上海中心大厦结构设计
(1)
-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
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............................................................................错误!未定义书签。摘要 ...................................................................................................................错误!未定义书签。
1 工程概况.........................................................................................................错误!未定义书签。
2 结构体系.........................................................................................................错误!未定义书签。
3 主要分析结果.................................................................................................错误!未定义书签。
结构动力特性..........................................................................................错误!未定义书签。
地震作用分析结果..................................................................................错误!未定义书签。
风荷载分析结果......................................................................................错误!未定义书签。
4 关键设计问题.................................................................................................错误!未定义书签。
巨柱受力性态分析及设计......................................................................错误!未定义书签。
组合钢板剪力墙设计..............................................................................错误!未定义书签。
基于性能的抗震设计..............................................................................错误!未定义书签。
风工程研究..............................................................................................错误!未定义书签。
结构控制..................................................................................................错误!未定义书签。
弹塑性动力分析......................................................................................错误!未定义书签。
考虑施工过程的非荷载效应分析..........................................................错误!未定义书签。
抗连续倒塌分析......................................................................................错误!未定义书签。
5 结论.................................................................................................................错误!未定义书签。
6 参考文献.........................................................................................................错误!未定义书签。
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，塔楼区域开挖深度约。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
上海中心大厦塔楼结构设计 目录 上海中心大厦塔楼结构设计 (1) 摘要 (2) 1 工程概况 (3) 2 结构体系 (4) 3 主要分析结果 (6) 3.1 结构动力特性 (6) 3.2 地震作用分析结果 (6) 3.3 风荷载分析结果 (7) 4 关键设计问题 (8) 4.1 巨柱受力性态分析及设计 (8) 4.2 组合钢板剪力墙设计 (11) 4.3 基于性能的抗震设计 (12) 4.4 风工程研究 (13) 4.5 结构控制 (13) 4.6 弹塑性动力分析 (14) 4.7 考虑施工过程的非荷载效应分析 (15) 4.8 抗连续倒塌分析 (16) 5 结论 (17) 6 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。
超级工程---上海中心大厦施工技术解读一，工程简介： 上海中心大厦位于陆家嘴金融中心，是一座集商业、办公、酒店观光为一体的综合性摩天大楼。建筑总占地面积约为30370㎡，总建筑面积574058㎡，其中地上部分建筑面积,410139㎡，建筑高度：632米。地下5层，基坑深度,。 主楼为钢筋混凝土与钢结构组合而成的混合结构体系。竖向结构包括核心筒和巨型柱，水平结构包括楼层钢梁、楼面桁架、环状桁架、伸臂桁架及组合楼板。 二，施工技术中的重点及措施： 1，主楼基坑工程： 主楼区基坑采用明挖顺作法先行施工。塔楼围护结构采用121m直径的环 形地下连续墙（厚）加6道环形圈梁支撑体系。土方开挖后形成内部无 遮蔽的“井筒”，便于结构顺作。 随后逆作法施工裙房区结构。 ，降水方案： 、基坑内每25m设置25m深真空管井井点疏干降水井42口，25m深的观察井4口； 、主楼坑内设置55m深的减压降水井12口，45m深的观察井3口； 、基坑外设置65m深的减压降水井28口； 、裙房两墙合一的地下连续墙内侧设置45m深的观察井4口、外侧设置45m深的观察井3口。 ，土方工程： 总土方量约38万m3。采用先开挖中部土方，再挖环边土方的顺序， 分6层开挖。流程如下： 第一、二层土方（）→第三层土方、第二道围檩（）→第四层土方、 第三道围檩（）→第五层土方、第四道围檩（）→第六层土方、第五 道围檩（）→第七层土方、第六道围檩（） 2，桩基工程： ，基桩采用后注浆钻孔灌注桩，桩身混凝土强度C50，单桩承载力特征值10000KN。桩径1m分A、B两种；A桩长86m有效长度56m，247根桩位于核心筒区； B桩长82m有效长度52m，708根桩位于扩展区； ，桩端后注浆施工，每根桩预设3个灌浆管，桩端水泥用量每根4000kg,桩端注浆终止标准采用注浆量和注浆压力双控制，以注浆量为主； ，后注浆钻孔灌注桩施工工艺： 、成孔方式：正循环钻进，反循环清孔； 、泥浆制备：采用专用膨润土和外加剂人工拌制; 泥浆除砂：ZX-250型泥浆净化装置（除砂机）除砂； 、钻头形式：三翼双腰钻加钻具配重；
