1 工程概况

上海中心塔楼地上124 层，结构屋面高度580m，建筑塔顶高度632m，地下5 层。塔楼采用巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系，结构高宽比为7. 0。地上建筑面积约38 万m2 ，地下室建筑面积约14 万m2。建筑沿高度共分9 个区，1 ～ 6 区为办公室，7～ 8区为酒店，建筑顶部为观光层及塔冠。

本工程塔楼结构设计由Thornton Tomasetti 以及同济大学建筑设计研究院承担。受上海中心大厦建设发展有限公司委托，华东院承担了结构设计全过程的第三方独立审核，包括结构概念设计、初步设计和抗震超限审查、施工图设计以及施工过程的咨询。第三方独立审核对结构的安全性、经济性以及施工可行性进行复核和评价，并提出审核和咨询意见，供业主和设计方参考。

2 结构体型及体系

对于高度超过400m 的超高层建筑，仔细考虑风荷载和作用等水平荷载作用对结构的影响是至关重要的。合理的结构体型和结构体系是确保结构安全性和经济性的前提。

2.1 结构体型

上海中心塔楼结构平面为圆形，沿高度由底部直径83. 6m 逐渐收进并减小至42m。中央核心筒底部为30m×30m 正方形钢筋混凝土筒体，从5区开始，核心筒四个角部被削掉，逐渐变化为十字形，直至建筑顶部。塔楼外部幕墙呈三角形旋转上升，每层旋转1°，共旋转120°。塔楼结构平面布置基本对称、规则，立面均匀变化呈截锥形，有利于结构抗震和结构整体稳定。建筑外形呈流线形且螺旋上升，可减小风荷载体型系数。

另外，结构在横风向的漩涡脱落频率随斯脱罗哈数以及建筑宽度变化而变化，因此，通过扭转以及逐渐内收的体型，建筑宽度在不断改变，从而使漩涡脱落不能有效组织起来，可有效降低结构横风向荷载和横风向结构顶部加速度。风洞试验结果表明螺旋扭转体型可比常规体型降低风荷载40%，10年一遇风荷载作用下顶部加速度为0.08m /s2;而国内另一幢类似结构体系、高度及高宽比的规则体型的超高层建筑顶部风振加速度为0.20m/s2。

由于外幕墙结构为附属结构，不参与抵抗风荷载，主体结构建筑体型与结构抗侧力体系布置不对称，在风荷载作用下结构将产生较大扭转，在结构抗风设计时应特别重视。

2.2 结构体系

目前国内外建筑高度400m 及以上的超高层建筑的结构体系主要有巨型空间框架-核心筒-外伸臂结构体系(简称体系1)以及巨型框架支撑-核心筒-外伸臂结构体系(简称体系2)

结构布置基本呈现以下特点: 构件超大巨型且周边布置，空间结构、抗侧力结构与竖向承重结构相结合，尽可能让抵抗侧向力的构件处于轴压状态而不是受拉和受弯等。

上海中心大厦是陆家嘴金融区的第三幢高度超过400m 的超高层建筑。其结构体系与已建成的金茂大厦、上海环球金融中心有相似之处，如均采用了钢-混凝土混合结构体系和伸臂桁架系统，核心筒均为钢筋混凝土剪力墙，巨柱均采用SRC 柱。该结构体系较好地满足了建筑低区办公、高区酒店的混合建筑功能需求，也适应了我国建筑材料和施工技术的特点。

工程实践表明，在高度400m 及以上的超高层建筑中普遍采用巨型框架-核心筒-外伸臂结构体系。该体系是超高层建筑结构体系发展的趋势之一，结构效率较高，能适应综合建筑功能的需求，在国内有一定的设计、施工经验可以借鉴。因此，上海中心大厦结构体系是成熟可行的。

3 风荷载

上海中心结构高度接近600m，高宽比达到7，结构自振周期达到9s，对如此细柔的超高层建筑，风荷载是结构控制性荷载之一。风荷载作用下的结构动力响应极其敏感，有必要进行细致的风洞试验，并与规范计算风荷载进行对比。

3.1 规范计算的风荷载与风洞试验结果对比

风洞试验采用的风剖面和《建筑结构荷载规范》( GB 50009—2001) ( 简称荷载规范)。

根据加拿大RWDI 公司提供的风洞试验报告，100年回归期梯度高度(500m处)的平均风速为50m/s，换算成荷载规范的10min 平均风速约为53.2m/s。

总体上图2 中两条曲线变化趋势相近，数值大小比较接近，可以认为风洞试验和荷载规范的风剖面是基本吻合的。

但两者仍存在一定的区别:

1 ) 梯度高度的差异，风洞试验梯度高度为500m，荷载规范梯度高度为400m; 2) 梯度高度以上，荷载规范风速不再变化，风洞试验的风速则继续增大;

3) 大部分高度(0～ 540m) ，风洞试验的风速比荷载规范的小5%～10%，由于风压与风速之间为平方关系，风洞试验的风压系数将比荷载规范的小10% ～ 20%。上海中心形状介于截角三角形和圆形之间，假设体型系数取截角三角形和圆形的平均值。考虑到上海中心平面沿高度扭转120°，对于同一风向，不同高度处体型系数会有所差别，在顺风向风荷载计算时，取正反两个方向(0.89 和0.75)的平均值，即体型系数取0.82。

