上海中心大厦结构设计

上海中心大厦塔楼结构设计丁洁民，巢斯，赵昕同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市四平路1239号目录上海中心大厦塔楼结构设计...........................................................................................................1摘要..................................................................................................................................................21工程概况.......................................................................................................................................32结构体系.......................................................................................................................................43主要分析结果...............................................................................................................................63.1结构动力特性....................................................................................................................63.2地震作用分析结果............................................................................................................63.3风荷载分析结果................................................................................................................74关键设计问题...............................................................................................................................84.1巨柱受力性态分析及设计................................................................................................84.2组合钢板剪力墙设计......................................................................................................114.3基于性能的抗震设计......................................................................................................124.4风工程研究......................................................................................................................134.5结构控制..........................................................................................................................134.6弹塑性动力分析..............................................................................................................144.7考虑施工过程的非荷载效应分析..................................................................................154.8抗连续倒塌分析..............................................................................................................165结论............................................................................................................................................176参考文献.....................................................................................................................................18摘要上海中心大厦建筑高度为632m，位于台风影响区和7度抗震设防地区，建成后将成为中国第一高楼。由于高度超高、建筑形态复杂、风荷载及地震作用显著，为实现其高效和安全的结构设计，需解决众多的技术难题。本文对上海中心大厦的结构设计进行了介绍。首先介绍了项目概况，包括项目定位及功能、设计团队构成、建筑形态特征以及采用的基础形式。其次对结构体系构成和主要的结构分析结果进行介绍，主要内容包括本项目采用的巨型框架-伸臂-核心筒混合结构体系的各组成部分和主要的地震和风荷载分析结果。最后对项目结构设计的关键技术问题进行了介绍，包括巨柱受力性态分析、组合钢板剪力墙设计、基于性能的抗震设计、风工程研究、结构控制、弹塑性动力分析、非荷载效应分析以及抗连续倒塌分析等。关键词：上海中心大厦、结构设计、巨型框架-伸臂-核心筒体系、混合结构1工程概况上海中心大厦位于上海陆家嘴金融中心区Z3-1地块，基地邻近有上海金茂大厦、上海环球金融中心等多幢超高层建筑。上海中心大厦建成后将成为满足公众审美层面与专业审美层面的标志性、地标性建筑，成为商务活动中心，商务交流休憩中心和市民休闲娱乐中心。该项目用地面积30370平米，地上建筑面积38万平米，地下建筑面积16万平米，建筑总高度为632m，结构高度为574m。上海中心大厦地下5层，地上124层，大楼沿竖向划分9个区，底部为1个裙房商业区，上部包括4个办公区、2个酒店/服务公寓区、1个全球企业馆和顶部的观景区，每个区由两层高的设备层及避难层分隔。图1垂直分区及建筑形态本项目设计团队体现了较强的国际化和专业化特征。方案及初步设计阶段设计总包为美国GENSLER事务所，设计咨询及施工图阶段设计总包为同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，方案及初步设计阶段结构专业及机电专业的设计顾问分别为美国的THORNTONTOMASETTI和CONSENTINI公司。此外，设计团队还包括各专项设计咨询公司如美国SWA（景观设计），加拿大RWDI（风工程咨询），香港利比工料测量师事务所（工料测量）和美国高纬环球（垂直交通）等等。上海中心大厦立面形态基本几何元素为由三段圆弧构成的圆导角三边形（图1）。旋转上升并均匀缩小，演进为一个平滑光顺的非线性扭曲面，形成了大厦独特的立面造型。柔和的、旋转上升的优雅曲面，与金茂大厦的传统宝塔造型和环球金融的现代简约风格形成的显著的区别和互补，进而在小陆家嘴地区构成了一个和谐的品字型超高层组群。本项目桩基采用钻孔灌注桩。为确保桩基质量，采用了后注浆工艺。塔楼部分桩径均为1m，核心区桩长为56m，扩展区桩长为52m，持力层为9-2-1层粉砂，单桩承载力为1000吨，塔楼部分总桩数为955根。塔楼筏板厚度约为6m。本项目基坑面积约34960平方米，基地呈四边形，边长约200m。本工程设5层地下室，裙房区域开挖深度约26.3m，塔楼区域开挖深度约31.1m。围护结构采用地下连续墙，围护总周长约768m。2结构体系结合建筑立面及平面布置，上海中心大厦采用了巨型框架伸臂核心筒结构体系（图2）。沿高度方向在第二、四、五、六、七和八区共设置了六道两层高的伸臂桁架。各区均设置有两层高的箱型环带桁架。巨柱底部最大截面尺寸为5300mmx3700mm，核心筒底部最大厚度为1200mm。在各个分区的避难层均设置了径向桁架作为幕墙结构的支撑系统。巨型框架由八根巨柱和每个加强层设置的两层高箱型空间桁架相连而成。巨型框架的八根巨柱在第八区终止，四根角柱在第五区终止。在六区以下沿建筑对角位置布置的4根角柱主要用于减少箱型空间桁架的跨度。箱型空间桁架是抗侧力体系巨型框架的一部分，同时也是建筑周边重力柱的转换桁架。作为巨柱之间的有效连接，箱型空间桁架与巨柱共同形成巨型框架结构体系。伸臂桁架的设置可以有效地减小水平荷载（风、地震荷载等）作用下结构的侧移和核心筒体承担的弯矩。由于加强层具有较强的抗弯刚度，对与之相连的巨柱有很强的约束作用。在每个加强层部位，结构的受拉侧巨柱对加强层作用有向下的集中力，而结构受压侧巨柱对加强层作用有向上的集中力。这两个力形成一对力偶，平衡了核心筒在水平荷载作用下承担的一部分弯矩内力，减小结构的变形。核心筒平面形状沿高度根据建筑平面功能作相应调整，底部为29mx29m的方形布置，中部为切角方形布置，顶部为十字形布置（图3）。在建筑底部，为减小核心筒墙体厚度，增加底部加强区延性，在核心筒内埋设了钢板。地下室范围内在巨柱和核心筒之间设置有五层高的翼墙。翼墙的设置一方面增加筏板抗冲切承载力、减小基础的差异变形，另一方面为地下室提供较大的剪切刚度，满足地下室顶部嵌固的刚度要求。a.典型剖面b.伸臂桁架c.环带桁架d.径向桁架图2结构体系构成a.1~4区核心筒建筑平面b.5~7区核心筒建筑平面图3核心筒平面布置图伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架在塔楼顶部建筑形态较为特别，需要设计合理有效的结构系统。目前塔冠结构由三部分组成：鳍状竖向桁架、双向桁架和八角形带斜撑的钢框架体系。塔冠三维等轴视图见图4。`a.塔冠建筑剖面b.塔冠结构三维等轴视图图4塔冠剖面及结构体系3主要分析结果3.1结构动力特性结构前三阶周期分别为9.04s，8.90s和5.56s，分别为X向一阶平动，Y向一阶平动和一阶扭转振动。振型见图5。由于第一阶周期约9s左右，周期较长，在反应谱和时程分析中充分考虑了长周期效应的影响。a.第一模态T1=9.04Sb.第二模态T2=8.90Sc.第三模态T3=5.56S图5结构振型3.2地震作用分析结果抗震分析中采用的阻尼比对多遇、基本和罕遇地震烈度分别取为4.0%，4.0%和5.0%，周期折减系数分别取为0.90，0.95和1.00。抗震设计中采用的反应谱信息如下：1)多遇地震作用采用场地超越概率10%并取折减系数为0.35的反应谱和规范50年超越概率为63%的反应谱的包络谱；2)基本地震作用采用规范50年10%超越概率的地震动反应谱；3)罕遇地震作用采用规范50年2%超越概率的地震动反应谱；图6多遇地震反应谱多遇地震作用下，结构在