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1、上海浦東國際金融大廈結構設計上海浦東國際金融大廈結構設計 設計重點設計重點:1.轉換層結構轉換層結構 2.風荷載取值風荷載取值浦東國際金融大廈照片浦東國際金融大廈照片浦東國際金融大廈設計簡介浦東國際金融大廈設計簡介工程簡介工程簡介 上海浦東國際金融大廈為地下上海浦東國際金融大廈為地下3層，地上層，地上53層，屋面以上還有層，屋面以上還有2層設備機房，建筑高算層設備機房，建筑高算至至53層屋面層屋面230米。米。建筑面積共建筑面積共11.4萬平方米。萬平方米。建筑使用功能建筑使用功能 地下室主要為停車庫、設備機房。地下室主要為停車庫、設備機房。低層部裙房主要為銀行、商店、餐廳等商低層部裙房主要為2、銀行、商店、餐廳等商業設施。業設施。中層部分為辦公用房。中層部分為辦公用房。高層部分為單元辦公用房。高層部分為單元辦公用房。建筑概況建筑概況:建筑高度建筑高度 230 m建筑層數建筑層數 地上地上 53 層層 地下地下 3 層層標準層層高標準層層高 735層層 3.9 m 3653層層 3.6 m下部標準層平面尺寸（軸線）：下部標準層平面尺寸（軸線）：48x48 m2上部標準層平面尺寸上部標準層平面尺寸(梭子形軸線梭子形軸線)：長軸長軸60.67 m 短軸短軸31.5 m結構類型結構類型 鋼鋼-砼混合框筒結構砼混合框筒結構建筑面積建筑面積 114,650 m2基礎基礎 609*14*300003、 鋼管樁基鋼管樁基建筑平面建筑平面建筑立面建筑立面結構簡介結構簡介 上部結構體系上部結構體系 金融大廈為混合結構高層建筑，由于建筑立面的內金融大廈為混合結構高層建筑，由于建筑立面的內收，使結構沿高度劃分為幾個部分，收，使結構沿高度劃分為幾個部分，1).中層和低層部中層和低層部分結構內部為由鋼筋砼剪力墻組成的中央核心筒，外部分結構內部為由鋼筋砼剪力墻組成的中央核心筒，外部框架低層部為鋼骨砼柱，內外的連接為鋼梁；框架低層部為鋼骨砼柱，內外的連接為鋼梁；2).轉換轉換部分中央核心筒為鋼筋砼剪力墻加鋼梁鋼柱組合結構，部分中央核心筒為鋼筋砼剪力墻加鋼梁鋼柱組合結構，外部為鋼柱，內外連接為鋼梁；外部為鋼柱4、，內外連接為鋼梁；3).高層部分內部為鋼高層部分內部為鋼筋砼筒體，外部為鋼柱，內外之間用鋼梁連接。筋砼筒體，外部為鋼柱，內外之間用鋼梁連接。結構體系結構體系低層部標準層平面低層部標準層平面高層部標準層平面高層部標準層平面基礎形式基礎形式 全鋼筋混凝土地下室，地下室底板厚：主樓部分全鋼筋混凝土地下室，地下室底板厚：主樓部分3.2米，裙米，裙樓部分樓部分1.5米。米。主樓樁基采用主樓樁基采用609.614鋼管樁，樁長鋼管樁，樁長30米米,分上下兩節。分上下兩節。樁尖持力層為樁尖持力層為7（2）層細粉砂土層，樁尖入土深度）層細粉砂土層，樁尖入土深度46米。米。基礎設計思想，以選擇合適的樁長控制最終沉5、降量，以及基礎設計思想，以選擇合適的樁長控制最終沉降量，以及通過對地下室底板剛度、內力調整而達到建筑物主裙樓間通過對地下室底板剛度、內力調整而達到建筑物主裙樓間不設沉降逢的設計目標。不設沉降逢的設計目標。主要結構材料主要結構材料 混凝土強度：混凝土強度：核心筒核心筒 地下地下B3 地上地上33層層 C50 34層層 頂層頂層 C40 外框柱外框柱 主樓主樓 C50 裙樓裙樓 C40 樓板樓板 C30 地下室地下室 C40鋼構件強度：鋼構件強度：鋼結構框架梁柱：鋼結構框架梁柱：fy=330 N/mm2 樓面體系次梁：樓面體系次梁：fy=240 N/mm2鋼管樁樁基資料鋼管樁樁基資料 鋼材材質：低6、合金鋼。鋼材材質：低合金鋼。鋼材強度：鋼材強度：fy=355N/mm2 樁經：樁經：609.6 樁長樁長 m）：主樓樁）：主樓樁30，分兩節。，分兩節。裙樓樁裙樓樁25，分兩節。，分兩節。樁頂標高（絕對標高）：主樓樁頂標高（絕對標高）：主樓11.80 裙樓裙樓10.10上部結構整體計算分析上部結構整體計算分析 由于建筑體形特殊，下部為正方形平面，上部為由于建筑體形特殊，下部為正方形平面，上部為梭子形平面，梭子形長軸為正方形對角線。