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世茂国际广场主楼结构设计
汪大绥;张坚;包联进;王振雄
【期刊名称】《建筑结构》
【年(卷),期】2007(37)5
【摘要】世茂国际广场座落于人民广场边,是上海市浦西的第一高楼,独特的建筑外型为结构设计带来了相当的设计难度。
系统地介绍了世茂国际广场主楼结构设计内容,包括结构体系的重大变更、整体结构的计算分析、结构转换的计算、阻尼减振弱连接、屋面88m装饰桅杆设计、以及施工阶段的验算,重点介绍了针对工程中重点、难点所采用的一些相应对策和措施。
【总页数】4页(P13-16)
【关键词】结构体系;搭接柱块;伸臂桁架;主动预应力索;高层建筑;结构设计
【作者】汪大绥;张坚;包联进;王振雄
【作者单位】华东建筑设计研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU318
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第29卷第3期建 筑 结 构 学 报Vol 129,No 132008年6月Journal of Building StructuresJune 2008文章编号:100026869(2008)0320001209CCT V 新台址主楼结构设计与思考汪大绥,姜文伟,包联进,张富林,王 建,孙战金,童 骏,黄永强,刘志斌(华东建筑设计研究院有限公司,上海200002)摘要:CCT V 主楼为倾斜双塔连体结构,位于8度抗震设防区,设计使用年限为100年,属特别复杂超限超高层连体建筑。
主体结构采用刚度较大的支撑外筒结构体系。
新颖的结构体型给结构设计及施工带来了很多新课题和难点。
通过采用性能化的抗震设计方法以及理论分析与试验研究相结合,对结构关键技术如施工模拟、高含钢率SRC 柱、罕遇地震下的弹塑性时程分析、新型节点构造的应用以及防连续倒塌等加以综合研究与分析,很好地解决了工程中遇到的技术难题。
施工过程中的应力和变形监测结果也初步验证了结构设计方法的正确性和可靠性。
CCT V 主楼结构经历了艰辛的设计历程,其设计成果是对现有设计理念、设计方法的丰富和推进,同时也在设计理论、抗震性能化目标、现行规范运用、复杂形体建筑设计等方面引发了新的课题和思考。
关键词:倾斜塔楼;连体结构;高含钢率SRC 柱;抗震性能化分析;施工模拟;防连续倒塌中图分类号:T U973117 文献标识码:ADesign and study of Ne w CCT V BuildingWANG Dasui,J I A NG W enwei,BAO L ianjin,ZHANG Fulin,WANG J ian,S UN Zhanjin,T ONG Jun,HUANG Yongqiang,L IU Zhibin(East China A rchitectural Design and Research Institute Co .L td,Shanghai 200002,China )Abstract:The New CCT V Building consists of t wo leaning towers,which are linked together at the t op via a cantilever linkelement .The building is l ocated at 8degree 2earthquake fortificati on zone and its design working life is 100years .Its structural design requirement exceeds the code li m its .The main tower adop ts external tube with braces,which can p r ovide high stiffness .The novel and comp licated structure system brings a lot of new challenges t o structure design and constructi on .A