈度低1.5度的地震作用下，建筑结构应保持弹性状态而不损坏，按这种受力状态进行内力计算和截面设计。②中震可修。在一定的烈度下，建筑结构允许出现一定的损坏，经修理后仍可以继续使用，并保证生命和设备的安全。③大震不倒。当遭遇了罕见的大地震时，建筑物会严重损坏，但要求不倒塌，保证生命安全。所谓大震，一般指超出设计烈度1-1.5度的地震。

（3）两阶段设计方法。①第一阶段设计。对绝大多数建筑结构，应满足第一、二水准的设计要求，即按照第一水准（多遇地震）的地震动参数进行地震作用计算、结构分析和构件内力计算，按规范进行截面设计，然后采取相应的构造措施，达到“小震不坏,中震可修”的要求。②第二阶段设计。对特别重要的建筑和地震时容易倒塌的结构，除进行第一阶段设计外，还要进行薄弱层部位的弹塑性变形验算和采取相应的构造措施，使薄弱层的水平位移不超过允许的弹塑性位移，实现第三水准的要求。吕西林在主层建筑结构（第3版）归纳两阶段设计的流程如图（2-1）所示[4]。

图2-1 两阶段设计图

2.2.2 防风设计工作

一般超高层大楼的设计主要都是受到风力的控制，因此设计风力的条件影响结构设计的结果甚大。在建筑结构设计时，应分别计算风荷载对建筑物的总体效

应及局产效应。风速是量化风荷载最重要的参数。对于设计最基本的就是最大风速，用来预测结构的设计寿命。影响防风设计的因素主要有以下几种：1.风荷载标准值及基本风压。基本风压、风荷载体型系数、风压高度变化系数。2.物理位置。如果高层建筑处在沿海城市或者沙漠地带，与内陆城市相比，因为不同的表面粗糙度降低了平面上的风速，粗糙系数考虑到了这个变化，它与形成的粗糙度以及高于地面的高度有关。3.建筑结构尺寸。建筑结构的高度与防风有紧密关系，随着离地平面高度的增加，风速增加。平均风速由参考风速决定。

2.2.3 防火设计工作

根据《高层民用建筑防火规范》（GB5004-95）[5]高层建筑的防火设计必须遵循“预防为主，防消结合”的方针。这就需要我们在设计时尽量注意以防为主，从电路、空间布置和装饰材料等方面着手。高层建筑的防火设计工作主要为火灾发生前的预防和火灾发生时的救火措施两方面。预防是针对高层建筑“烟囱效应”，采用合理的电气设计，合理的空间设计，设置防火卷帘门等缓解或杜绝火灾发生时火苗蔓延和烟气流窜。通过设置疏散指示牌、灭火器、安全通道、疏散楼梯、消防车道等，配合火灾发生时的营救，以减少火灾发生的事故率和火灾对生命财产的危害。

2.3 计算分析工作

高层建筑结构的计算：风荷载及地震作用计算方法；框架结构、剪国墙结构、框剪结构3种基本结构内力及位移计算方法，以及这三种结构体系所包含的框架及剪力墙构件的配筋计算等。根据我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）[6]对各类建筑结构的抗震计算应采用的方法有以下规定：高度不超过40M以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布的比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部减力法等简化方法。除此之外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱方法。特别不规则的建筑，甲类建筑和限制高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

2.4 试验研究工作

国内结构设计者按照我国高层建筑功能对住宅建筑、旅馆建筑、公共性建筑结构进行了大量的试验研究。住宅建筑一般采用剪力墙结构，某些情况下也可以用框架-剪力墙结构。但是剪力墙结构不便于布置商场、餐厅、停车场等服务设施，

为了适应高层住宅建筑底部商业服务的要求，底部几层用框架结构取代，形成底部大空间，上部剪力墙结构。旅馆建筑的建设，50M以下通常采用框架、剪力墙和框架-剪力墙结构；50M以上常用框架-剪力墙和筒体结构，像北京岭南大酒店、上海虹桥宾馆就是采用了筒体结构。为了完善新型结构的设计，我国还通过模型振动台、有机玻璃模型、钢框架模型进行结构、抗震及风洞试验。为规范文件的修订提供了依据。

2.5 存在的问题与不足

事实上，高层建筑具有的优点与缺陷同样明显。越来越多的城市进入了“欲与天公试比高”的误区。一个城市的标志性建筑并不是按高度排序的。

从建筑上说，高层与多层、底层相比较，高层更占“空”间，这就为建筑上带来了可以充分发挥的位置，有句话说是只有想不到没有做不到，占有“空”间越大建筑师的设计空间就越多，所设计的美观程度就会更为优美、艺术。

