上海中心高层建筑结构设计及外立面

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图10-38 上海中心外立面沿高度扭转120°a）立面 b）平面外轮廓2.结构该建筑采用巨型框架—核心筒—伸臂结构，为混合结构。图10-43 上海中心结构伸臂与环向桁架为了传递轴向荷载，环向桁架上设置次框架，次框架不抵抗水平荷载。

1.概况

上海中心位于上海浦东，与上海金茂大厦、上海环球金融中心三座超高层建筑成三足鼎立之势，见图1-8。上海中心塔楼总高632m，地上126层，地下5层，商业裙房7层，塔楼与东裙房相连，与西裙房间设有抗震缝。2008年破土动工，现在还在施工中，预计今年（2014年）建成，届时将是国内第1高楼，世界第2高楼（不过，预计建成不久，其高度就会被国内其他更高的高层建筑超过）。上海中心总建筑面积58万m²（地上41万、地下17万），具有商业、办公楼、公寓、观光等多功能用途，沿高度分为9个区。该建筑外观的最大特点是具有扭转的外形，并具有双层外壳，外壳玻璃幕墙呈圆角三角形（凸轮状平面），沿高度逐步减小，且逐步扭转，到顶部时总扭转角达到120°，见图10-38；内壳围绕结构为圆形。建筑设计方案由美国Gensler建筑设计事务所完成，结构设计是同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司。

图10-38 上海中心外立面沿高度扭转120°

a）立面 b）平面外轮廓

2.结构

该建筑采用巨型框架—核心筒—伸臂结构，为混合结构。从±0.0到屋面的结构高度为580m，内部结构呈圆形，结构体从下到上圆形直径减小，平面基本对称、规则。巨型框架为9层，与建筑功能分区一致，见图10-39。

图10-39 上海中心结构剖面、平面

钢筋混凝土核心筒底部1～4区是正方形，尺寸为30m×30m，5～6区切去4角，7～8区成为十字型，见图10-40，核心筒的外墙厚度底部为1.2m，改变5次厚度后，到顶部厚度变为0.5m；核心筒内部墙体由底部的0.9m，减小到顶部的0.5m，电梯井墙厚从底到顶不变，为0.5m。核心筒底部1、2区的剪力墙内配有钢板，成为钢板混凝土剪力墙，边缘构件采用宽翼缘型钢，通至上部各层，但翼缘宽度逐渐减小，见图10-41。

图10-40 上海中心核心筒平面

a）1～4区的正方形核心筒 b）5～6区的八边形核心筒 c）7～8区的十字形核心筒

巨型框架由巨柱与环向桁架组成，8个大柱对称分布在4边，由基础直通到顶，为减小环向桁架的跨度，在6区以下，角部设置4个斜角柱，8道环向桁架与巨型连接形成9层巨型框架，见图10-42a。环向桁架设在设备层（避难层），2层楼高，上下弦杆斜杆及腹杆均采用H形截面。环向双层钢桁架见图10-43。

图10-41 钢板剪力墙照片

图10-42 巨型框架与伸臂布置

a）巨型框架 b）6道伸臂

为了减小水平荷载下的侧移，还设置了伸臂，伸臂连接巨柱与核心筒，并且与核心筒内的剪力墙是对齐的，见图10-43。

伸臂也设置在设备层（和环向桁架同层），但是设置多少道是经过详细比较和优化的，见图10-44，最后确定采用第3方案的6道伸臂，设在2层、4层、5层、6层、7层、8层，该方案降低结构周期和减小侧移的效果较好。

8根巨柱采用钢骨混凝土柱，柱截面尺寸在底层为5.3m×3.7m，到顶部减小为1.9m×2.4m，钢筋混凝土柱截面内埋钢板箱，内部钢骨含钢率约4%～6%，巨柱见图10-45。4根角柱底部截面尺寸为5.5m×2.4m，5区顶部截面尺寸为4.5m×1.2m。

图10-43 上海中心结构伸臂与环向桁架

为了传递轴向荷载，环向桁架上设置次框架，次框架不抵抗水平荷载。次框架由钢梁、钢柱组成，截面较小，梁柱连接为半刚接，钢柱支承在环向桁架上，它将楼板荷载传到环向桁架上。

图10-44 伸臂的优化

a）方案1 b）方案2 c）方案3 d）方案4

图10-45 钢骨混凝土巨柱

图10-46 楼板结构

在核心筒内，采用钢筋混凝土楼板；在核心筒外，采用钢梁、压型钢板组成的组合楼板，可以减小楼板厚度，也减小了结构自重，见图10-46。压型钢板75mm，上面浇筑80mm厚的混凝土，楼板总厚度155mm（设备层楼板加厚至200mm）。

上海中心的双层外壳十分特殊，外壳呈圆角三角形的玻璃幕墙扭转向上，内壳是结构主体呈圆形，二者之间距离是变化的（沿周边、沿高度都变化）。外壳有它自身的结构支承体系，外壳不能抵抗地震作用，但它直接承受风荷载，必须将它承受的水平荷载和重量传递到主结构上，为此，在设备层下部楼板高度处设置放射形桁架，见图10-47，放射形桁架支承在内筒、巨柱或环向内筒、桁架上，并伸过支承点形成悬臂梁，这些长短不一的悬臂梁端部就是外壳玻璃幕墙的支承点。这套支承体系能够传力，但又要保证外壳能够自由变形（温度、徐变、重力压缩等变形与主结构不同），其体积应当较小而不影响人的视线，外壳结构的设计是对结构工程师的挑战，为此，结构工程师进行了大量的研究，创造性地解决了各种要求，详情在此不再赘述。