ll the technical p roblem s have been overcome finally by using perfor mance 2based seis m ic design,detailed construction sequence analysis,non 2linear seis m ic res ponse analysis,innovative ty pe joint,high 2rati o steel SRC colu mn .The monitoring data of stress and defor mati on achieved during the constructi on p r ocedure p r oves the validity and reliability of the design method.The design p rocess of the New CCT V Building is t ough,but it als o pushes the devel opment of existing design method and concep t .Meanwhile,it encourages a l ot new studies in design methodology,the app lication of existing standard and comp lex building design .Keywords:leaning t ower;over 2hang;high steel rati o SRC column;perfor mance 2based seis m ic design;construction sequence;p rogressive collap se作者简介:汪大绥(1941— ),男,江西乐平人,教授级高级工程师。
大连绿地中心结构设计汪大绥，包联进，陈建兴，钱鹏，江月，周建龙，陆道渊（1.华东建筑设计研究院总院，上海200002）提要：大连绿地中心为超高层建筑，建筑高度518m，结构高度400.8m，采用巨型框架支撑+核心筒+伸臂桁架结构体系。
根据结构体系和受力特点，提出了具体的结构抗震性能目标和抗震加强措施。
整体结构弹性分析和弹塑性时程结果表明，结构整体指标和抗震性能均满足规范和抗震性能目标的要求。
对特殊部位的结构和关键问题，包括减小风荷载、支撑和伸臂桁架效率、酒店区结构体系和剪重比控制等进行分析和探讨，为结构设计提供充分的依据，同时也为同类工程和问题提供参考。
关键词：超高层建筑，风荷载，伸臂桁架，剪重比1工程概况大连绿地中心项目（图1）位于大连湾东港区，毗邻国际会议中心和大剧院，由一幢超高层塔楼、商业裙房和地下室组成，主要功能为办公、公寓和酒店，总建筑面积为29.95万m2，地上建筑面积为22.03万m2，地下建筑面积为7.92万m2。
超高层塔楼地上83层，地下5层，建筑塔冠高度为518m，结构高度400.8m。
裙房地上4层，地上部分与塔楼之间设抗震缝脱开。
建筑设计与结构设计均由华东建筑设计研究总院承担。
超高层塔楼平面（图2）为具有弧形切角的等边三角形，底部切角较小，顶部切角较大。
L1~L37层，楼层平面大小沿高度先略微增大再略微减小，切角三角形边长在51.2m~53.3m之间变化；L39至顶层切角三角形边长逐渐收缩，切角三角形平面边长从51.2m减小为32.7m。
塔楼核心筒呈六边形，长边边长约为29m，高度约34m，主要功能为高速电梯、设备用房和服务用房。
图1大连绿地中心效果图图2 塔楼平面布置图基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAJ07B01）作者简介：汪大绥（1941-），男，教授级高工本工程设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，抗震设防类别属乙类建筑。
设计基本地震加速度峰值为0.1g场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4s。