从结构上说，高层与多层、底层相比较，层数越高其危险系数就越大，建筑耗材与层数为无限比例增加。即：所需X的材料就可以完成5000万平方的多层建筑，但完成5000万平方的高层或超高层，就需要X乘一个无限增长的一个比例系数。高层结构可靠度也会下降，需要更为精湛的技术做铺垫。

从经济上说，高层占有更多“空”间，所以带来的直接经济效益要远远超过多层（其中不包括间接利益），但是层数超过一个值经济增长曲线又会下降。

从居住舒适上说，在城市密集的建筑区发展高层是一个趋势，其中就有人在居住高层时身心会感觉比居住较矮的多层楼层感觉舒适，也就说明为什么高层的层数越高其卖价也会相应的增加。但在建筑不密集的区域，多层比高层在居住上的舒适感要强。

近年来,随着城市经济的不断发展和都市化进程的加快,高层建筑拔地而起。高层建筑的增多在给城市带来繁华的同时,也存在一些问题。(1)高层建筑消防安全存在的问题。年代久远的建筑按现有消防规范改造比较困难，无法达到现行要求；(2)高层建筑设计存在的问题。设计人员对消防知识不了解，设计过程不重视，设计(施工)说明的内容不完整。（3）消防设施存在问题。消防用品摆放维护不到位，无法实现防火及灭火功能。

3 发展战略

根据高层建筑结构自身的发展，相关研究工作需要进一步深化。

3.1 超高层建筑结构体系及设计方法的研究

建造一栋高层建筑，一般包括设计和施工两大环节。设计中一般包括建筑设计、结构设计和设备设计（水、电、暖通等）。建筑设计一般由建筑师完成，结构设计一般由土木结构工程师完成，包括基础设计和上部结构设计。设备设计一般由给排水、供电、空调、暖通等专业工程师完成。高层建筑结构作为承受竖向与水平荷载的体系和建筑物的骨架，在高层建筑的发展中起着非常重要的作用。高层建筑结构作用为一门学科，包括钢结构、混凝土结构、钢-混凝土组合结构等各类高层建筑的性能及设计和施工方面的有关技术问题。其主要内容有：结构的体系和布置；结构的荷载作用及其组合；结构的设计原则和设计方法；结构的静力和动力分析方法以及实用简化分析方法；结构的抗震分析和抗震设计；框架梁、柱和剪力墙等抗侧力构件的性能和设计；结构的节点构造和设计；地基和基础的设计等等。

3.2 组合结构、混合结构的研究

随着高层建筑结构层数增多、高度加大，结构体系、形式的选择变得更加重要。早期的组合是劲性钢筋混凝土结构，又称钢骨混凝土结构，简称SRC结构，也常指型钢混凝土结构。型钢混凝土组合结构构件应由混凝土、型钢、纵向钢筋和箍筋组成。它以型钢或钢管为骨架，外包或内填混凝土形成组合构件，可用作梁、柱、墙等不同用途。众所周知，钢材具备良好的抗压抗拉特性。混凝土的抗压性能虽好，但是抗拉、抗裂性能较差，钢材与混凝土的结合，大大增加了它们的性能。型钢混凝土、钢管混凝土、钢梁部件和支承其上的混凝土翼板所构成的组合楼面梁等都是被广泛使用的劲性钢筋与混凝土结构的典型形式。

上述结构与普通钢筋混凝土构件、钢结构构件共同组成各种高层建筑混合结构体系。这种混凝土与钢的结合，不仅增加了建筑的强度和延性，又能很好的抗风、抗震、防火，在高层建筑中得到了广泛的应用。可以形成框架结构、框架-剪力墙结构、底部大空间剪力墙结构、框架核芯筒结构等结构体系。

3.3 对减振控制技术的研究

减震控制技术是抗震、抗风设计的一条重要途径，建筑结构的减震有被动耗能减振和主动减振（有时也称被动控制和主动控制）。带竖缝耗能剪力墙属于背动耗能减震，主动减震是由计算机来控制的。近年来在日本、美国等发达国家得

到了较为广泛的应用，近两年我国在新建工程中开始应用。但我们的研究工作与世界先进水平尚有较大的差距，需要深入开展相关研究工作。随着人类信息文明的不断进步，计算机、电子设备在振动状态下安全平稳地工作，显得尤为重要。因此，减震控制将深具研究价值与发展前景。

3.4 抗风及防火关键技术的研究

随着高层建筑的高度增加，建筑结构对风载荷的控制要求越来越高，在国内不少地区建筑物的抗风研究和设计成为控制结构安全和性能的必要环节。高层建筑横向受力和等效静力风荷载、干扰效应、行人风环境以及居住者舒适度判据等方面的研究至关重要。国际上对于高层建筑的风速、风压检测工作也是非常的有研究。所观测到的相关数据对于我国的防风研究提供了很多有利的帮助，我国在此方面还有待提高，规范采用的风剖面在超高层建筑的高度范围内缺乏实测数据的支持。

