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上海環球金融中心結構設計
汪大綏 周建龍 袁興方
[提要] 上海環球金融中心為超高層建築 ,高度為 492m ,地下 3 層 ,地上 101 層 ,是國內目前在建的最高建築 ,採用了外圍為巨型桁架筒與內部為鋼筋混凝土的筒中筒結構。著重介紹該工程的體系特點、基於性能的抗震及抗風計算原則及方法、整體計算結果、靜力彈塑性分析結果、整體及節點模型試驗結果、內核心筒的轉換、非貫通式外伸臂桁架的布置及設計、周邊帶狀桁架與巨型斜撐及周邊小柱的設計原則、獨特的箱型截面形式及節點連接方式、頂部鋼結構的設計及減震裝置的設置等。上海環球金融中心工程設計和施工技術對於進一步推動我國超高建築技術的進步與發展將會起到積極作用。
1 工程概況
建設中的上海環球金融中心位於上海陸家嘴金融貿易區。此建築為多功能的摩天大樓 ,主要用作辦公用途 ,也有一些樓層用作商貿、賓館、觀光、展覽、零售和其它公共設施。主樓地上 101 層 ,地下 3 層 ,地面以上高度為 492m ,裙房為地上 4 層 ,高度約為 1518m ,整個建築總面積約為 35 萬 m2 , 其中主樓建築面積為252 935m2 ,裙房面積為33 370m2 ,地下室為63 751m2 ,其上下標準層平面見圖 1 ,立面見圖 2。工程的結構設計基準期為 50 年 ,主樓的安全等級為一級 ,抗震設防烈度為 7 度 ,場地特徵周期為 019s ,基本地震加速度為011 g ,建築場地類別為 Ⅳ類 ,抗震設防類別為乙類 ,設計地震分組為第一組。
工程建築設計為美國 KPF 建築師事務所 ,結構設計為美國 Leslie E. Robertson Associates ,R. L. L. P ,設計監理與審編為Mori Building Architects & Engineers。華東建築設計研究院有限公司為設計顧問單位並完成施工圖的設計工作。入江三宅設計事務所和構造計畫研究所株式會社及建築設備設計研究所株式會社為設計協作單位。
2 結構體系及特點
工程主樓採用鋼管樁加筏板的基礎形式 ,其中主樓核心筒區域採用 <700 ×18 的鋼管樁 ,有效樁長為59185m ,承載力特徵值為5 750kN ; 主樓核心筒以外區域採用 <700 ×15 的鋼管樁 ,有效長度為 41135m ,承載力特徵值為4 250kN ,裙房部分採用 <700 ×11 的鋼管樁 ,有效樁長為 29135m ,承載力特徵值為3 700kN。主樓區域範圍內底板厚度為 410～415m ,其餘範圍底板厚度為 210m。
工程上部結構同時採用以下三重抗側力結構體系(見圖 3) :1) 由巨型柱(主要的結構柱) ,巨型斜撐(主要的斜撐) 和周邊帶狀桁架構成的巨型框架結構 ;2) 鋼筋混凝土核心筒(層 79 以上為帶混凝土端牆的鋼支撐核心筒) ;3) 連繫核心筒和巨型結構柱間的外伸臂桁架。以上三個體系共同承擔了由風和地震引起的傾覆彎矩。前二個體系承擔了由風和地震引起的剪力。
混凝土核心筒外周牆體的厚度由下部的1 600mm變化至上部的 500mm ,牆、柱混凝土強度等級最高為C60。巨型斜撐及外伸臂桁架的構件截面形狀和尺寸見圖 4 和表 1 ,2。
標準辦公層及酒店層樓面採用普通混凝土與壓型鋼板組成的組合樓蓋 ,厚 156mm(其中壓型鋼板部分厚76mm ,混凝土厚 80mm) 。壓型鋼板僅用作模板使用 ,故不做防火噴塗。周邊帶狀桁架下弦所在樓層採用厚10mm 的鋼板加厚 190mm 的混凝土板進行加強 ,設計中考慮了鋼樑與混凝土樓板的組合作用。
建築結構體系有如下一些特點 :