顺风向荷载相差较少，横风向荷载差异较大，主要原因是复杂体型建筑的横风向作用理论研究尚未成熟，荷载规范的横风向计算主要针对规则体型。

3.2 阻尼比取值

根据大量超高层建筑在风荷载作用下结构阻尼比实测值统计结果来看，高度大于250m 建筑结构的阻尼比在0.5%～1%之间，且有随着结构高度的增加，阻尼比呈逐步下降的趋势。上海环球金融中心的阻尼比实测值表明，结构前3 阶振型的阻尼比分别为0.43%，0.46%和1.08% ，前21 阶振型的阻尼比在0.13% ～ 1. 21% 之间。

在结构设计中，由于结构固有阻尼比较难精确估计，因此一般采用较低阻尼比来保守地计算分析结构风荷载以及舒适度，并通过加大结构刚度来满足动力响应。另一途径就是增加补偿阻尼，如采用TMD 或是其他粘滞阻尼来获得结构确定的阻尼，减小风荷载作用下的结构动力效应。我国规范建议的混凝土结构阻尼比5%、混合结构阻尼比3. 5%、钢结构阻尼比2% 仅适用于作用，应用在超高层风荷载设计中是不合适的，主要因为在作用下结构允许局部破坏吸收能量来获得阻尼，而风荷载相对持续时间较长，且不允许结构进入塑性变形时间较长从而导致疲劳失效。

原设计采用的100 年一遇、4% 阻尼比( 用于结构承载力计算) ，高估了结构自身的阻尼比。根据风洞试验结果，4% 阻尼比的风荷载取值与2% 阻尼比相比减小30% 左右，对结构变形控制、强度校核均有不利影响。考虑到我国规范对超高层建筑的层间位移等限值要求较严，参照北美地区对层间位移的设计要求，对正常使用极限状态的验算( 如层间位移计算) ，其阻尼比采用4%是可以接受的。

4 基础设计

上海中心大厦塔楼采用钻孔灌注桩，桩基直径1m，有效桩长51. 2m，桩端入土深度约82m，桩端持力层为层⑨2-1粉细砂层，采用桩端后注浆，单桩承载力特征值10 000kN，共有955 根桩。塔楼基础筏板面积8 623m2 ，厚度6m，基础埋深30. 8m。基础筏板的沉降和内力分析采用华东院自主研发的《高层建筑桩箱、桩筏底板沉降及内力计算高精度有限元程序》( PWMI) 。该软件在弹性范围内对桩-土、筏板、上部结构墙体分别采用群桩相互作用理论、厚板理论、梁单元模型模拟进行分析。在结构竖向荷载作用下，最大桩顶沉降为153mm( 核心筒区域) ，最小桩顶沉降为105mm( 角柱边缘) ; 最大桩顶反力8 310kN( 核心筒区域) ，最小桩顶反力5900kN( 角柱边缘) 。

根据PWMI 计算得到的桩顶反力与位移，可以初步反算得到每根桩的弹簧刚度。为了便于计算，将其取值进行归并后分为两个区域，即核心筒区和其他区域( 图4) ，

两个区域的桩基弹簧刚度分别为55，65kN /mm。原设计采用的桩基弹簧刚度分别为97. 5，152kN /mm，其最大桩顶沉降为72mm。第三方独立审核采用的桩基弹簧刚度比原设计偏小，导致基础沉降以及筏板弯矩值偏大。笔者建议基础底板沉降计算采用规范沉降计算经验系数，并参考与本工程桩长和桩端持力层接近的实际工程的沉降实测值。

5 巨型框架

巨型框架由8 根巨柱( 结构6 区以下增加4 根角柱) 和位于设备层的环带桁架组成，是塔楼抗侧力结构体系和承重结构体系的重要一环。巨型框架由于构件截面巨大，长度( 或跨度) 较大，与常规梁柱刚接的框架结构受力有较大区别，其构件的布置与设计也有其特殊性。

5．1 巨型框架承担内力

由巨柱组成的巨型框架在结构的抗侧力体系中贡献较大，巨型框架在风荷载、作用下承担的基底剪力与倾覆弯矩占到总内力的50% 与70% 以上。多遇作用下各层剪力值及其分配

值得注意的是作用下的剪力分配，由于采用反应谱分析所得内力结果恒为正值，故选取反应谱分析所得剪力按静力施加于结构各层得到各层剪力分配。本工程巨型框架底层承担的基底剪力占总剪力的50%左右，与常规框架-核心筒结构中框架承担剪力比例不到10% 相比，差异显著。主要原因有以下两点:

1) 外框巨柱总的截面面积与核心筒剪力墙的截面面积基本相当，两者抗剪刚度相差无几;

2)由于6 道伸臂桁架的作用，巨柱在水平荷载作用下产生较大轴力。以底层巨柱为例，多遇下巨

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