梭子形平面，梭子形長軸為正方形對角線。無任是地震主動方向，還是主要受風荷方向，設無任是地震主動方向，還是主要受風荷方向，設計應考慮四個方向，分別為計應考慮四個方向，分7、別為x、y、u、v。計算分析主軸方向計算分析主軸方向結構基本周期結構基本周期 ETABS程序計算結果程序計算結果,前前6個自振周期：個自振周期：1 4.223892 4.039683 1.469104 1.136025 0.636146 0.62524抗風設計抗風設計 建筑高度達建筑高度達230米為超高層建筑，抗風設計已米為超高層建筑，抗風設計已屬于非一般高度建筑概念，風荷載取值有必要進屬于非一般高度建筑概念，風荷載取值有必要進一步分析。建筑平面上層部、下層部變化很大，一步分析。建筑平面上層部、下層部變化很大，受風壓體形系數規范已無法查找。為此進行模型受風壓體形系數規范已無法查找。為此進行模型8、風壓測試風洞試驗和采用理論推導計算建筑所受風壓測試風洞試驗和采用理論推導計算建筑所受風荷載，與現有規范計算風荷載進行比較，是結風荷載，與現有規范計算風荷載進行比較，是結構設計的必要前提。構設計的必要前提。風向風向高層高層中底層中底層ss計算寬計算寬ss計算寬計算寬u-uu-u1.41.431.531.51.151.1560.760.7v-vv-v1.21.260.760.71.151.1560.760.7x-xx-x1.41.442.042.01.41.449.549.5y-yy-y1.41.442.042.01.41.449.549.5 以規范公式計算所得風荷載，簡稱為規范以規范公式計算所得9、風荷載，簡稱為規范風力。風力。以風工程理論公式推導所得風荷載以風工程理論公式推導所得風荷載,簡稱理簡稱理論風力。論風力。以彈性模型在六分量動態天平實測的值推以彈性模型在六分量動態天平實測的值推算建筑所得風荷載，簡稱為風洞試驗。算建筑所得風荷載，簡稱為風洞試驗。層層數數層高層高高度高度規范風力規范風力理論風力理論風力傾覆力矩傾覆力矩傾覆力矩傾覆力矩摟層風力摟層風力每米風力每米風力摟層風力摟層風力每米風每米風力力規范風力規范風力理論風力理論風力503.60197.40704.15195.60651.80181.06138999.21128665.32453.60179.40668.66185.7410、602.10167.25119957.60108016.74403.60161.40628.22174.51552.50153.47101394.7189173.50353.60143.40591.88164.41499.50138.7584875.5971628.30303.90124.50597.44153.19536.60137.5974381.2866806.70253.90105.00553.37141.89498.50127.8258103.8552342.50203.9085.50482.67123.76446.80114.5641268.2938201.40153.9066.011、0427.22109.54384.3098.5428196.5225363.80103.9046.50368.7994.56320.9082.2817148.7414921.8554.0027.00308.5377.13355.6090.038330.319601.2016.006.00252.2942.0581.6014.841513.74489.60合合計計30885.7827881.804348602.763798741.38下表為以規范公式計算所得風荷載和風工程理論公式推導所得風荷下表為以規范公式計算所得風荷載和風工程理論公式推導所得風荷 規范風力樓層力和理論風力樓層力比較圖表規范風力12、樓層力和理論風力樓層力比較圖表規范風力傾覆力矩和理論風力傾覆力矩比較圖表規范風力傾覆力矩和理論風力傾覆力矩比較圖表規范風力沿高度分布和理論風力沿高度分布比較圖表規范風力沿高度分布和理論風力沿高度分布比較圖表 風洞試驗彈性模型在六分量動態風洞試驗彈性模型在六分量動態天平實測的最大值推算建筑結構原型，天平實測的最大值推算建筑結構原型，在不同屋頂風速時的基底剪力、傾覆在不同屋頂風速時的基底剪力、傾覆力矩、紐矩。