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 (1) 1 工程概况 (2) 2 结构体系 (3) 3 主要分析结果 (5) 3、1 结构动力特性 (5) 3、2 地震作用分析结果 (5) 3、3 风荷载分析结果 (6) 4 关键设计问题 (7) 4、1 巨柱受力性态分析及设计 (7) 4、2 组合钢板剪力墙设计 (10) 4、3 基于性能得抗震设计 (11) 4、4 风工程研究 (12) 4、5 结构控制 (12) 4、6 弹塑性动力分析 (13) 4、7 考虑施工过程得非荷载效应分析 (13) 4、8 抗连续倒塌分析 (14) 5 结论 (16) 6 参考文献 (16) 摘要 上海中心大厦建筑高度为632m，位于台风影响区与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，为实现其高效与安全得结构设计，需解决众多得技术难题。本文对上海中心大厦得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得基础形式。其次对结构体系构成与主要得结构分析结果进行介绍，主要内容包括本项目采用得巨型框架-伸臂-核心筒混合结构体系得各组成部分与主要得地震与风荷载分析结果。最后对项目结构设计得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、基于性能得抗震设计、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
上海中心总高为632米，结构高度为580米，由地上121层主楼、5层裙楼和5层地下室组成，其主体建筑结构高度为580米，总建筑面积57.6万平方米，建成后将成为上海最高的摩天大楼。2008年11月29日进行主楼桩基开工。2013年8月3日，上海中心大厦580米主体结构封顶。 上海中心大厦项目概况 项目名称、地址和建设单位 （1）本项目名称为“上海中心大厦”。 （2）项目地址：本工程选址地位于上海市浦东新区的陆家嘴功能区，具体建设地点为陆家嘴金融中心区黄浦江 沿岸E14单元Z3-1、Z3-2地块，地块东至东泰路、南依银城南路、北靠花园石桥路，西临银城中路。 （3）建设单位：上海中心大厦项目建设发展有限公司 建设内容和规模 上海中心大厦项目工程占地面积30370m2，建筑高度为632m，结构高度565.6m。项目建成后总建筑面积为558806m2。 方案和效果图：
陆家嘴集团曾安排该项目进行过三次招标，其中一次招标吸引了美国SOM建筑设计事务所、美国KPF建筑师事务所及上海现代建筑设计集团等多家国内外设计单位提交设计方案。于最后一次招标，两个设计方案获得入围资格， 分别为美国Gensler建筑设计事务所的“龙型”方案及英国福斯特建筑事务所“尖顶型”方案。经过评选，“龙型” 方案中标，大厦细部深化设计将以“龙型”方案作为蓝本。 在经过多番投标及筛选后，上海中心的建筑设计方案最终被确定为“龙型”方案，该方案由美国Gensler建筑设计事务所提供。从外观上看，“上海中心”像一条盘旋上升的巨龙，“龙尾”在大厦顶部盘旋上翘，580米的“身高”将成为上海新高度。 三维模型图：
上海中心大厦 ——中国第一高楼，高度632米 工程投资额：148亿元 工程期限：2008年—2014年 金茂大厦、上海环球金融中心，以及正在建设中的上海中心大厦，将构成上海陆家嘴天际线的塔尖。 2008年8月30日，高达492米的环球金融中心宣布正式启用。与此同时，毗邻环球金融中心，正在准备开工建设一幢更高的摩天大楼——上海中心大厦。根据规划，上海中心大厦的主楼为124层，总高度为632米，结构高度为565.5米（原公布为580米)，这两个高度均超过了上海环球金融中心，建成之后，上海中心大厦将当之无愧地成为中国第一高楼。 上海中心大厦的占地面积3.04万平方米，容积率为12.5，项目建成后，总建筑面积将达到55.88万平方米——远远超过毗邻的环球金融中心(38万m2)。不过，在总建筑面积中，上海中心大厦的地上建筑面积约为37.97万平方米，地下建筑面积达到约17.92万平方米(包括地下停车库面积约1万平方米，2000个停车位)。另外，上海中心大厦规划有5层的裙房，高度约35米。值得一提的是，之前上海市有关部门曾经公布上海中心大厦高度为580米，此次，报告中提及其主楼高127层，结构高度约为565.6米，而建筑高度将达到惊人的632米。 上海中心大厦的开发建设和运营，由上海中心大厦建设发展有限公司负责，于2008年11月29日进行主楼桩基开工，它将超过20.5米的金茂大厦和492米的上海环球金融中心，成为中国第一高楼，也将成为完全符合“绿色建筑”标准的摩天大楼。
2010年7月19日，上海黄浦江两岸风景。 项目地块 上海中心大厦项目坐落在小陆家嘴的黄浦江沿岸，地块的正式名称是E14单元Z3-1、Z3-2地块，其东至东泰路、南依银城南路、北靠花园石桥路，西临银城中路，北对金茂大厦，东接上海环球金融中心。做为上海国际金融中心核心区——陆家嘴金融城最重要的标志性功能建筑。根据制定于1993年的《上海陆家嘴中心区规划设计方案》，金茂大厦、环球金融中心所在地以及陆家嘴Z3－2地块，将建设3幢超高层的标志性建筑，形成“品”字形布局。其中，陆家嘴Z3－2地块是“上海中心”所在地，Z3-2地块座落在浦东陆家嘴金融中心区的东泰路、银城南路和花园石桥路交界处。地块北侧是金茂大厦，东侧是上海环球金融中心，南侧是滔滔黄浦江。 项目所在地块曾被称作“小陆家嘴核心区域最后一块待建地块”，被用作陆家嘴高尔夫练习场，目前租期已满的土地早已被收回，土地收回等准备工作也都完成，只待“上海中心”方案确定、择日动工的消息。
BCW 】上海中心大厦外幕墙工程设计 上海中心大厦建筑外观呈螺旋状上升。由主楼底部起始做平面旋转的建筑表皮，因建筑平面设计有一处凹口，使得在外幕墙上呈现V 形凹槽，就此由底部旋转至顶部塔冠。从空中俯瞰， 632m 上海中心大厦非对称的卷折式顶部造型，与421m 高金茂大厦的点状皇冠顶部及492m 高环球金融中心的现状合拢顶部相互辉映，刷新和重组了上海的天际线（图1）。 图 1 上海中心大厦效果图上海中心大厦优美的建筑形态究竟如何成形？又有哪些特点？真正承担建筑外围护的外幕墙各系统究竟如何构成？又有哪些关键数据？基于这些问题，本文从幕墙设计的角度分析上海中心大厦的建筑几何形态成形以及幕墙系统组成。 1 建筑几何形态分析上海中心大厦外幕墙（A 幕墙）形态复杂，其成形过程是依据建筑设计定义的一套成体系的原则及公式，幕墙设计必须正确理解建筑几何形态成形理念，并以此为基础作为整个上海中心大厦建筑幕墙设计的原点，才能正确地深化设计出塔楼外幕墙体系。根据对建筑形态组成的理解，整个形态成形可以分部分项地拆解为：建筑基准平面成形（含V 形口）、分格尺寸成形、实际楼层平面成形、单元板块成形、凹凸台面成形等。此外结合结构设计要求，与 外幕墙匹配的幕墙支撑钢结构也有一套完整的成形及定位原则，此问题将在后续文章中详述。 1.1 塔楼外形整体几何分析如图2 所示，上海中心大厦塔楼外形整体几何形态可简单描述为以下 5 个
