[转贴]：蔡益燕教授畅谈高层钢结构

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蔡益燕教授畅谈高层钢结构

蔡益燕教授畅谈高层钢结构
蔡益燕教授畅谈高层钢结构
——访建筑结构专家、钢结构专家组组长蔡益燕

转自《钢结构与建筑业》

□记者：白 洋

  一百多年前，最高的办公大厦和公寓住宅一般都不超过10层，19世纪末，10层高的芝加哥家庭生命保险大楼建成，标志着真正的高层建筑诞生了。此后，随着钢结构的发展和电梯的出现，促成了多层建筑的大量建造。帝国大厦、纽约世贸中心、西尔斯大厦、吉隆坡双塔、深圳地王大厦、上海金茂大厦……这一个个耳熟能详的摩天大厦的相继建成，高层建筑也走过了百年的历史。如今，那栉次鳞比的高楼构成了繁华都市的标志，那错落有致的天际线演绎着现代的乐章，同时也给人们带来了许多新的课题。“9·11”事件发生后，高层、超高层建筑不仅是众多专家、学者评述的对象，也是大众市民茶余饭后热衷议论的话题之一。
  近日，建设部、国家冶金工业局建筑用钢技术协调组钢结构专家组组长蔡益燕教授，就高层、超高层钢结构有关问题及相关规程话题接受了本刊记者的采访。

记者：目前我国高层钢结构现状如何？有哪些典范工程？存在问题是什么？准备如何解决？
蔡教授：我国建筑防火规范将10层以上的居住建筑和高度超过24米的公共建称为高层建筑。我国建筑设计通则将高度超过100米的建筑称为超高层。通常所说的高层钢结构主要是指高度超过100米的超高层钢结构房屋。1998年建成的上海金茂大厦88层，高420.5米，在目前已建成的建筑中，是中国第一、世界第三高楼。深圳地王大厦81层，高度325米，也是建筑杰作。深圳赛格广场采用钢管混凝土结构，高度达300米，在世界上也是这种类型的结构中最高的。我国高层钢结构的特点，是纯钢结构较少，钢-混凝土结构较多。例如，根据2000年的统计，国内已建成的100栋最高建筑中，钢筋混凝土结构79栋，钢结构3栋，钢-混凝土结构18栋。这与我国国情有关。我国的地震区分布，除8度及以上的强震区外，沿海特别是南方，有广大的中、低烈度区。另一方面，我国还是一个发展中国家，在结构体系的选择上，造价成为诸多因素中首选因素。钢结构高层建筑的造价高于混凝土结构，而钢-混凝土结构的造价，介于这二者之间。对于后者，我国还没有完善的设计规范，这也许就是存在的问题。有关单位正在着手解决。

记者：“9.11”事件发生后，超高层建筑引起广泛争议，国内一些地方也被迫取消了超高层建筑的修建计划，对此您有什么看法？
蔡教授：纽约世界贸易中心双塔，高度分别为411和413米，是美国纽约的标志性建筑，恐怖分子破坏它是想造成轰动效应，前些时侯不是传说下一次目标是金门大桥还有自由女神象吗？是否恐怖分子对世界上所有国家的摩天楼都要实施袭击？我不认为如此。恐怖行动是政治斗争的一种反映，它的产生是有一定原因的，撇开这种事件背后的原因去谈论建筑是否过高，是没有什么意义的。高层建筑追求高度的情况，在市场经济条件下，反映了商业上竟争的需要，将继续存在。从实用的角度看，住在几百米高的高空，除了远眺外，上下一次要花很多时间，大风时总有摆动，对住户并没有什么优越性可言。楼太高了，租金必然高。住户要支付昂贵的租金，房产主也会为房子租不出去而犯愁，亏损经营的情况并不少见。盖高楼虽然能美化城市，改变城市的天际轮廓线，城市管理部门未必会因此给以奖赏。因此房屋过高，从实用的角度考虑意义不大。9.11事件后,专业技术人员也谈论怎样可以减小类似事件的损失。首先纽约世贸中心平面尺寸太大，容易受到飞行器撞击，且一旦倒塌带来的损失太大。如果用几座平面尺寸小一点的塔楼来代替它，破坏的机率肯定要小些。其次，在结构上密柱深梁的世贸大厦框架体筒虽然抗力很强，但内部的楼面梁与它采用的是铰接，楼层超载时很容易塌落，一层压一层形成连续倒塌机制，并使框架柱失去侧向支承，失去稳定。这是倒塌的重要原因。如果改善梁柱连接，情况会好得多。第三，该建筑没有抗侧力核心，从抗震的角度看没有二道防线，这在设计上是完全可以避免的。有人问是否可以不用钢材用混凝土，这样抗撞击的能力要高得多。问题是混凝土自重太大，房子越高，有效空间越小，这么高的楼用混凝土结构是建不起来的。还有，飞机带了那么多汽油撞在建筑上，任何结构的设计不可能考虑对付这么多的可燃物。综上述所，大城市超高层建筑不会因9.11事件受很大影响, 该建的还会建。