3.5 对超高层建筑灾害监测预警与集成应用技术的研究

谈及高层建筑灾害监测与预警，首先让大家想到的必然是2001年发生在美国纽约的“911”恐怖袭击——美国世贸中心大楼是两座外观相同，高110层的塔楼，由于飞机撞击发生灾难性的毁灭，如今已成废墟！倒塌事故的发生，引起了建筑界的高度关注，也成为大家研究的一项课题。超高层建筑灾害监测预警与集成应用技术的研究包括：大型及重要建筑火灾监测预警及自动处置系统研制；超高层建筑地震、风振监测及数据处理系统研制；超高层建筑结构安全实时监测成套技术与装备研制。目前我国在防止高层建筑倒塌方面的研究工作尚处于起步阶段，暂时还没有具体的标准和相关文件，就现行规范而言，在安全性能上不能满足高层建筑结构的需求，没有能防止建筑物连续倒塌的规范标准，仍需进一步研究。

3.6 开展城市防灾抗灾的研究

我国是发展中经济大国，城市的基础设施是国家财政投资的重点。对于灾害的预警监测机制必须要建立和健全。只有建立、健全的预警监测机制，才能够科学有效的预防各种灾害的发生。健全的灾害预警监测机制的关键在于政府部门应急管理的信息和信息沟通机制。在这个科技发达的信息时代，要充分利用现代科技技术，建立覆盖全国的多领域的信息收集网，实施知识共享战略，提供及时准确的信息，获取相关的知识和经验。此外，应急响应要及时准确，各部门、各单位之间的协作沟通要保持流畅。及时向公众做出回应。在必要的情况下要争取民众的配合。增强公众对政府职能部门的信任感。

4 上海金茂大厦高层结构的实例

上海金茂大厦主楼地面以上的总高度为420.5m，是20世纪末建造的世界上最高、最大的建筑之一。张关林教授归纳塔楼结构体系（金贸大厦主楼结构体系如图4-1）所示[7]。主楼平面基本呈正方开，底部宽度为52.70m，建筑物高宽比约为8：1，形状简单、规则且双向对称，有利于减少偏心和扭转对结构的影响。其竖向布置亦同样规则、均匀，没有过大的内收。构件截面由下而上逐渐减小，无突变。尤其是筒体和框架柱的重心线始终重合于同一平面内，因而侧向赐度变化比较均匀。

由于上海地基条件极差，许多现有建筑物的沉降量都很大。因此对于超高层建筑来说，尤其需要选择一个合理有效结构体系。金茂大厦主楼的结构采用了核心筒加外圈复合巨型柱的方案。如图4-1所示.同时由3道强劲的钢结构外伸桁架将中央核芯筒和外围的复合巨型柱连成整体以提高主楼的侧向刚度，构成稳固的主体结构体系。主楼充分发挥了钢结构和钢筋混凝土各自长处；混凝土核芯筒提供了极好的质量与刚度以及内在的动力阻尼特性，因此不需要另行设置阻尼装置；而复合区型柱则仅承受重力和侧向弯曲所产生的轴力。由于重力作用，复合巨型柱并不产生拉力。当侧向力作用于建筑物的主轴时，有4根复合巨型柱起作用；而当侧向力斜向作用于建筑物时，则8根复合巨型柱同时起作用。

（1）核芯筒

核芯筒在主楼中央，它的平面形状沿主楼全高均呈八角形，外围尺寸约27m×27m，筒顶标高为333.70m,全部为现浇钢筋混凝土结构。由于管道以及人员通过的需要，在核芯筒壁上开设了各种功能所需的、尺寸不小的洞口，经综合考虑，洞口布置上下对齐、不错开，洞顶有足够刚度的连梁，将洞口两侧的筒壁墙肢强劲地连接起来，从而保证筒壁与连梁之间全部力的传递，满足刚度要求，这些连梁的截面高度一般在办公区为1800mm，在酒店区则为1000mm。又由于建筑功能上的要求以及结构刚度的需要，在核芯筒内部设纵横各两道井字形剪力墙。这些剪力墙从地下3层起只延伸到第53层（标高213.8m）。随着高度变化，核芯筒壁厚由地下3层的850mm分级收小直到顶层的450mm。井字形的剪力墙厚度从地下3层到第53层均为450mm不变。上述两者混凝土的强度亦随之高度而逐渐减弱，从地下3层的C60降至顶层的C40。金茂大厦核心筒结构参数汇总见表4-2。