控制要点。图 2 塔楼外形整体几何分析（1）确定四个基准平面的外形尺寸。根据建筑所给的定位原则及参数确定± 0m、45m、605m 和632m 标高处的典型标高平面外形。（2）确定建筑的起始旋转方位。要求塔楼± 0m 标高处建筑平面外形“ V ”口的起始角度为正南方向顺时针旋转50°。（3）确定建筑的旋转角度。把建筑总高632m 等分为632000 份，得到每一个单位高度建筑旋转角度为120/605 000 = 0.000 214 286 °，建筑自身总体旋转 135.429。，相应标高Z的旋转角度R = Z X 0.000214 286°。 （4）确定幕墙板块标高处平面外形缩放。根据招标图平面缩放公式丫= EXP （Z X S）（其中Z =（幕墙定位标高一45）, S = -0.001 096）,计算出缩放比率丫值，依次类推，完成所有层的平面外形尺寸建模。（5）在已有平面外形图的基础上完成 A 型幕墙的平面分格定位，通过定位点最终生成带立面分格线的精准三维线框图。1.2 塔楼建筑几何形态成形过程简述塔楼建筑几何形态分为基准平面成形与实际标高平面成形，基准平面及平面分格成形分为以下几个步骤。（1 ）选取平面上一点定为WP1 ，由WP1 画直线47 565mm 确定WP2 点，分别由WP1、WP2 两点作夹角 为60°、23.3°射线，交点定为WP3 点。（2）以WP2 点为圆心、88380mm 为半径作夹角为46.6 °圆弧段，再以WP1 为圆心，将圆弧段分别按顺时针和逆时针旋转120°， 形成三段圆弧。（3）以WP3 点为圆心，以R2 为半径作圆弧段，确定三段小圆弧与大弧段连接，形成类三角平面。（4）利用软件取基准外形轮廓线等弦长均分138份X TSL ;在基 准层平面TSL=2 104.093mm 。（5）选取下方的小圆弧段，以 小圆弧中点为基准起点作半径R = 2104.093mm的圆，等
上海中心大厦结构设计 (1) -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
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............................................................................错误!未定义书签。摘要 ...................................................................................................................错误!未定义书签。 1 工程概况.........................................................................................................错误!未定义书签。 2 结构体系.........................................................................................................错误!未定义书签。 3 主要分析结果.................................................................................................错误!未定义书签。 结构动力特性..........................................................................................错误!未定义书签。 地震作用分析结果..................................................................................错误!未定义书签。 风荷载分析结果......................................................................................错误!未定义书签。 4 关键设计问题.................................................................................................错误!未定义书签。 巨柱受力性态分析及设计......................................................................错误!未定义书签。 组合钢板剪力墙设计..............................................................................错误!未定义书签。 基于性能的抗震设计..............................................................................错误!未定义书签。 风工程研究..............................................................................................错误!未定义书签。 结构控制..................................................................................................错误!未定义书签。 弹塑性动力分析......................................................................................错误!未定义书签。 考虑施工过程的非荷载效应分析..........................................................错误!未定义书签。 抗连续倒塌分析......................................................................................错误!未定义书签。 5 结论.................................................................................................................错误!未定义书签。 6 参考文献.........................................................................................................错误!未定义书签。