高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之二：上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1、研究生： 唐 榮學(xué) 號(hào)： 2240918510導(dǎo) 師： 周 云 教授授課老師：鄧雪松 副教授專(zhuān) 業(yè)： 結(jié)構(gòu)工程 2010年5月高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之二上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)Structure of Shanghai World Financial Center1目錄21.1地理位置（三足鼎立）金茂大廈上海環(huán)球金融中心上海中心3工程概況上?！比愣αⅰ熬置娴男纬?工程概況上海環(huán)球金融中心、金茂大廈、東方明珠比較上海環(huán)球金融中心、上海中心、金茂大廈比較632m492m5工程概況 上海環(huán)球金融中心位于浦東新區(qū)陸家國(guó)際金融貿(mào)易中心區(qū)內(nèi)，在建筑規(guī)劃設(shè)上力求最大限度地利用優(yōu)越的環(huán)境條件項(xiàng)目與基地周?chē)?8層的金茂

2、大廈以及規(guī)劃建設(shè)中的上海中心呈“三足鼎立”之勢(shì)，北側(cè)緊100m寬的世紀(jì)大道，與中心綠地兩辦公大廈遙遙相對(duì)，基地的東側(cè)和南側(cè)據(jù)城市規(guī)劃要求分別保留了綠化帶，使上海的主導(dǎo)東南風(fēng)能經(jīng)過(guò)這塊綠化帶的凈吹向基地。6工程概況 【開(kāi)工日期】：1997年年初；2003年2月工程復(fù)工。【竣工日期】： 2008年8月29日。【用地面積】： 30,000 平方米 ?！菊嫉孛娣e】： 14,400 平方米?！窘ㄖ娣e】： 381,600 平方米?！窘ㄖ訑?shù)】： 地上101層、地下3層 。【建筑高度】： 492米 ?！窘Y(jié)構(gòu)形式】： 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（SRC結(jié)構(gòu)）、鋼結(jié)構(gòu)（S結(jié)構(gòu)）。 【建筑造價(jià)】： 1050億日元。（約10

3、億美元）【投資單位】： 森海外株式會(huì)社（Forest Overseas Co., Ltd.） ?！窘ㄖO(shè)計(jì)】： KPF建筑師事務(wù)所 ?！窘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】： 籟思理羅伯遜聯(lián)合股份(LERA) ?！驹O(shè)計(jì)單位】： 上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)（集團(tuán)）、華東建筑設(shè)計(jì)研 究院 ?！臼┕挝弧浚?中國(guó)建筑工程總公司、上海建工（集團(tuán)）總公司總承包 聯(lián)合體。 【所獲榮譽(yù)】： 2008年竣工的最佳高層建筑（美國(guó)芝加哥“高層建筑和城 市住宅委員會(huì)”評(píng)選）。7工程概況89 上海環(huán)球金融中心建筑設(shè)計(jì)采用在超高層建筑方面享譽(yù)世界的紐約 KPF設(shè)計(jì)事務(wù)所的方案?？偼顿Y超過(guò)10億美元的上海環(huán)球金融中心為多功能的摩天大樓，大樓地上101層 ，

4、地下3層 ，建筑總面積為381,600 平方米。地面以上高度為 492米。該建筑建成時(shí) ，超越了當(dāng)時(shí)世界第一高樓馬來(lái)西亞的佩重納斯大廈 (高452米)，成為當(dāng)時(shí)世界最高的建筑物。 上海環(huán)球金融中心至今仍是我國(guó)內(nèi)地的最高使用樓層、和最高屋頂高度建筑物。10屋頂高度世界第一：492米，超過(guò)了當(dāng)時(shí)屋頂高度世界第一的臺(tái)北101大樓（480米）。人可達(dá)到高度世界第一：474米，大樓100層的觀光天閣是世界上人能到達(dá)的最高觀景平臺(tái)。建筑設(shè)計(jì) 該建筑建成時(shí)，創(chuàng)下了世界高樓評(píng)價(jià)指標(biāo)四項(xiàng)中的兩項(xiàng)紀(jì)錄：11建筑設(shè)計(jì)環(huán)球中心標(biāo)準(zhǔn)層平面圖1213 工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,主樓的安全等級(jí)為一級(jí),抗震設(shè)防烈度為7度