设计说明一、概况二、设计依据三、设计原则及指导思想四、规划设计分区特点及空间（竖向）设计五、规划设计总体布局功能分区及方案特点说明六、具体设计及特点七、主要植物品种八、工程管线布局设计九、设计指标十、设计周期及施工组织计划十一、工程造价估算十二、景观规划报价一、概况大连公共绿地工程是根据上海市人民政府有关“关于都市绿化系统建设目标的要求”和由环线内500米服务半经的公共绿化规划实施的，其目的是为了适应城市发展对环境的要求，为了杨浦区大连路越江隧道出口和明珠二号线杨浦段沿线营造特色的生态绿地景观，同时辐射和带动旧地改造和绿地周边地区的住宅建设，塑造杨浦新形象，加快上海中心城市的绿化建设，改善杨浦区西南地区的生态环境，提高市民生活、工作的环境质量，并促进经济的进一步良性循环，大连公共绿地位于杨浦区西起大连路，东至荆州路，北依长阳路，南达霍山路，范围用地3,28公顷，绿地面积2.7公顷.二、设计依据大连公共绿地工程方案设计依据如下：1、上海市计委（沪计城[2001]181号文“关于杨浦区公共绿地项目建设书的批复”2、杨规地（2004）004号“关于核发杨浦区大连路公共绿地项目建设用地规划许可证书（含选址意见书）的通知”3、设计任务书三、规划设计原则及指导思想方案设计上以生命的诠释做为全区设计的指导思想，根据人类生命的复杂成长演绎过程，用景观的语言创造出具有生命力的环境景观，强调精神世界和物质世界的共生性，注重全球生态可持续性发展的理解和共识，体现新陈代谢的思想，将过去，现在，未来，这三个各不相同的时间段在这个相同的空间里的进行表达，用发展和未来的目光敏锐地审视和深刻思考着我们生存的世界，积极地思考着我们的未来。
四、规划设计分区特点及竖向设计说明根据生命的诠释的设计指导思想，结合用地的环境特点，在景观设计上分别分为三个设计主题：（一）.生命的起源；（二）.生命的跃动；（三）.生命的展望，表达出身体和心智的延伸，演绎一种可以触摸到的精神世界里的生命景观。
大连绿地中心结构设计汪大绥，包联进，陈建兴，钱鹏，江月，周建龙，陆道渊（1.华东建筑设计研究院总院，上海200002）提要：大连绿地中心为超高层建筑，建筑高度518m，结构高度400.8m，采用巨型框架支撑+核心筒+伸臂桁架结构体系。
根据结构体系和受力特点，提出了具体的结构抗震性能目标和抗震加强措施。
整体结构弹性分析和弹塑性时程结果表明，结构整体指标和抗震性能均满足规范和抗震性能目标的要求。
对特殊部位的结构和关键问题，包括减小风荷载、支撑和伸臂桁架效率、酒店区结构体系和剪重比控制等进行分析和探讨，为结构设计提供充分的依据，同时也为同类工程和问题提供参考。
关键词：超高层建筑，风荷载，伸臂桁架，剪重比1工程概况大连绿地中心项目（图1）位于大连湾东港区，毗邻国际会议中心和大剧院，由一幢超高层塔楼、商业裙房和地下室组成，主要功能为办公、公寓和酒店，总建筑面积为29.95万m2，地上建筑面积为22.03万m2，地下建筑面积为7.92万m2。
超高层塔楼地上83层，地下5层，建筑塔冠高度为518m，结构高度400.8m。
裙房地上4层，地上部分与塔楼之间设抗震缝脱开。
建筑设计与结构设计均由华东建筑设计研究总院承担。
超高层塔楼平面（图2）为具有弧形切角的等边三角形，底部切角较小，顶部切角较大。
L1~L37层，楼层平面大小沿高度先略微增大再略微减小，切角三角形边长在51.2m~53.3m之间变化；L39至顶层切角三角形边长逐渐收缩，切角三角形平面边长从51.2m减小为32.7m。
塔楼核心筒呈六边形，长边边长约为29m，高度约34m，主要功能为高速电梯、设备用房和服务用房。
图1大连绿地中心效果图图2 塔楼平面布置图基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAJ07B01）作者简介：汪大绥（1941-），男，教授级高工本工程设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，抗震设防类别属乙类建筑。
设计基本地震加速度峰值为0.1g场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4s。
根据本项目的地震安全性评价报告，多遇地震加速度峰值为46gal，为规范为1.3倍。
