第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 上海外滩国际金融服务中心超限塔楼抗震设计 孙战金，穆为，姜文伟 （华东建筑设计研究总院上海20002） 提要：上海外滩国际金融服务中心位于上海外滩风貌旅游区、十六铺水上旅游中心及上海豫园特色商业旅游区的 交汇点.南块双塔楼是两幢180n高的现代化超高层办公建筑，采用钢框架-钢筋混凝土核心简混合结构体系.
本 文从结构选型、概念设计、超限处理等方面进行了详述，对该项目的结构设计做一个总结.
关键词：钢框架-钢筋混凝土核心筒混合结构：超限高层：铰接：箱形柱 1工程概况 上海外滩国际金融服务中心位于上海外滩风貌旅游区、十六铺水上旅游中心及上海豫园特色商业旅游 区的交汇点，东靠中山东二路，南临东门路，北接龙潭路，西侧为人民路，与西侧传统豫园商业区及上海 老城厢区域相接，工程所在区域是浦江西岸开发的核心重点区域.
工程分为南北两个地块，建设基地总面积为45472m，总建筑面积为426073m.
南北地块地下室为各 自整体地下室，北区地上分为N1、N2、N3、N4和N5五个单体，为集商业、餐饮和办公为一体的综合性建 筑：南区地上分为S1、S2和S3三个单体，为集商业、餐饮、电影院和办公为一体的综合性建筑.
南区的 S1、S2塔楼均为39层，建筑高度180米，为超高层双塔建筑.
建筑效果见图1.
图1双塔建筑效果图 作者簧介：孙战金（1973-），男，博士，高级工程师 1
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 年 2结构体系与选型 129 46m 24m wg - 图2塔楼典型平面及制面图 S1、S2塔楼标准层平面及剖面如图2所示，楼层及芯筒均为正方形平面，楼面及芯筒结构宽度分别为 46m和24m，塔楼高度为179.4m，整体结构及芯筒的高宽比分别为3.9和7.48，长宽比均为1，本工程塔 楼结构平面规则、对称，质量、刚度沿高度分布均匀，体型指标合理，适用的结构体系可选择性较大.
为 了获得安全、合理、经济的设计效果，我们在结构方案论证阶段进行了结构体系比选.
本建筑的使用功能要求不允许外框做成密柱深梁或支撑筒体结构，整体无法形成均具有足够刚度内外 筒的筒中筒结构，因此本结构的结构体系总体上只能是框架-核心筒结构.
《高层建筑混凝土结构技术规程》 （JGJ3-2010）对各种结构体系适用高度进行了规定，上海抗震设防烈度为7度，B级高度钢筋混凝土框架 一核心筒结构最大适用高度为180m，能满足本工程需要，为避免结构高度过高，轴压比控制下混凝土竖向 构件截面尺寸过大，影响建筑使用要求的问题，竖向构件中需要设置钢骨，自然形成型钢混凝土框架一钢 筋混凝土核心筒的混合结构体系，适用高度为190m.
由此，本工程结构体系比选将主要围绕型钢混凝土框 架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系与钢结构体系展开.
《高层建筑混凝土结构技术规程》规定7度区钢框 架-钢筋混凝土核心筒结构适用最大高度为160m，而《高层民用建筑钢结构技术规程》规定7度区钢框架- 混凝土核心筒结构及钢框架-支撑结构适用最大高度分别为180m和220m.
柱，钢筋混凝土楼面框架梁，钢筋混凝土核心筒.
SRC框架柱从下往上截面尺寸由1800x1500缩小至 2
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 1000x1000，中间凹口处框架柱从下往上截面尺寸由1200x2300缩小至800x2300：外框梁截面尺寸为 800x1100，楼面梁为400~700x800不等：芯筒剪力墙从下往上厚度由1000mm减缩小至600mm.
钢框架-钢筋混凝土核心简混合结构体系主要特点是，周边由方钢管框架柱、H形钢框架梁一起形成的 钢外框架，与钢筋混凝土核心筒组成结构抗侧力体系.
采用压型钢板组合楼板，连接外筒与芯筒的钢梁两 端铰接处理，传力途径清晰，也确保施工的便利，有利于缩短工程进度.
