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为了评估日本高层钢管混凝土建筑的结构特性，本文收集了1968~2013年间（46年间）设计的159座高层钢管混凝土建筑的结构特性数据，主要包括结构类型、建造数据、柱的形状、材料强度、自振周期和基底剪力系数，相关数据分析对未来日本高层钢管混凝土建筑的抗震安全和发展研究有重要意义。
1 高层钢管混凝土建筑发展历程 高层建筑结构设计规程于1963年发布，高于45m的建筑和一些高于31m的特殊建筑被定义为高层建筑。1981年建筑规范的修订后，高于60m的建筑被定义为高层建筑，日本建筑中心负责对高于60m的建筑进行审查。2000年发布的建筑规范提出了时程分析方法，现在必须使用时程分析方法和地震动数据对高层建筑进行设计。 通过对1968~2013年间设计的高层建筑性能评估表格的分析，收集了近46年的159座高层钢管混凝土建筑的数据。 图1总结了不同时期不同类型的高层钢管混凝土建筑的数量。1968年建造了第一座高层钢管混凝土建筑，1989年以前，只建成了不到5座高层钢管混凝土建筑；在20世纪90年代，高层钢管混凝土建筑的数量急剧增长，1999~2013年，建成了超过100座的高层钢管混凝土建筑。1995年的阪神大地震中，神户建于1981年之前的建筑损毁十分严重，地震之后，日本越发关注建筑的抗震安全，于是，隔震结构和消能减震结构的建造数量大幅增加。
46年中的159座钢管混凝土建筑数据被分为3个发展阶段：第一阶段为1968~1989年，第二阶段为1990~1999年，第三阶段从2000年到现在。在第一阶段，高层钢管混凝土建筑的建设刚刚开始，这一阶段建立了未来高层钢管混凝土建筑的结构设计方法；在第二阶段，“新城市住宅项目”促进了结构设计和施工的发展，1995年以后，大城市里建造了很多高层钢管混凝土建筑；在第三阶段，高层钢管混凝土建筑的数量急剧增长，2000年以后，高层钢管混凝土建筑变得十分流行。 图2为高层钢管混凝土建筑的应用类型分布，在159座建筑中，将近75%的建筑类型都是办公及与办公相关的建筑。钢管混凝土在这类建筑中的应用表明，设计师已经意识到钢管混凝土柱在建筑中能够有效提供大跨度和大空间。钢管混凝土柱体系经常被应用在大型建筑中。
2 结构布置 给出了建筑的基本数据，如结构类型、建筑高度、楼层数、楼层高度、柱截面形状和钢管混凝土柱材料强度。 图3给出了高层钢管混凝土建筑的建筑高度的变化。1968年，高层建筑的高度在50m左右，在第二阶段建筑高度超过了100m，第三阶段的建筑高度在250m左右。在过去的46年里，和第一座高层钢管混凝土建筑相比，建筑高度增长了将近4倍。
图4为不同时期高层钢管混凝土建筑的楼层数。1968年的高层建筑只有18层，在第二阶段增长到超过50层。在过去的46年里，相对于第一座高层钢管混凝土建筑，楼层数增长了将近2倍。各个阶段的平均楼层数为25层。
图5给出了不同时期高层钢管混凝土建筑标准层的层高。1968年第一座高层钢管混凝土建筑的标准层层高为3.7mm，在第二阶段，标准层层高为3.0~4.5m，第三阶段的标准层层高在4.5m左右，每个阶段的标准层层高都有所增长。
图6为不同时期高层钢管混凝土建筑的高宽比。1968年设计的第一座高层钢管混凝土建筑的高宽比是1.3，在第二阶段，高层钢管混凝土建筑抗震结构的高宽比为0.9~4.0，第三阶段的消能减震钢管混凝土结构的高宽比超过5.0。每个阶段的高宽比都有所增大，消能减震构件的引入使大高宽比成为可能。
图7给出了不同时期高层钢管混凝土建筑的柱截面形状，图8比较了高层钢管混凝土建筑柱直径（宽度）和厚度。方形截面和圆形截面在很多建筑中均有使用，方形钢管混凝土柱常用的最大截面尺寸为700~1200mm，而圆形钢管混凝土柱常用的最大截面尺寸为700~1300mm。另外，日本高层建筑很少使用长方形钢管混凝土柱。 圆形钢管主要用在具有不规则建筑平面的建筑中，方形和长方形截面则多用在具有规则平面的建筑中。大部分钢管是冷弯的，因为冷弯钢管造价低且应用广泛，焊接箱形截面用在厚钢板或高延性要求的情况，铸钢钢管被用于简化梁柱连接的情况，日本很少采用热处理来减少残余应力。
图9给出了不同时期高层钢管混凝土建筑钢管柱内混凝土的抗压强度设计值Fc。1968年第一座高层钢管混凝土建筑使用了普通强度的混凝土，在第二阶段，Fc值达到了60~90N/mm2，第三阶段Fc值达到了100N/mm2。 Fc值大于60N/mm2的混凝土被称为超高强混凝土，第三阶段，Fc值为60N/mm2的高强混凝土经常被用在高层钢管混凝土建筑中，近些年，Fc值超过100N/mm2的超高强混凝土也已经应用在工程中。目前，工程中也有使用Fc值超过150N/mm2的超高强混凝土。钢管混凝土柱内混凝土最常见的抗压强度设计值为60N/mm2。