本工程为风敏感性的超高层结构，基本风压为0.65 kN/m2，地面粗糙度为A 类，设计风荷载和楼顶加速度需通过风洞试验确定。
2结构体系塔楼主体结构采用巨型框架支撑+核心筒+伸臂桁架结构体系，形成了双重抗侧力体系来抵抗水平风和地震产生的作用，如图3所示。
核心筒+伸臂桁架巨型框架+支撑巨型框架+次框架整体结构图2塔楼结构体系核心筒在平面居中布置，从基础筏板顶面延伸至结构顶层，贯通建筑全高。
核心筒外围墙肢厚度为1400mm~400mm，中部墙肢厚度为800mm~600mm。
从筏板顶面到28层，外围墙肢内埋置钢板，形成组合钢板剪力墙，中部墙肢以及28层以上的外围墙肢内设置型钢，形成组合钢骨剪力墙。
核心筒混凝土强度等级底部为C60，高区为C50 。
巨型框架由6根巨型柱、6道环形桁架、巨型钢支撑及框架梁组成，39层以下，在平面的长边布置6根中柱，减小环形桁架跨度。
巨柱采用型钢混凝土截面（图4），含钢率为4.0%~5.0%。
巨柱底部截面面积约19m2，沿高度逐渐内收，外侧保持平齐，顶部截面面积约8m2。
环形桁架承担次框架传来的竖向荷载，并与巨型柱形成巨型框架抵抗水平力。
为提高外围巨型结构的抗侧刚度，增加外围框架承担地震剪力的比例，在50层以下的三组巨型角柱之间设置巨型支撑。
为协调核心筒与巨型框架的变形，提高结构的整体刚度，沿塔楼高度设置了4道2层高伸臂桁架（图5）。
伸臂桁架延伸到核心筒墙体内，提高伸臂桁架整体性。
次框架每10-18层一段，由次柱和边梁组成，采用钢框架结构。
次柱和边梁刚接，用来将竖向荷载传递给环形桁架和巨型柱，同时提供部分抗侧刚度，增大周边框架的抗侧能力。
次框架顶部与上部环形桁架设置长圆孔螺栓实现竖向滑移，避免环形桁架上部的竖向荷载传递给次框架柱。
塔楼地上楼盖采用钢梁-组合楼板体系，楼板为压型钢板-混凝土组合楼板。
标准层楼板厚120mm，加强层为200mm。
图3巨柱截面形式示意图4伸臂桁架布置示意图3基础设计塔楼基础采用天然地基+筏板基础，筏板厚度4.5m。
塔楼基础埋深28.6m，为结构高度的1/14。
塔楼基础持力层主要为中风化板岩，承载力特征值为2500kPa。
塔楼地基持力层局部含有构造破碎带，承载力特征值约为500 kPa -800 kPa，构造破碎带埋深大部分位于底板以下7m范围内，设计中对底板以下7m范围内的构造破碎带进行挖除，并回填C30混凝土。
裙房和纯地下室采用天然地基+筏板基础，筏板厚度1m。
由于地下水位较高，抗浮设计水位为-2.75m，裙房和纯地下室区域的底板存在抗浮问题。
结合当地常用的抗浮措施、施工条件和经济性，采用岩石锚杆进行抗浮。
4整体结构弹性分析整体结构采用通用有限元软件ETABS进行分析，并采用MIDAS作为补充校核。
4.1 主要分析结果结构前3阶自振周期为6.85s，6.61s，3.68s。
第1，2阶分别为49度方向和139度方向的平动主振型，第3阶为扭转主振型。
第一扭转周期与第一平动周期的比值为0.54，小于规范限值0.85。
不同地震水准和风荷载作用下结构的基底剪力和层间位移角见表1和表2。
本项目风荷载较大，风荷载引起的倾覆力矩比中震的结果还大，风荷载引起的层间位移角明显大于小震下的结果，说明整体结构刚度主要是风荷载起控制作用。
表1 基底剪力和底部倾覆力矩力作用方向基底剪力(MN) 底部倾覆力矩(MN-m)小震中震大震100年风小震中震大震100年风X向51 97 225 51 12,218 22,900 52,869 25,021Y向51 97 225 51 12,228 22,897 52,887 28,083表2 最大层间位移角小震作用50年风X向(1/) 981 556Y向(1/) 987 504最不利地震方向（30度），结构的最小剪重比为0.0135，为规范限值0.0158（0.012x1.31）的85.7%。
剪重比小于0.0158的范围为19层及以下，约为全部楼层度的22%。
设计中，对小震下全楼的地震效应进行放大，放大系数取1.17。
结构整体稳定验算满足规范要求，但小于2.7，故本工程在弹性计算模型中应考虑重力二阶效应的不利影响。
4.2 小震作用下楼层剪力及倾覆力矩分配小震作用下外框与内筒楼层剪力及倾覆力矩的分配如图6所示。
50层以下（1~4区），外框承担剪力约占同层总剪力的12%~20%，与底部总剪力的比值均大于10%。