5、,場(chǎng)地特征周期為0.9s,基本地震加速度為0.1g,建筑場(chǎng)地類(lèi)別為類(lèi),抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi),設(shè)計(jì)地震分組為第一組。3.1 結(jié)構(gòu)體系下部結(jié)構(gòu) .主樓采用鋼管樁加筏板的基礎(chǔ)形式,其中主樓核心筒區(qū)域采用70018的鋼管樁,有效樁長(zhǎng)為59.85m,承載力特征值為5750kN；14 主樓核心筒以外區(qū)域采用70015的鋼管樁,有效長(zhǎng)度為41.35m,承載力特征值為4250kN,裙房部分采用70011的鋼管樁,有效樁長(zhǎng)為29.35m,承載力特征值為3700kN。主樓區(qū)域范圍內(nèi)底板厚度為4.0-4.5m,其余范圍底板厚度為2.0m。結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)基礎(chǔ)上的剪力墻分布15結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)工程上部結(jié)構(gòu)同時(shí)采用三

6、重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系： 巨型框架核心筒外伸臂結(jié)構(gòu)這也是絕大部分的高層建筑所采用的結(jié)構(gòu)體系。材料上采用混合結(jié)構(gòu)形式：鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)混合。16結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)132圖1. 建筑平面圖圖2. 主要抗側(cè)力構(gòu)件圖3. 空間結(jié)構(gòu)形式17結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)之巨型框架巨型柱(主要結(jié)構(gòu)柱)+巨型斜撐(主要斜撐)+周邊帶狀桁架 巨型結(jié)構(gòu)體系由位于建筑物各個(gè)角部的巨型柱、連接巨型柱之間的巨型斜撐以及傳力周邊帶狀桁架構(gòu)成。巨型結(jié)構(gòu)體系還承擔(dān)了建筑物大部分的重力荷載。 18結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)巨型柱巨型框架的構(gòu)成19結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn) 巨型柱為鋼骨混凝土組合結(jié)構(gòu)。鋼骨截面采用熱軋型鋼或焊接組合截面。龐大的巨型柱位于建筑物的

7、各個(gè)角部，它們可以非常有效地抵抗來(lái) 自風(fēng)和地震的側(cè)向荷載。 20結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn) 巨型斜撐為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。其箱形截面由二塊大型豎向翼緣板和兩塊水平連接腹板組成。箱形鋼管中的混凝土增加了結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼，也節(jié)省了澆注時(shí)的模板，還能防止構(gòu)件中薄鋼板的 屈曲。巨型斜撐除了抵御側(cè)向荷載以外，還用于承受從周邊柱子傳來(lái)的重力荷載。 帶狀桁架位于每個(gè)避難設(shè)備層的四周 ，高度為一層樓高，帶狀桁架由焊接箱形截面和熱軋寬翼緣型鋼組成。21結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn) 帶狀桁架將荷載從較小的周邊柱子傳遞到巨型柱，同時(shí)也減少了相鄰柱之間垂直位移的差異 ，并為結(jié)構(gòu)提供多重內(nèi)力傳遞途徑。 周邊帶狀桁架、巨型斜撐與巨型柱示意圖節(jié)點(diǎn)連接帶