(1) 巨型柱、巨型斜撐、周邊帶狀桁架構成的巨型結構具有很大的抗側力剛度 ,在建築物的底部外周的巨型桁架筒體承擔了 60 %以上的傾覆力矩和 30 %～40 %的剪力 ,而且與框筒結構相比 ,避免了剪力滯後的效應 ,也適當減輕了建築結構的自重。
(2) 外伸臂桁架在建築中所起的作用較常規的框架2核心筒或框筒結構體系已大為減少 ,使得採用非貫穿核心筒體的外伸臂桁架成為可行。
(3) 位於建築角部的巨型柱可起到抵抗來自風和地震作用的最佳效果 ,型鋼混凝土的截面可提供巨型構件需要的高承載力 ,也能方便與鋼結構構件的連接 ,同時使巨型柱與核心筒豎向變形差異的控制更容易。
(4) 巨型斜撐採用內灌混凝土的焊接箱形截面 ,不僅增加了結構的剛度和阻尼 ,而且也能防止斜撐構件鋼板的屈曲。
(5) 每隔 12 層的一層高的周邊帶狀桁架不僅是巨型結構的組成部分 ,同時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題。
3 結構計算分析及試驗工作
3.1計算原則
建築整體結構分析採用了多個三維結構分析程序 ,包括 ETABS(版本 810) (CSI 公司) 、中國建築科學研究院的 SATWE 程序和 SAP2000 (版本 810 ,CSI 公司) 及韓國MIDAS 公司的MIDAS/Gen 程序。對結構中較複雜的部分 ,除了整體結構的分析外 ,亦以獨立模型分析作為補充 ,例如塔樓頂部、核心筒牆體轉換和外伸桁架的分析。另外 ,亦對重要構件和節點進行了詳細的三維有限元分析。
根據抗震審查意見的要求 ,在抗震設計中 ,進行了7 度設防烈度地震(地面加速度峰值為 011 g) 和罕遇地震(地面加速度峰值為 0122 g) 的彈性時程分析 ,也考慮了深層軟土地基長周期對高柔建築的影響。另外 ,附加的彈性時程分析被用來確定建築物中相對較為薄弱的構件 ,並與靜力推覆分析的結果進行對比。表 3列出了不同地震水平下構件強度校核時對荷載分項係數、構件內力放大係數及材料安全係數的考慮。
3.2計算模型
整體計算中鋼結構和混凝土梁、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-Δ效應和扭轉效應 ,而且考慮了風荷載及地震作用的最不利方向。為提高計算效率及避免不必要的複雜細節 ,採用的計算機模型對結構進行了適當的簡化。
(1) 模型只模擬抗側力體系 ,對大樓整體側向反應影響較小部分 ,如樓面梁則被省略。
(2) 在 ETABS 和 SAP2000 模型中 ,核心筒以外樓板的平面剛度採用了等效的樓面桁架來模擬 (類似彈性樓板) 。當估算平面等效桁架的構件尺寸時 ,考慮了由於混凝土樓板開裂所引起的樓板平面剛度的減小 ,樓板估算剛度的大小對於周邊桁架及外伸臂桁架所在樓層杆件的內力會產生較大的影響。
(3) 由於計算機難以準確地模擬荷載在混凝土和鋼結構之間的傳遞 ,對埋置在混凝土中的鋼結構構件 ,如核心筒周邊桁架等 ,採用計算機整體模型得出的荷載以獨立的鋼結構模型進行分析。
3.3 計算結果
分享二：
上海環球金融中心結構基於性態的抗震設計研究
呂西林 朱傑江 鄒昀『
摘要：本文基於抗震性態設計的思想，確定了上海環球金融中心結構的抗震性能目標，對7度小震、中震．大震和8度大震作用下分別提出了相應的性能目標參數．對該結構進行了精細有限元彈性分析，彈塑性時程分析和節點應力分析，此外還進行了整體振動台模型試驗和主要節點試驗，理論分析與試驗結果起到了相互驗證．相互補充的效果．通過對這些結果的綜合研究表明：上海環球金融中心結構能夠滿足不同地震水準作用下的抗震性能目標．
評析：該篇文章是關於上海環球金融中心的結構和抗震分析。
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