50层以上（5~6区），外框承担剪力约占同层总剪力的18%~30%，占基底总剪力7%~9%，与51层（5区底部）层剪力的比值均大于10%。
从倾覆力矩外框内筒分担情况看，外框承担更多的倾覆力矩，且随着高度的增加，外框承担倾覆力矩的比例更大。
图5 外框与内筒楼层剪力和倾覆力矩分布曲线5 结构抗震性能目标及弹塑性时程分析验证按照性能化设计的思想，针对不同部分构件的重要性提出主要结构构件的抗震性能目标。
竖向抗侧构件核心筒墙体的正截面承载力、支撑、伸臂桁架和次框架柱的抗震性能目标提高到中震弹性，墙体大震下满足抗剪截面条件；巨柱、环形桁架含有转换功能的构件，抗震性能目标提高到大震不屈服；其余构件如连梁和次框架梁允许中震屈服耗能。
小震和中震下结构的性能作为结构承载力验算的依据。
大震下的抗震性能通过弹塑性动力时程分析来验证。
结构的弹塑性时程分析采用了有限元分析程序LS-DYNA 。
地震时程波采用了2组天然波和1组人工波，且每组地震波均含三个分量。
在罕遇地震下，塔楼在两个方向的最大层间位移角之平均值为1/200和1/206，满足1/100的限值要求。
核心筒包括底部加强区总体处于弹性，仅与伸臂连接的局部墙肢出现轻微的塑性变形，混凝土未出现明显不利的受压状态。
核心筒连梁部分出现明显的塑性铰，但塑性程度总体不高。
巨柱、中柱和环带桁架均处于弹性范围内，伸臂桁架出现一定程度的塑性变形。
外框梁总体处于弹性，仅第二道伸臂以上的部分外框梁出现较轻的塑性铰。
塔冠构件总体处于弹性，仅部分柱脚处出现较轻的塑性变形。
弹塑性时程分析结果表明，罕遇地震下结构整体刚度未明显退化，仍具有稳定的承载力，各主要构件的性能均满足抗震性能目标的要求。
102030405060708090-40 -20 0 20 40 60 80楼层层剪力(MN)多遇地震下X 向楼层剪力分配层剪力核心筒剪力外框剪力102030405060708090-5,0000 5,000 10,000 15,000楼层层倾覆力矩(MN.m)多遇地震下X 向倾覆力矩分配层倾覆力矩核心筒倾覆力矩外框倾覆力矩6设计关键问题及策略6.1减小风荷载大连绿地中心建筑高度较高，基本风压较大，结构刚度由风荷载控制。
在塔楼体型基本确定的前提下，通过风洞试验研究，采取措施尽量减小塔楼的风荷载。
本项目从初步方案开始，即关注建筑物的空气动力学优化，结构工程师与建筑师、风工程顾问紧密合作对建筑体型进行了多轮抗风优化，采取了包括沿高度不断变化的体型，角部切角处理和增加塔楼表面粗糙度措施，破坏漩涡脱落沿建筑物的相关性。
风洞试验结果显示，本项目空气动力学外形较好，在极端风情况下，结构设计荷载主要由顺风向控制风荷载，横风向效应不明显。
大连绿地中心塔冠高约105m，塔冠高度高，且造型为下部主体建筑的延续，迎风面非常大，塔冠风荷载引起的基底倾覆力矩占整体塔楼的30%以上。
设计中，对塔冠造型进行调整，包括在三个凹面开大洞，在三个垂直面设置透风孔。
对不同透风孔开孔率下塔冠的风荷载进行研究，当塔冠开孔率由25%增加到50%时，塔冠风荷载减小26%。
图6大连绿地中心风洞试验模型6.2支撑与伸臂效率分析为研究伸臂桁架和支撑的作用，对四种不同的结构方案进行对比分析。
四种方案的结构体系及其在50年Y向风荷载下的比较结果如下表3所示。
方案B的周期明显小于方案A，说明支撑显著提高结构刚度。
方案C的周期也明显小于方案B，说明伸臂桁架可有效提高结构整体刚度。
方案D的周期明显小于方案C，说明伸臂桁架的刚度对提高结构整体刚度有显著的影响。
设置支撑和伸臂桁架后，整体结构水平变形明显减小，伸臂桁架对减小结构层间位移角作用更为显著，伸臂桁架的刚度也对整体结构的水平变形有较大影响。
表3 支撑与伸臂效率分析方案结构体系周期(s) 塔冠结构顶部位移(mm) 最大层间位移角(/1)T1 位移与方案A比值A 巨型框架+核心筒8.47 1311 1.00 338B 巨型框架支撑+核心筒8.07 1253 0.96 354C 巨型框架支撑+核心筒+单层伸臂桁架7.38 1149 0.88 481D 巨型框架支撑+核心筒+双层伸臂桁架7.02 1120 0.85 514不同结构在Y向风荷载下外框承担的剪力与结构底部总剪力的比例与承担的倾覆力矩见图8~9。