记者：我国高层建筑钢结构用材方面，有什么目标？
蔡教授：我国目前已是产钢大国，钢产量连续多年居于世界首位，去年达到1.57亿吨, 处于供大于求的状态。过去那种钢材紧缺、在建筑中励行节约钢材和限制应用钢结构的时代已经一去不复返了，代之以鼓厉多用钢材、积极采用钢结构的政策。钢材产品的品种、规格也有大为丰富，这是目前钢结构行业兴旺的物质基础。高层钢结构的用材特点，是钢板厚度大，对材质的延性、冲击韧性和可焊性要求高。改革开放以来，国家早就制订了《厚度方向性能钢板》的标准，对于厚度大于40mm钢板，有良好的抗层状撕裂性能。2000年又制订了《高层建筑结构用钢板》标准，可以生产供应，具有良好的力学和焊接性能，已做到高层建筑钢结构用钢材完全可以自给。

记者：您如何看待钢柱换砼柱的现象？
蔡教授：这个现象确切点说，包含两种情况。一是全钢结构少了，钢框架-混凝土核心筒混合结构多了；另一是全钢框架少了，柱换SRC柱或钢管砼柱多了。美国同行说，混合结构在美国用得很少，现在最高的只有24层的，他们不提倡。为什么在美国不提倡，而在我国猛建？这有几方面的原因。美国结构抗震设计采用延性系数法，延性越大地震力越小；我国采用小震弹性设计法，地震力的大小基本上与结构延性无关，结构延性通过构造措施另行考虑。以美国NEHRP的抗震规范为例，钢结构纯框架的延性系数为8，而砼剪力墙的延性系数为4，两者相差一倍，这就是说， 采用砼剪力墙要按比纯框架大一倍的地震力计算，这就要考虑是否合算。再有，按美国规定，砼剪力墙要考虑受拉开裂后刚度降低，在设计地震力下砼剪力墙的有效刚度要乘折减系数0.5, 这就更加不合算了。因此他们说，采用混合结构，墙既厚，钢筋也多，造价较高，不合算。按我国规定，用混凝土墙和用钢框架，地震作用计算都一样。既然是弹性设计，钢框架的地震力没有理由减小；其次，因为是按小震设计，混凝土受拉开裂的情况没有那样严重，所以砼剪力墙刚度不折减或基本不折减。由于混凝土墙的费用比钢框架要低得多，业主当然愿意用混凝土墙。新的抗震规范没有将钢框架-混凝土核心筒列入，认为这种体系技术上不成熟，但有些标准中已经列入，允许采用，因此这个势头现在还很难刹得住。
  SRC柱和钢管砼（CFT）柱代钢柱，可以显著节省钢材，楼房越高越省，而且这两种结构的抗震性能都很好，日本用得很多，因此就出现了“钢柱换砼柱的”现象。这种做法美国很少用，是因为钢梁通过SRC柱或CFT柱传传递弯矩，结构受力情况到底如何，因涉及两种材料弄不清。很多人抱有这种看法，因此美国虽有SRC柱的设计规定，但用得不多。

记者：抗震设计历来是建筑界关注的热点，对高层和超高层建筑而言，抗震设计的重要性更加突出，您认为目前在高层建筑地设计中存在那些盲点？抗震设计 应该遵循那些原则？
蔡教授：我个人是搞钢结构的，对混凝土结构不熟悉，可能从钢结构方面考虑得多，难免有片面之嫌。钢结构具有良好延性，在地震作用下通过结构的较大变形可以有效地减小地震力。对于这种优势不加利用，不仅可能导致多用钢材，还将在国际竟争中处于不利地位。另一方面，在建筑的安全性与结构延性方面，特别在强震区，会带来负面影响。目前，《高钢规程》推荐的多种延性抗震墙板和偏心支撑框架，已无人问津，甚至中心支撑框架用得也很少。普遍大量采用钢筋混凝土剪力墙，在大震一旦来临时，不但会导致地震力较大，而且很难确保有较好的延性。这也许就是你所说的盲点。