钢框架柱从下往上截面尺寸由 850x850缩小至500x500，最大板厚为80mm：外框梁焊接H形钢，最大高度为800mm，楼面梁采用轧制H 型钢，标准层最大梁高为500，能满足承载力要求及楼面振动舒适度要求.
钢材材质为Q345B.
芯筒剪力 墙从下往上厚度由1000mm减缩小至600mm.
钢框架一钢支撑核心筒结构体系主要特点是，芯筒为单斜杆或人字形支撑筒体，外框为方钢管柱和焊 接H形钢钢框架，压型钢板组合楼板，整体结构为钢结构，钢材材质为Q345B.
表1结构方案指标比较 方案 SRC 框架- 钢框架- 钢框架- 钢筋混凝土核心简结构 钢筋混凝土核心简结构 钢支撑核心简结构 周期T1 4. 8748s 4. 8324s 6. 2328s 周期T2 4. 7136s 4. 6889s 6. 1359s 周期T3 4. 0077s 3. 5381s 4. 9417s X向底层地震力（剪重比） 31345. 12( 1. 82%) 28830. 88( 2. 03%) 18302. 97 ( 1. 69%) Y向底层地震力（剪重比） 30674. 18 ( 1. 78%) 28377. 04 ( 2. 00%) 18775. 98 ( 1. 73%) 框架倾覆力矩比 35%^73% 11. 48%*42. 79% X向最大层间位移 1/762 (29 层) 1/747 (29 层) 1/386 (28 层) Y向最大层间位移 1/716 (29 层) 1/748 (29 层) 1/365 (27 层) 上部结构重量 1722259KN 1420240KN 1083016KN 标准层平均质量 2.10t/r左右 1.7t/r²左右 1. 30t/r²左右 外框剪力比 17%°74% 5. 24%~40% 平米用钢量 40kg/r左右（钢骨用量） 100kg/²左右 220kg/r²左右 从表1的数据上看，几个方案均可满足规范要求，都能适用于本工程，相比而言，钢框架-钢筋混凝 土核心筒结构和钢框架-钢支撑核心简结构比SRC框架-钢筋混凝土核心筒结构一次性造价高，但结构总体 重量及框架柱尺寸、框架梁及楼面梁高度等均有优势，面且钢结构施工工期比较快，楼面钢梁腹板可适当 留设洞口，能有效增加楼层净高.
综合考虑各相关因素后，本工程最终采用钢框架-钢筋混凝土核心筒结 构体系.
经计算分析，伸臂桁架及环形桁架对本工程结构性能影响不大，对结构经济性改善不明显，反面 会在一定程度上影响建筑外观效果和室内使用功能，因此结构整体不再设伸臂桁架和环形桁架.
3结构概念设计 本工程结构设计使用年限为50年，上部结构安全等级为一级，地基基础设计等级甲级.
抗震设防烈 度7度，抗震设防类别为乙类，设计基本地震加速度为0.10g，场地土类别为上海地区IV类，设计地震分 组为第一组，场地特征周期为0.9s.
基本风压0.6KN/m²，体型系数1.4，地面粗糙度B类.钢框架-钢筋 混凝土核心筒混合结构的阻尼比取0.04.
根据现行规范，核心筒剪力墙的抗震等级为特一级，钢框架 抗震等级为二级.
结构在多遇地震和风荷载作用下的层间位移限值为1/715，在罕遇地震作用下层间位移 限值为1/100.
本工程塔楼结构以地下室顶板（即土0.000的楼板）作为嵌固端，确保地下一层与一层的刚度比满足 抗规及高规要求.
按上海市《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2003的规定并结合建筑使用功能要求，在平面
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 核心部位布置剪力墙，形成钢筋混凝土剪力墙芯筒，在塔楼周边布置钢框架，使整体成为钢框架-钢筋混 凝土核心筒体系.
在保证芯筒足够刚度的前提下，通过合理确定边框梁、柱截面，适当加强边框架的刚度， 提高结构的整体侧向刚度及扭转刚度.
在体系上，1.保证规定水平力下，底部楼层剪力墙承担大于50%的 总地震倾覆力矩：2.保证框架部分分配的地震剪力标准值的最大值不小于结构底部总地震剪力标准值的 10%，满足框架-核心筒结构抗震要求.
