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THORNTON TOMASETTI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。伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架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. 14区核心筒建筑平面b. 57区核心筒建筑平面图3 核心筒平面布置图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X向和Y向的最大层间位移角分别为1/549和1/637，所在楼层分别为91F和92F。基本烈度地震作用下，结构在X向和Y向的最大层间位移角分别为1/208和1/239，所在楼层也同样分别为91F和92F。多遇及基本烈度下的层间位移角曲线见图7。a 多遇地震b 基本地震图7 地震作用下层间位移角3.3 风荷载分析结果对强度验算、刚度验算和舒适度验算分别取100年一遇、50年一遇和10年一遇的风荷载。阻尼比分别取为4.0%，4.0%和1.0%，连梁刚度分别取为0.5，1.0和1.0。刚度验算风荷载下最大层间位移角为1/487，所在楼层为124层。由于上海中心大厦高度超高，且周期较长，在单向风作用下同时存在顺风向风荷载和横风向风荷载，且横风向风荷载更为显著。在进行风荷载下位移验算时，考虑了顺风向风荷载和横风向风荷载同时作用的情况。单风向作用下，考虑顺风向及横风向风荷载变形合成的层间位移角结果见图8。图8 风荷载下层间位移角4 关键设计问题4.1 巨柱受力性态分析及设计外围巨型框架承担了一半的重力荷载、水平剪力，承担了大部分的倾覆力矩。在竖向承载体系和抗侧力体系中占据重要地位。巨型框架和核心筒承担荷载比例见表1。表1 巨型框架和核心筒底部反力比例构件重力剪力倾覆力矩巨型框架504776核心筒505324巨柱混凝土材料采用C70C50，内埋钢骨材料为Q345GJQ390GJ。抗震等级通高采用特一级。抗震性能目标为中震弹性。巨柱内埋钢骨设计初步考虑在16区采用“王”字型，78区采用“日”字型（图9）。该方案将中间大腹板和两侧翼缘合二为一，形成“日”字型钢骨，整体性更好，相同含钢率前提下，钢骨抗弯承载力更好，且“日”字型钢骨焊接量减少。78区的巨柱尺寸减小，即使将腹板拉开到两侧，也能方便实现与伸臂的连接。在低区，巨柱钢骨腹板形成的空腔，为进一步提高混凝土的抗压强度和延性，减少混凝土在重压下的收缩徐变，减少两种材料的变形差异，在空腔中按构造配置钢筋笼。 a 16区巨柱截面 b 78区巨柱截面图9 巨柱截面及内埋钢骨在小震组合下，巨柱通高未出现拉力；无论是正向地震还是反向地震（使被考察巨柱受拉）所有楼层均处于小偏压受力状态（图10）；在中震组合下，反向地震使巨柱自3区以上开始出现拉力，但拉力数值均不大；正向地震组合下，所有楼层处于小偏压受力状态；反向地震组合下，12区为小偏压，3区为大偏压，4区为大偏拉，58区为小偏拉。在大震组合下，反向地震使巨柱通高出现拉力，绝大多数楼层处于小偏拉状态；正向地震组合下所有楼层均处于小偏压状态。图10 多遇及基本地震下巨柱轴力分布图承载力验算参考规范钢骨混凝土结构设计规程（YB9082-2006）的混凝土结构设计规范（GB50010-2002）、建筑抗震设计规范（GB50011-2001），编制程序的流程图如下：图11 巨柱承载力验算流程图承载力验算如图12所示，由图可知：巨柱和角柱在标准段的承载力有很大富余，在节点区由于内力突变，截面承载力利用比例提高，但仍满足要求。可见，本工程巨柱在满足规范相关构造规定的前提下，构件设计主要由塔楼整体刚度控制，构件截面承载力有较大富余。a 巨柱中震组合下承载力复核结果b 巨柱大震组合下承载力复核结果c 巨柱中震组合下承载力复核结果d 巨柱大震组合下承载力复核结果图12 巨柱承载力复核4.2 组合钢板剪力墙设计为减小核心筒和翼墙厚度，增加结构底部延性，在塔楼一区及地下室核心筒及翼墙部位采用了组合钢板剪力墙构件（图13）。钢板厚度通常由抗剪承载力和轴压比限值控制，并满足最小板厚等构造要求。核心筒及翼墙设计参数见表2。图13 组合钢板剪力墙平面布置图表2 核心筒及翼墙设计参数位置钢板剪力墙混凝土强度等级核心筒抗震等级翼墙抗震等级地上三九区-C60特一级-地上二区是C60特一级-地下一层是C60特一级一级地下二层是C60特一级一级地下三层是C60一级二级地下四层是C60二级三级地下五层是C