图4-1 上海金茂大厦主楼结构体系

（2）复合巨型柱

在主楼核芯筒外周四个立面处，成对规则地布置了8根复合巨型柱。它们是由H型钢、钢筋以及高强混凝土复合而成。复合巨型柱内的H型钢相隔一定高度与外伸桁架的钢梁和撑相连接。因而既能承受重力，又能抵抗横向风荷载和地震作用。

根据结构计算，复合巨型柱的截面也随着高度的上升而逐级收小，由地下3层(标高-14.00m）的1500mm×5000mm平缓收小到87层（标高333.7m）的1000mm×3500mm。每收小一级跨越两个楼层，以使柱截面刚度沿高度方向无突变。而混凝土强度亦向上逐级减弱，由标高-13.00mm的C60减弱到标高333.70m的C40，金茂大厦复合巨型柱结构参数见表4-3。

表4-3 金茂大厦复合巨型柱结构参数

（3）外伸桁架

沿主楼全高设计了三道风度极大的钢结构外伸桁架，具体的位置为：第一道外伸桁架位于24-26层，标高97.05-105.55m；第二道外伸桁架位于51-53层，标高205.8-213.8m；第三道外伸桁架位于85-87层，标高325.7-333.7m。

第一道外伸桁架的高度有两个楼层高，外伸桁架的两端各伸入相对的2根复合巨型柱内和核芯筒连接起来，在外伸桁架高度范围内形成了刚性层，而且钢构件上的轴力能通过剪力的形式传递到钢筋混土核芯筒内。另外复合巨型柱内的钢结构还能承受由于与外伸桁架连接而产生的局部弯曲。复合巨型柱和核芯筒通过外伸桁架三者结合成一体共同作用，构成了主楼的抗横向荷载的结构体系。外伸

桁架对主楼结构抗侧有较大作用。计算结果表明，当外伸桁架刚度很大，整个结构体系100%发挥作用时，其顶点位移为H/850。实际上，外伸桁架并不是绝对刚性的，复合巨型柱不能全部发挥其作用，在此条件下，算得其顶点位移为H/575，其有效性约为整体性结构的70%。

外伸桁架是由大截面的钢柱、水平钢梁、垂直斜撑以及连接板所组成。根据计算分析，对内力较大的桁架所在层的楼板作现浇混凝土的加强加厚处理，即在核芯筒外周条状区域的板厚增至300mm（24、26、51、53层）以及200mm（85和87层），桁架杆件亦包裹了混凝土，从而使外伸桁架与所在楼层形成了一个空间刚度极大的箱形体系，大大地提高了结构抗侧力的能力。

值得一提的是在不少高层建筑的设计中，已采用了上述类似的刚性层，但这些结构多为全钢结构，而金茂大厦主楼是钢和混凝土组合结构。带来的问题是钢材与混凝土的压缩、收缩和徐变的性能是各异的，而且由于核芯筒和复合巨型柱在施工上的时间差以及主楼不同部位的地基沉降差异，导致了复合巨型柱与核芯筒之间产生了相对位移，从而在外伸桁架杆件内部产生了较大的附加内力。鉴于上述多种因素，在整个桁架的施工阶段，按设计要求采用创新措施，消除了上述原因造成的不良后果。

（4）楼面结构

典型的楼面工字形钢梁和钢筋混凝土楼板组成的组合结构。钢梁通过其顶部的销钉与混凝土楼板形成整体并共同承受荷载。楼面挠度控制按中国规范《混凝土结构设计规范》GB50010-2010设计。

5 结论与展望

本文通过对近代高层建筑发展史的研究，阐述了高层建筑结构特点的演变过程及抗震、抗风设计工作在高层建筑设计工作中的应用情况。最后结合对上海金茂大厦高层建筑结构实例的分析，针对高层建筑的抗震性能进行了进一步深入的研究，深刻理解了高层建筑结构的受力性能、变形特点和设计原则，提高了设计水平。我国高层建筑的设计与施工技术正进入国际先进水平。随着科技的不断进步，新型材料的不断涌现，未来的高层建筑和超高层建筑会紧随着现代化的步伐再创新高！

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010).北京：中国建筑工业出版社，2011

[2]李湘洲.世界高层建筑的发展与现状.南方建筑，1995

[3]沈恭.上海八十年代高层建筑结构设计.上海：科学普及出版社,2000

[4]吕西林.高层建筑结构.第三版.武汉：武汉理工大学出版社，2011.8（2016.4重印）

[5]中华人民共和国国家标准.高层民用建筑防火规范(GB5004-95).北京：中国建筑工业出版社，2005

[6]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011-2010).北京:中国建筑工业出版社，2010

[7]张关林，石礼文.金茂大厦-决策.设计.施工.北京：中国建筑工业出版社，2000