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对巨柱的挑战--天津高银117大厦巨柱应用
发布时间:2018-02-03 09:20:55 | 浏览次数:

巨型柱是伴随着建筑高度发展而衍生出来的一种特殊的柱截面形式,一般而言这是400m以上超高层项目所面临的重点和难点。巨柱的重要性和难度伴随着人类不断挑战天际线的过程而出现,房屋越高,荷载越大,巨柱越重要,巨柱的难度也越大。

一、 工程的发展:

    现代建筑的发展突飞猛进,从建筑的高度上,中国城市天际线不断被突破,从二十一世纪初的300多米突破到目前的600多米,如国内某企业提出建造超过200800米高容纳10万人的超级城市的装配式大楼,以及武汉拟建造的世界最高建筑——凤凰塔(PhoenixTowers)将赶超迪拜哈利法塔,成为世界第一高楼。打算在红海边的吉达市建造的王国大厦占地面积50万平方米,预计高1007,208层。

武汉凤凰双子塔
 

沙特王国大厦

    超高层的外形演化,从以前的单纯的方正的宝塔式造型,发展到目前的异形、扭转、连体、空中花园等体型,如央视新大楼、南京河西金鹰中心、迪拜哈发力塔等,不胜枚举。支撑这些华美壮丽的超级建筑,所需要的不仅仅徒有其表,更重要的是其内部的钢筋铁骨,这都得益于结构工程的迅猛发展以及新工艺、新材料、新技术的广泛应用。钢管混凝土结构正是伴随这些超级项目迅猛发展出来的,更是支撑是这些高大上超级建筑的内在力量。

                             
天津高银117号大楼                            北京中国尊大楼

二、巨柱的作用:

    在工程的不断发展下,对结构的要求也越来越多,更高的建筑对竖向构件意味着更大的荷载。此竖向荷载主要由两方面的因素产生:一方面是由于建筑物的自重,伴随着建筑高度的增加,楼层数目也呈直线上升式增加,另一方面,由于侧向风荷载和地震荷载下产生的附加弯矩,弯矩在建筑物的外侧直接转换为竖向构件的附加轴力,而且侧向荷载引起的附加轴力与建筑物的高度成几何级数增加,这也是为什么高度越高,设计难度增大更快的原因。如何承担巨大的竖向荷载,是摆在工程师面前的首要问题,要解决这个难题,一方面依靠材料进步提高单位面积承载力,另一方面就是通过增大竖向构件的截面和采取巧妙的截面构造,通过这两个方面共同来承担巨大竖向荷载。

    从建筑材料方面而言,建筑结构中常用的材料即为钢材和混凝土,这两项主要材料构成了建筑的钢筋铁骨。到目前为止,混凝土强度等级从C20发展到现在C80,甚至有研究机构试配出C100,钢材由最初的Q235级钢到目前的Q460级,除此提高外,尚未有其他更高强的材料普遍应用于建筑中,这从材料方面也部分制约了高大上建筑的发展。但工程师从不缺乏创新和技巧,柱子截面的尺寸从常规的约0.5m2一直到45m2,还在发展当中,还有更大尺寸的柱子出现。在柱截面大到一定程度后,构件的尺寸效应开始凸显。钢材和混凝土怎么组合,才能发挥出最大的功效,是工程师面临的巨大的技术挑战。

三、 对巨柱的挑战

     巨柱的出现,从工程上根本的解决了上述问题。但巨柱自身却面临着极其严峻的挑战,对巨型柱的挑战,主要集中在对其承载力、延性、耗能、防火、施工等方面。其承载力根据项目的不同,从几万MN到几十万MN,导致巨型柱的截面从几m2到几十m2,在抗震时,又要求其有较高的延性,不能导致脆性破坏;要达到较高的延性,内在必须有较大的耗能能力,才能保证地震来临时,把地震输入能量顺利的疏散出去。另外,自从911事件以来,对主要结构的防火能力也提出了更高的要求,巨型框架结构作为牵一发而动全身的最重要构件,这就必须要保证巨型结构同样有很高的抗火能力。在有以上能力的同时,巨型结构还必须能够满足施工的要求,例如易吊装性,易于加工等。面对如此多的挑战,如何设计好巨型体系,尤其是巨型柱就成为了超高层设计中的关键,也是超高层设计成败的决定因素。