力矩、紐矩。見下表：見下表：基底剪力基底剪力 規范風力規范風力/理論風力理論風力/風洞試驗風洞試驗=30885/27881/26090=1/0.9/0.75傾覆力矩傾覆力矩 規范風力規范風力/13、理論風力理論風力/風洞試驗風洞試驗=4348602/3798741/3555500=1/0.87/0.82 抗震設計抗震設計 多遇地震作用下的結構計算分析采用振型分解反應譜法，多遇地震作用下的結構計算分析采用振型分解反應譜法，分別計算四個地震方向。分別計算四個地震方向。設計地震荷載按上海市標準設計地震荷載按上海市標準建筑抗震設計規范建筑抗震設計規范（DBJ08-9-92）確定。確定。罕遇地震作用下的結構計算分析采用時程分析法，最大加罕遇地震作用下的結構計算分析采用時程分析法，最大加速度為速度為220gal，持時，持時30秒。地震波取用秒。地震波取用ELCENTRO、TAFT、SHANGHAI人14、工波等波。人工波等波。計算位移計算位移 采用采用ETABS程序進行計算分析，風荷作用程序進行計算分析，風荷作用和地震作用下的位移計算值：和地震作用下的位移計算值：風荷作用位移，最大層間位移發生在風荷作用位移，最大層間位移發生在4649層為層為1/530。地震作用下位移地震作用下位移，最大層間位移發生在，最大層間位移發生在5253層為層為1/632。風荷作用位移 單位：cm 層數 層高 高度 風荷作用(x)風荷作用(v)層間位移 層間位移v (m)(m)x 轉角 x,y v 轉角 PF 5.0 226.1 20.10 1/781 0.1857 26.26 1/553 50 3.6 193.8 115、6.10 1/766 0.1453 20.55 1/542 45 3.6 175.8 13.77 1/766 0.1214 17.17 1/542 40 3.6 157.8 11.48 1/818 0.0983 13.90 1/592 35 3.6 139.8 9.42 1/947 0.0788 11.14 1/727 30 3.9 120.6 7.53 1/1114 0.0621 8.78 1/951 25 3.9 101.1 5.85 1/1182 0.0484 6.84 1/1022 20 3.9 81.6 4.26 1/1258 0.0352 4.98 1/1103 15 3.9 6216、.1 2.80 1/1444 0.0230 3.25 1/1254 10 3.9 42.6 1.55 1/1773 0.0126 1.78 1/1532 5 7 23.0 0.60 1/2593 0.0046 0.65 1/2357 規范風荷載下計算位移曲線規范風荷載下計算位移曲線 x、v兩個方向兩個方向地震作用下位移 單位：cm 地震作用(V)地震作用(U)地震作用(X)層間位移 層間位移 層間位移 層間位移 層數 層高 高度 V 轉角 U 轉角 U 轉角 V 轉角 PF 5 226.1 18.87 1/641 15.30 1/1136 10.82 1/1613 13.34 1/909 5017、 3.6 193.8 14.41 1/643 12.72 1/1125 9.00 1/1565 10.19 1/900 45 3.6 175.8 11.71 1/720 11.09 1/1125 7.84 1/1565 8.28 1/1029 40 3.6 157.8 9.38 1/878 9.49 1/1161 6.71 1/1636 6.63 1/1286 35 3.6 139.5 7.58 1/1161 7.98 1/1286 5.65 1/1714 5.36 1/1636 30 3.9 120.6 6.07 1/1500 6.52 1/1393 4.61 1/2053 4.29 1/218、167 25 3.9 101.1 4.78 1/1560 5.16 1/1500 3.65 1/2053 3.38 1/2167 20 