塔楼上部结构的柱网确定和结构布置尽可能做到使结构的刚度中心 与质量中心尽量接近，以减小结构在水平地震作用下的扭转效应，满足规范对结构扭转位移比限值的要求， 并使结构在两个主轴方向具有合理、相近的抗侧刚度，提高结构的整体抗震性能：合理确定各楼层侧向刚 度，使得各层侧向刚度满足抗震规范要求的相邻楼层间刚度关系以及抗剪承载力关系的要求.
采用钢框架-钢筋混凝土核心筒结构体系可以很大程度上减小框架柱截面尺寸，降低楼面梁高，提高 建筑使用效率.
地上结构从下往上，核心筒混凝土强度等级由C60降低至C40，墙厚由1000mm减小至600mm， 大屋面以下的芯筒转角处均设置构造钢骨以提高芯筒延性：外围钢框架柱为箱形截面，尺寸从850x850至 500x500，壁厚从80mm至40mm逐渐减小：外框焊接H形框架钢梁最大梁高为800mm，确保外框具有足够的 刚度，满足外框剪力比，并承担一定比例的倾覆力矩.
梁柱所用钢材材质为Q345B，钢板厚度最大达80mm， 板厚≥40mm时要求满足2向的断面收缩率.
各楼层采用压型钢板组合楼板，楼面钢梁采用轧制H形截面， 梁高不超过500mm.
楼板混凝土强度等级为C35，除设备层及其它需加强的楼层楼板厚度为150mm外，其 余楼层板厚为120mm.
典型结构布置图如图3所示.
6. 图3塔楼典型平面结构布置图 4结构超限及处理措施 本结构超限情况见表2，主要存在高度超限、平面扭转不规则及凹凸不规则等情况.
表2结构不规则情况 序号 结构不规则情况 不规则分类 1 7度区建筑物结构控制高度为170m，超过钢框架-钢筋混凝土 高度超限 核心简适用最大高度160m X偶然偏心地震作用规定水平力下，Y方向最大层间位移与 2 平均层间位移的比值为1.32，大于1.2：45度方向地震作用 平面扭转不规则 下，Y偶然偏心地震作用规定水平力下，Y方向最大层间位移 与平均层间位移的比值为1.47，大于1.2.
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第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 二层楼面大开洞，开洞面积为本楼层面积的60%，大于30%.
楼板局部不连续 主楼37层，平面收进的水平尺寸大于相邻下一层的25%.
侧向刚度不规则 5 底部裙房结构平面突出于主楼平面范围，突出部分的长度超过 凹凸不规则 连接宽度2.5倍左右.
根据以上的结构不规则情况，按沪建建[2003]702号文的附件一判断，本工程属超限高层建筑工程.
针对结构高度超限的情况，我们提高芯筒剪力墙的抗震性能目标，对核心筒底部加强部位的墙肢，按 中震弹性的要求进行斜截面承载力验算，控制大震标准组合下的剪压比不超过0.15：对底部加强区以上芯 筒墙肢，控制中震标准组合下的剪压比不大于0.15.
图4为大震、中震计算时的墙肢剪压比.
0.094 0.048 0018 1 035 （a）底部加强区芯筒大震剪压比验算结果 （b）底部加强区以上芯筒中震剪压比验算结果 图4芯筒墙肢剪压比验算结果 图4（a）反映，按大震计算，除有几片墙肢超过0.15外（图中云线注明处），大部分剪力墙的墙肢大 震下的剪压比均小于0.15，由于整体核心筒X、Y方向单向平均剪压比均较小，可以认为，剪力墙底部加 强部位满足大震下的截面控制条件：图4（b）反映各墙肢剪压比均小于0.15，能满足设定的性能目标.
除按大震、中震性能目标控制剪力墙截面外，对底层剪力墙还需控制中震下墙体钢筋应力.
利用图5 所示，进行中震下底层墙肢钢筋应力计算.
014 （a）0度方向倾覆力矩芯简的最大受拉区 （b）45度方向倾覆力矩芯筒的最大受拉区 图5底层芯筒剪力墙中震倾覆力矩钢筋验算 中震下底层芯筒0度方向承担的倾覆力矩为MY=7933608KN.m，45度方向承担的倾覆力矩为 5