利用这层放射形桁架做成楼板，又实现了建筑功能上的另一个需求，即沿建筑高度在每个区都布置一个休闲层，休闲层的空间在外壳和核心筒之间，有12～15层高，见图10-48。

基础为桩基筏板结构，955根现浇混凝土钻孔桩，直径1000mm，桩长约86m；筏板直径121m，厚6m，共用了6.1万立方米混凝土。地下室深25.4m，采用逆作法施工。采用了66面、深达50m，厚1.2m的地下连续围护墙。

3.弹性计算分析

结构自振特性为：X向：T₁=9.05s，Y向：T₂=8.96s，扭转：T₃=5.59s。

图10-47 支承外壳的放射形桁架

图10-48休闲层

a）平面图 b）效果图

结构重量为：恒载：62.5万t，活荷载：12.3万t，约合1.9t/m²。

确定风荷载时考虑了风洞试验结果，地震作用按7度抗震设防设计。

图10-49 巨型框架、核心筒之间内力分配

a）剪力分配 b）倾覆力矩分配

主结构及次结构分别计算。主结构中剪力分配和倾覆力矩分配见图10-49。由图可见，风荷载作用大于小震作用，而小于基本地震作用。图10-50给出了小震作用、风荷载作用以及2个方向风荷载的不利组合作用下的层间位移分布图，最大层间位移发生在风荷载作用下，第94层的最大层间位移角是1/505。

4.弹塑性时程分析^【87】

图10-50 上海中心结构层间位移包络图

参考有关资料，上海中心进行了基于性能的抗震设计，性能要求列于表10-6，为此，进行了弹塑性时程分析。

表10-6 上海中心抗震设计性能目标

采用大型通用有限元结构分析程序ABAQUS，对地面以上124层及顶部钢桁架进行三维整体分析，未考虑楼面梁和层间小柱等次要构件，未考虑地下室，楼板采用刚性楼板假定。

时程分析选取5条地震波，其中3条为天然地震波，2条为人工模拟地震波，7度多遇、7度基本和7度罕遇地震作用下的主方向加速度峰值分别采用35cm/s²、100cm/s²、200cm/s²。地震波输入时，加速度峰值按1∶0.85∶0.65的比例三向同时输入。

表10-7列出了结构Y向顶层位移及最大层间位移角，图10-51、图10-52分别为Y向楼层位移包络图和层间位移角包络图。

表10-7 Y向顶层位移及最大层间位移角

从表10-7可见，结构在三个水准地震作用下的层间位移角均满足要求。

从图10-51、图10-52可以看出，不同地震波输入下结构的位移响应差别较大，其中MEX006-008波输入时结构的位移响应最大。由于加强层楼层刚度较大，最大层间位移角包络曲线在加强层位置处减小；最大层间位移角发生在：多遇地震时，第8区中部的110层附近；基本地震时，第7区中部的92层附近；罕遇地震时，第8区中部的109层附近。

多遇地震作用下，所有构件均处于弹性状态，保持完好。

基本地震作用下，底部巨柱保持弹性，与地震波输入主方向平行的4根巨柱在结构上部与外伸臂桁架连接部位有较小范围的受拉损伤发生，无受压损伤；底部核心筒基本无损伤发生，可以认为保持弹性状态；角柱、加强层及加强层上下墙体发生了轻微的受拉损伤，基本无受压损伤，其他部位墙体无损伤发生；结构中上部部分连梁进入塑性；环向桁架和伸臂桁架保持弹性状态。

图10-51 结构Y向楼层位移包络曲线

a）7度多遇地震 b）7度基本地震 c）7度罕遇地震

图10-52 结构Y向层间位移角包络曲线

a）7度多遇地震 b）7度基本地震 c）7度罕遇地震

罕遇地震作用下，筒体内埋钢板和型钢均处于弹性状态，钢筋亦未屈服，墙体主要在加强层附近开裂，混凝土压碎范围极小，伸臂桁架、环向桁架基本处于弹性状态；巨柱在一定范围开裂（主要集中在加强层附近），但无压碎；角柱在少量部位发生开裂，亦无压碎；从下往上连梁发生大范围破坏，具有理想的屈服耗能机制，可以认为满足构件性能目标要求，核心筒的中心部位损伤较多。从整体看，结构在7度罕遇地震作用下受压破坏范围很小，可以保证生命安全，且有较高的安全储备。

5.结构模型振动台试验^[87]

振动台试验模型按1/50设计，模型竣工后高度为12.64m，模型总质量为24974kg，其中模型质量3828kg，附加质量17064kg，底座质量4082kg。模型完成后全景见图10-53。

图10-53 振动台试验模型全景

根据上海中心大厦整体结构的弹塑性动力时程分析和振动台试验研究结果可知，该结构具有较好的抗震性能，能够满足预先设定的抗震性能目标。

上海中心高层建筑结构设计及外立面

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