3.9 81.6 3.55 1/1625 3.87 1/1560 2.74 1/2167 2.51 1/2294 15 3.9 62.1 2.39 1/1773 2.66 1/1696 1.88 1/2438 1.69 1/2600 10 3.9 42.6 1.36 1/2167 1.56 1/1950 1.10 1/2786 0.96 1/3250 5 7 23.0 0.54 1/3182 0.64 1/2593 0.45 1/3684 0.38 1/43719、5 地震作用下地震作用下V、U兩個方向的位移曲線兩個方向的位移曲線 風荷載所產生的傾覆力矩在外圈柱上生成風荷載所產生的傾覆力矩在外圈柱上生成了最大為了最大為443t的附加軸力，與長期柱軸的附加軸力，與長期柱軸力力1873t相比，只為其相比，只為其1/4.2。地震作用下傾覆力矩在外圈柱上產生的最地震作用下傾覆力矩在外圈柱上產生的最大附加軸力為大附加軸力為308t，為長期柱軸力，為長期柱軸力1873t的的1/6.1。罕遇地震作用下的結構分析為抗震設計的罕遇地震作用下的結構分析為抗震設計的第二階段，采用時程分析法，最大加速度第二階段，采用時程分析法，最大加速度為為220gal，持時取為，持時取為3020、秒。所用地震波為秒。所用地震波為ELCENTRO波、波、TAFT波和波和SHANGHAI BDJ波。波。時程分析的結果中，上海人工地震波時程分析的結果中，上海人工地震波SHANGHAI BDJ的地震效應最大。的地震效應最大。U方向的最大層間變形角發生在方向的最大層間變形角發生在54層，為層，為1/120。V方向的最大層間變形角發生在方向的最大層間變形角發生在46層，為層，為1/134，均小于控制值均小于控制值1/70。轉換層結構分析轉換層結構分析 金融大廈體形變化很大，由下部的正方形金融大廈體形變化很大，由下部的正方形平面變成上部的梭子形平面，從平面變成上部的梭子形平面，從23層到層到30層為21、過渡層，從正方形對角線向中間逐層層為過渡層，從正方形對角線向中間逐層收小，整個過渡層高度有七層之高，傾角收小，整個過渡層高度有七層之高，傾角60度。外圈框架柱上下無法對齊，需設置度。外圈框架柱上下無法對齊，需設置結構轉換層。結構轉換層。轉換層的結構形式一般可以有兩種轉換層的結構形式一般可以有兩種形式選擇形式選擇：巨大桁架承托轉換巨大桁架承托轉換斜柱框架轉換斜柱框架轉換巨大桁架承托轉換巨大桁架承托轉換巨大桁架承托轉換巨大桁架承托轉換 最能實現豎向力的轉換，且結構變形最能實現豎向力的轉換，且結構變形小，是較經濟的結構形式。但由于桁架布小，是較經濟的結構形式。但由于桁架布置會影響建筑設計及空間使用。22、置會影響建筑設計及空間使用。主要特點主要特點變形小，主要構架變形為構件軸心變形引變形小，主要構架變形為構件軸心變形引起。構件的彎曲變形為構架的次要變形。起。構件的彎曲變形為構架的次要變形。不平衡力適應性好。不平衡力適應性好。需控制構件長度。需控制構件長度。斜柱框架轉換斜柱框架轉換 框架式結構變形大，控制構架變形主框架式結構變形大，控制構架變形主要為構件抗彎特性及構架節點剛度決定，要為構件抗彎特性及構架節點剛度決定，在不平衡力作用下變形大，結構穩定性差。在不平衡力作用下變形大，結構穩定性差。斜柱框架轉換斜柱框架轉換 實際工程中結構為框筒結構，平面中央實際工程中結構為框筒結構，平面中央有鋼筋混凝土23、剪力墻筒體，其抗變形能力有鋼筋混凝土剪力墻筒體，其抗變形能力大，穩定性好。為此金融大廈轉換層結構大，穩定性好。為此金融大廈轉換層結構設計，利用中央混凝土核心筒體抗變形能設計，利用中央混凝土核心筒體抗變形能力強的特點，外圈框架柱為斜柱框架結構。力強的特點，外圈框架柱為斜柱框架結構。計算分析計算分析 由于轉換層部位，斜柱框架受力的復雜由于轉換層部位，斜柱框架受力的復雜性。對轉換層進行截段計算分析各構件的性。對轉換層進行截段計算分析各構件的受力大小及不利因素，分析結構安全可靠受力大小及不利因素，分析結構安全可靠性是金融大廈結構設計的重要內容。性是金融大廈結構設計的重要內容。空間分析空間分析 采用采用24、ETABS程序，對結構進行截段分析。