记者：您多年从事钢结构有关设计标准、技术规范及相关规程等，为规范和促进我 国钢结构的发展作出了积极的贡献。请你就此详细谈一谈。
蔡教授：改革开放以来，国家经济建设出现了大好形势，钢结构应用增多，一改过去严格限制使用钢结构的局面。作为一名从事钢结构多年的专业技术人员，感到无比兴奋和鼓舞。我是根据组织安排从高校到部队的。部队后来面临缩编，挽留我就地退休，时年55。我谢绝了部队退休干的清闲生活，自行要求转业，自找单位。承熟识的老总介绍到了标准所钢结构室。那时的心态是，就这样退休思想上太不平衡。人安逸了，思想上的压力要开始了。到新单位我提出不担任行政职务，只干点技术工作。而且不挑不拣，别人不愿干的我都可以干。当时，先给室里校对译搞，然后就参加修订薄钢规范，此工作持续多年。后来参加国内第一幢高层钢结构设计的技术后勒工作，包括搜集、编译资料和参加计算。这时开始接触日本的高层钢结构抗震规定，为日本规定的精湛技术所深深吸引。我整理的一份节点设计规定，受到当时国内第一本高钢规定“地震区钢结构房屋设计暂行规定”参编单位的认可，并由我执笔该章。这一段工作对我帮助很大。国家对高层钢结构是十分重视的，对课题采取了招标方式。标准所钢结构室具有悠久历史和一批经验丰富的老工程师，所领导也极为重视。凭借这支力量，承担了包括编制技术规程在内的大型课题。对于钢结构抗震，我过去没有接触过，思想上压力很大。当任务压在头上的时侯，不会干也得上。我现在体会到人要在压力下才能成长的道理。从只搞节点设计到进入钢结构结构抗震领域，是一个克服思想惰性的过程。过去我国没有高层钢结构，大家都缺少了解。我和同组成员利用自已的外语工具，投入大量时间，将当时的美、日、欧共体规范都译成中文，打印寄给参编人员学习，共同提高。高钢规程编制过程还得力于国内几位著名专家的指导和参编人员的巨大努力。为了在我国推广延性墙板，哈建大参编人员为做试验付出了大量劳动。因此这本规程主要应归功于 所有参编人员的努力。
  对于《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的编制，我是怀有激情的。早在80年代参加薄钢规范修订组时，就曾到深圳、珠海等地参观了不少进口的这种房屋，对于变截面轻型刚架、圆钢支撑、隅撑和摇摆柱等留下深刻印象，怀有羡慕心情，希望国内也能设计和生产。后来，和魏潮文老师等在规范组内进行了《山形门式刚架结构体系的应用研究》的课题，取得圆满结果，但当时除了几份国外计算书外，能看到的资料不多。95年上海开始编轻钢地方标准，包括各类轻钢结构。96年，金属结构协会钢结构委员会也面临编制规程的任务。我认定最有前途的是门式刚架轻钢房屋，建议以这种结构为对象，采用变截面实腹刚架，编一本专用规程，并初步拟定了章节目录。得力于美国顾问提供的大量资料和国内几位资深专家的参与，该规程在很短时间就提出征求意见稿。不少单位当时就用它搞设计和编软件。1996年公布实施，当年估计产量已达150万m2，去年初步统计年产量已达750万m2，成为全行业发展最快的钢结构类型。最近完修订后将使它进一步完善。
  对于冶标《钢骨混凝土结构设计规程》的编制，我是积极倡导者之一，是高钢规程编制组中的部分志同道合者合作的结果。对SRC结构，开始我是了解美国规定，并和王国周老师合作进行过探索。后来觉得日本的设计方非曲直法更 好，简单适用，并积极提倡用于我国。该规程在工程中也发挥了一定作用。
  我参编的其它标准，大都是应邀配合，包括抗震规范，这里就不多说了。
  感谢《钢结构与建筑业》给予我这个机会来作一些自我介绍。谢谢。