图10为不同时期高层钢管混凝土建筑中结构钢的抗拉屈服强度设计值fy。在第二阶段，fy值达到了325N/mm2，在第三阶段，高层钢管混凝土建筑中的框架结构钢柱常用fy值为440N/mm2。
建筑行业新材料应用技术的发展加速了高强钢柱的发展。当新材料应用技术项目提出时，结构钢强度大于325N/mm2，而且规范中也规定在建筑中使用新型高强钢，最常见的钢材抗拉设计屈服强度为325MPa。现已研发出超高强钢管混凝土柱，其中超高强钢材抗拉强度为780N/mm2，超高强混凝土抗压强度为150N/mm2。 3 高层钢管混凝土建筑的结构设计 在验算高层钢管混凝土建筑的性能时，必须运用地震反应计算来求解运动方程。高层钢管混凝土抗震结构的性能要求为：中震（一级）作用下，结构构件不坏；大震（二级）作用下，结构不倒塌。中震和大震作用下高层钢管混凝土隔震结构的性能要求为结构构件不坏。高层钢管混凝土消能减震结构的性能要求为：中震作用下，在消能减震构件不存在时，结构构件不坏；大震作用下，不发生严重破坏。 设计方法通常包括以下两个阶段：静力设计和使用地震动参数的动力设计。2000年以后，MOC（Japanese Ministry of Construction）发布了高层钢管混凝土建筑的结构计算方法的技术标准。 在设计高层钢管混凝土建筑时，采用地震初期的最大地震动加速度来定义地震动强度，而最大速度被用来表达地震动强度。最大设计速度的强度基于日本地震区划参数，中震下地震动速度为200~250mm/s，大震下地震动速度为400~500 mm/s。2000年以后，MOC发布了设计地震动的计算方法和参数。在没有天然地震观测记录的地区，高层钢管混凝土建筑的设计中使用了人工地震动。对中震和大震来说，观测地震动的最大速度的标准分别是250mm/s和500mm/s。人工地震动必须和有关规范指定的开阔工程基岩所具有的反应谱加速度兼容，需要放大工程基岩生成的地震动以考虑上述工程基岩的地表地质作用。 分析高层钢管混凝土建筑结构时，通常采用单调增加侧向力的静力分析方法，并考虑结构弯曲屈服时构件的刚度变化。在静力分析中，可以得到每一层层间剪力和层间剪切位移角的关系，由此可以得到一个多质量多弹簧模型（例如等效弯曲-剪切模型等）。假设质量位于每个楼层的中心，楼层位移角被分成了弹性弯曲部分和非线性剪切部分，楼层剪力和剪切弹簧变形是三折线关系。楼层剪切弹簧常使用三折线假定，阻尼通常假定为与结构的瞬时刚度成比例关系。此外，整体框架的动力分析用来评估大震作用下结构构件的反应状态，大震时等效弯曲-剪切模型产生最大的结构反应。 中震下高层钢管混凝土建筑的结构设计中，关键部位的应力必须小于材料在短期荷载作用下的允许应力，线性层间剪力取所有地震动计算所得的最大层间剪力的包络值，在设计层间剪力的基础上开展静力线性分析。 质量弹簧体系的层间位移角必须小于1/200，这样非结构构件才不会在大震下损伤。一般规定，最大的层间位移角不能大于1/100，这样每一个剪切弹簧的最大楼层延性系数才能在大震下小于2.0。
4 结构特性 在分析结构特性时，分别对高层钢管混凝土抗震结构、隔震结构和消能减震结构进行了分析。共有28个抗震结构、12个隔震结构和119个消能减震结构。 图11给出了自振周期和高层钢管混凝土建筑高度之间的关系，其中，周期取X向和Y向周期的平均值并且建筑高度取屋檐高度。抗震结构的自振周期T1和建筑高度H呈线性关系，一般来说，普通钢结构建筑的周期和高度的线性关系可表示为T1=0.0257H，对高层钢管混凝土建筑来说，周期和高度的线形关系曲线基本和普通钢结构建筑一样。
图12为高层钢管混凝土建筑基底剪力系数和自振周期的关系，其中，周期取X向和Y向周期的平均值。
基底剪力系数曲线拟合公式近似为CB=0.268/T1。在比较不同的结构类型时，隔震结构和消能减震结构的近似公式几乎相同，假设自振周期不变，现有高层钢管混凝土建筑在设计时更多会使用和早期设计阶段相同的设计基底剪力系数。 5 结论 （1）日本建造了超过150座的高层钢管混凝土建筑，主要用于办公楼、商场和宾馆建筑。钢管混凝土体系的高效施工可降低建造成本、缩短工期并减少人力需求，钢管混凝土特别适合高层和大跨结构。1995年阪神大地震之后日本的隔震结构和消能减震结构数量激增。 （2）混凝土和结构钢的强度不断提高，因此高层钢管混凝土建筑的楼层数和标准层层高也在不断增大；方形截面柱和圆形截面柱在很多高层钢管混凝土建筑中均有使用；高层钢管混凝土建筑的自振周期和基底剪力系数和钢结构建筑的基本相同。 更多内容请关注《建筑结构》2016年第18期文章《日本现存高层钢管混凝土建筑的结构特性》，作者：ToshiakiFujimoto1, Shuhei Oka2（1日本大学生产工学部建筑工学科；2日本大学大学院生产工学研究科）。 |
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