8、狀桁架、巨型斜撐與巨型柱節(jié)點(diǎn)連接示意圖周邊柱向巨型柱傳荷22結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)之核心筒 采用鋼筋混凝土核心筒，79層以上為帶混凝土端墻的鋼支撐核心筒。第79層23下部核心筒上部核心筒中部核心筒24結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn) 由于受到建筑平面的限制,大樓的內(nèi)核心筒在層5761及層79進(jìn)行了轉(zhuǎn)換,層5761核心筒的轉(zhuǎn)換通過(guò)上部核心筒倒插三層的方式解決,同時(shí)對(duì)搭接部位樓層的樓板厚度進(jìn)行了加強(qiáng)。左圖：層57-61核心筒轉(zhuǎn)換示意圖右圖：層79核心筒轉(zhuǎn)換示意圖25結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)上部結(jié)構(gòu)之外伸臂連系核心筒和巨型結(jié)構(gòu)柱間的桁架結(jié)構(gòu)稱(chēng)為外伸臂。 外伸臂桁架體系由巨型柱與混凝土核心筒角部之間三層樓高的連接桁架構(gòu)成。由于建

9、筑布局的限制,要使外伸桁架直接通過(guò)核心筒是不可行的。在設(shè)有伸臂桁架的樓層核心筒的剪力墻中埋置了一道環(huán)狀圈桁架，以提供伸臂桁架所需要的后座跨。 26結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)核心筒內(nèi)部環(huán)狀圈桁架外伸臂桁架外伸臂桁架與內(nèi)筒連接示意圖27結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn) 本建筑采用此種“巨型框架核心筒外伸臂結(jié)構(gòu)”體系具有的一些特點(diǎn):(1)巨型柱、巨型斜撐、周邊帶狀桁架構(gòu)成的巨型結(jié)構(gòu)具有很大的抗側(cè)力剛度,在建筑物的底部外周的巨型桁架筒體承擔(dān)了60%以上的傾覆力矩和30%40%的剪力,而且與框筒結(jié)構(gòu)相比,避免了剪力滯后的效應(yīng),也適當(dāng)減輕了建筑結(jié)構(gòu)的自重。(2)外伸臂桁架在建筑中所起的作用較常規(guī)的框架-核心筒或框筒結(jié)構(gòu)體系已大為減少,

10、使得采用非貫穿核心筒體的外伸臂桁架成為可行。3.2 結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)28結(jié)構(gòu)體系及特點(diǎn)(3)位于建筑角部的巨型柱可起到抵抗來(lái)自風(fēng)和地震作用的最佳效果,型鋼混凝土的截面可提供巨型構(gòu)件需要的高承載力,也能方便與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接。(4)巨型斜撐采用內(nèi)灌混凝土的焊接箱形截面,不僅增加了結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼,而且也能防止斜撐構(gòu)件鋼板的屈曲。(5)每隔12層的一層高的周邊帶狀桁架不僅是巨型結(jié)構(gòu)的組成部分,同時(shí)也將荷載從周邊小柱傳遞至巨型柱,也解決了周邊相鄰柱子之間的豎向變形差異的問(wèn)題。2930 由于上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜性、且高度及體型超限，設(shè)計(jì)參與單位上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)（集團(tuán)）和華東院進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)分析

11、模擬，并且業(yè)主也委托同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華東院進(jìn)行了建設(shè)場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)的研究、整體結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)、整體結(jié)構(gòu)的彈性、彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析以及采用 TMD阻尼裝置的結(jié)構(gòu)減震分析和建成后結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)測(cè)等系列研究工作。31結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及試驗(yàn)工作整體結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析及其結(jié)果： 1.呂西林、朱杰江采用兩種非線性宏觀單元，一種是梁柱單元，另一種是墻單元，通過(guò)編制高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，并將結(jié)果與ETABS、SATWE的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。表1. 結(jié)構(gòu)自振周期32 2.汪大綏、周建龍等通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，整體計(jì)算中鋼結(jié)構(gòu)和