程序，對結構進行截段分析。對對22層層39層轉換層部分進行豎向荷載下層轉換層部分進行豎向荷載下受力狀況計算。受力狀況計算。截段計算整體模型截段計算整體模型 平面框架分析平面框架分析 采用采用SAP90計算程序，分析轉換層的斜柱計算程序，分析轉換層的斜柱框架的構件受力。框架的構件受力。平面框架示意平面框架示意 結構計算分析基本假定：結構計算分析基本假定：忽略轉換層以下的構件豎向變形和中央忽略轉換層以下的構件豎向變形和中央筒體的砼徐變變形。從施工上控制轉換層筒體的砼徐變變形。從施工上控制轉換層開始層的樓面水平度。開始層的樓面水平度。轉換層截段計算結果分析轉換層截25、段計算結果分析：（1）平面框架計算結果各構件內力很大。）平面框架計算結果各構件內力很大。（2）整體空間計算各構件內力比平面框架計算結果要小。）整體空間計算各構件內力比平面框架計算結果要小。（3）從結構形式及結構布置看，豎向荷載作用下主要是平）從結構形式及結構布置看，豎向荷載作用下主要是平 面框架，對于外圍框架的作用很小，可不予考慮。面框架，對于外圍框架的作用很小，可不予考慮。(4)解析結果表明轉換層部分，外框柱的軸向力在與斜柱解析結果表明轉換層部分，外框柱的軸向力在與斜柱 轉折處，轉折處，梁的剪力、彎矩都相當的大梁的剪力、彎矩都相當的大。(5)無論框架梁柱節點，還是梁墻節點都承擔了相當大的無論26、框架梁柱節點，還是梁墻節點都承擔了相當大的 彎矩剪力。為保證整個框架的成立，及控制不使節點彎矩剪力。為保證整個框架的成立，及控制不使節點 變形過大，節點設計及節點的施工質量之關重要。變形過大，節點設計及節點的施工質量之關重要。(6)對斜柱框架在上轉折點樓層處，該梁的設計是非一般對斜柱框架在上轉折點樓層處，該梁的設計是非一般 的受彎構件，而是壓彎構件。該區域樓面荷載必須嚴的受彎構件，而是壓彎構件。該區域樓面荷載必須嚴 格控制，格控制，避免梁的壓彎失穩破壞。避免梁的壓彎失穩破壞。構件計算簡圖構件計算簡圖浦東國際金融大廈部分結構施工圖浦東國際金融大廈部分結構施工圖底部結構標準層施工圖底部結構標準層施27、工圖 開始轉換層結構施工圖開始轉換層結構施工圖 轉換中間層結構施工圖轉換中間層結構施工圖 上部結構標準層施工圖上部結構標準層施工圖 轉換層結構局部施工圖轉換層結構局部施工圖 浦東國際金融大廈風洞浦東國際金融大廈風洞試驗試驗 試驗目的試驗目的:(1).本建筑形體復雜本建筑形體復雜,規范沒有此種規范沒有此種 體形系數體形系數.(2).本建筑為超高層建筑本建筑為超高層建筑,規范風荷規范風荷 載高度系數與實際有偏差載高度系數與實際有偏差.試驗內容試驗內容:(1).剛性模型建筑物表面風壓測試剛性模型建筑物表面風壓測試.(2).氣彈性模型建筑物受風力和傾覆力氣彈性模型建筑物受風力和傾覆力 測試測試.流場模28、擬流場模擬 實驗在均勻流和大氣邊界層流兩種不同的流場中進行，以實驗在均勻流和大氣邊界層流兩種不同的流場中進行，以比較兩種不同流場中測得的體型系數的差別。比較兩種不同流場中測得的體型系數的差別。均勻流場，無需進行特殊的模擬，風速從地面沿垂直高度均勻流場，無需進行特殊的模擬，風速從地面沿垂直高度為同一數值。均勻流場不模擬氣流的脈動，只要測時間平為同一數值。均勻流場不模擬氣流的脈動，只要測時間平均值。均值。大氣邊界層氣流，由于大氣邊界層氣流的脈動，所以除了大氣邊界層氣流，由于大氣邊界層氣流的脈動，所以除了測量時間平均值之外，還測量了相應與測量時間平均值之外，還測量了相應與1秒鐘的瞬間值，秒鐘的瞬間值，并模擬城市并模擬城市B類地貌，類地貌，氣彈性模型氣彈性模型剛性模型剛性模型風洞試驗風洞試驗浦東國際金融大廈施工現場浦東國際金融大廈施工現場施工進度前后關系施工進度前后關系鋼梁與砼核心筒鋼梁與砼核心筒體聯接節點板體聯接節點板鋼梁與砼核心筒鋼梁與砼核心筒體聯接體聯接鋼管斜柱、梁鋼管斜柱、梁節點節點轉轉換換層層鋼鋼結結構構施施工工現現場場轉換層鋼結構轉換層鋼結構施工現場施工現場轉換層鋼結構轉換層鋼結構施工現場施工現場斜鋼管柱、鋼梁、斜鋼管柱、鋼梁、砼核心筒體三者砼核心筒體三者關系。關系。謝 謝 !