12、混凝土梁、柱及斜撐假定為框架單元,而核心筒則假定為殼單元。在程序ETABS，SATWE和SAP2000分析中都考慮了P-效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)，而且考慮了風(fēng)荷載及地震作用的最不利方向。得到如下結(jié)論：結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及試驗(yàn)工作（1）采用不同軟件和模型的整體分析結(jié)果：表2. 結(jié)構(gòu)整體分析的主要計(jì)算結(jié)果33結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及試驗(yàn)工作 罕遇地震作用下,性能控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的建筑頂點(diǎn)位移x方向?yàn)?.85m，y方向?yàn)?.14m；最大層間位移角x方向?yàn)?/217，出現(xiàn)在層69，y方向?yàn)?/183，出現(xiàn)在層71，均小于規(guī)范規(guī)定的1/120的要求。 塑性鉸出現(xiàn)的順序?yàn)?底部核心筒的彎曲鉸巨型斜撐的軸向鉸核心筒的剪切鉸巨型柱的塑性鉸。結(jié)果

13、表明,在罕遇地震下,結(jié)構(gòu)有較好的防倒塌能力,也具有足夠的延性。（2）靜力彈塑性分析的結(jié)果：34振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及結(jié)論：結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及試驗(yàn)工作表3. 結(jié)構(gòu)模型主要相似關(guān)系（1）結(jié)構(gòu)模型制作35結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及試驗(yàn)工作（2）模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性 在不同水準(zhǔn)地震作用前后，均用白噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行掃頻試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)各加速度測(cè)點(diǎn)的頻譜特性、傳遞函數(shù)以及時(shí)程反應(yīng)的分析，得到模型結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震前后的自振頻率、阻尼比和振型形態(tài)，模型結(jié)構(gòu)的低階振型的振動(dòng)形態(tài)主要為平動(dòng)和整體扭轉(zhuǎn)；模型結(jié)構(gòu)前三階頻率分別為：2.306Hz(X向平動(dòng))、 2.306Hz(Y向平動(dòng))和5.290Hz(扭轉(zhuǎn))； 在完成 8度罕遇地震試驗(yàn)后，模型結(jié)

14、構(gòu)前三階頻率分別降為： 1.628Hz(X向平動(dòng))、1.763Hz(Y向平動(dòng))和 3.847Hz(扭轉(zhuǎn))。36結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及試驗(yàn)工作表4. 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及試驗(yàn)工作37385.施工技術(shù) 上海環(huán)球金融中心由中國(guó)建筑工程總公司和上海建工（集團(tuán)）總公司聯(lián)合承建。上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，憑借我國(guó)施工技術(shù)的實(shí)力，諸多的工程施工問(wèn)題在此得以凸現(xiàn)和解決。 上海環(huán)球金融中心主樓外立面周邊 ，在 4F至 6F之間，設(shè)有一道鋼筋混凝土巨型梁，它分別與結(jié)構(gòu)四角的巨型柱連為整體。主樓周邊巨型梁施工39施工技術(shù) 巨型梁寬度 1.45 m(1.20 m)，總高度為 8.60 m(7.55 m)。在其頂部還有一道鋼梁，鋼梁插入混凝土巨型梁深度 1.44 m。整個(gè)巨型梁距離 lF結(jié)構(gòu)樓板面高度為9.06 m，梁跨度為 28.8 m 。巨型梁寬巨型梁跨度圖1. 主樓巨型平面40 分析工程特點(diǎn)，考慮采用分層澆筑的方式施工巨型梁。即將巨型梁分多次澆筑 ：第一次澆搗混凝土產(chǎn)生的荷載由下部搭設(shè)的排架支撐體系來(lái)承擔(dān)，留設(shè)施工縫。第二次及以后澆搗的混凝土產(chǎn)生的荷載由已澆筑完成的混凝土梁在達(dá)到一定強(qiáng)度后承擔(dān)，排架只作為腳手使用。減少了排架支撐體系的荷載 ，提高了高支模體系的穩(wěn)定性。 施工技術(shù)41施工技術(shù)圖2. 分層澆筑立面示意圖圖3. 第一次澆筑模板體系剖面4