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第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 时代金融中心大厦结构设计方案比较 王沔周春岳建勇胡振青 上海建筑设计研究院有限公司上海2 0 0 0 4 1 提要本文主要介绍上海市陆家嘴金融贸易区时代金融中心 B 3 5 地块 的结构方案。介绍了在方案设计过程中， 通过对上部结构体系进行安全性、工期、造价、使用空间等方面的多个方案比较、对桩基部分进行了桩型、进入持力层 深度等比较。最终选择合理的结构布置方案。 关键词超高层建筑结构设计后注浆方案比较 1 引言 随着我国经济的发展，超高层建筑也不断增多。由于超高层建筑一般造价高，施工周期长，业主往 往要求结构设计方案不仅要保证结构安全性，满足建筑需要；；而且要求加快工程进度，减少造价。面 对新的要求。传统的“规范 计算”的设计方法已经不能满足市场的要求，只有对结构方案不断的比较 和优选，实现资源的有效利用，才能更好的满足业主和市场的需求。本文结合上海市陆家嘴金融贸易区 时代金融中心 B 3 5 地块 的结构设计，介绍了超高层建筑上部结构及桩基方案比较和优选的过程。 2 工程概况 时代金融中心坐落于上海市陆家嘴金融贸易区B 3 5 地块，主楼建筑总高度为2 3 9m 室外地面 至主要屋面高度2 0 9 ．9m ，地下三层，地上4 6 层；裙房高度2 4m ，建筑面积地下1 2 0 0 0 m 2 ，地上8 8 0 0 0 m 2 开工日期为2 0 0 4 年1 2 月2 8 日，结构封顶日期为2 0 0 7 年1 0 月。 时代金融中心主楼采用框架一核心筒结构体系，砼核心筒是主要的抗侧力构件。混凝土核心筒四角 加型钢角柱。与主楼相连的裙房采用钢骨混凝土柱，钢 混凝土 梁框架结构，其他部分裙房采用钢筋 混凝土框架结构。主楼与主要裙房之间不设缝。但在施工阶段主楼与裙房之间设置沉降后浇带，以减少 施工阶段主楼与裙房之间的沉降差，从而减少结构内力。主体与北侧部分裙房之间设抗震缝。 地下室4 层，其中地下2 层和地下一层夹层为无梁楼板结构，其余层为粱板结构，地下室采用逆作 法施工，采用地下室主体结构与基坑支护结构相结合的体系，利用了地下连续墙作为基坑围护，地下室 的楼板作为基坑支护结构的水平支撑体系。在地下室设计中首次采用钢骨混凝土柱内型钢作为基坑支护 结构立柱，预先插入桩内的型钢钢骨按照钢结构安装要求需要达到l ／1 0 0 0 的垂直度控制要求“1 。 建筑立面、剖面及标准层布置见下图 王涝。男。1 9 7 2 年出生，高级工程师 ∞十月日E 硅∞“构{ 术e * №t2 0 0 8 3 上部结构设计方案比较 ■ ■ ■I 阿目 hH L _ JL J 謦 - ’ B 3 ．5 时代金融中心结构∞置 案的选择 n 方案阶段．提出了血个外【l j 】框架结构结构方案，筒体均为制筋混凝} 结构 ，i，i卅i，苴 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 方案A方案B方案C 方案D方案E 外围框架结构混凝土框架结混凝土框架结柱为钢骨混凝土 钢框架结构西南角悬挑部分楼面采 构构梁为钢梁的框架 用钢框架结构，其余楼面 ● 结构采用混凝土框架结构 主要框架梁混凝土梁钢梁钢梁钢梁 钢梁 混凝土梁 次梁和楼板混凝土梁板结钢次梁 压型钢钢次梁 压型钢板 钢次梁 压型钢次梁 压型钢板十现浇 构板 现浇混凝土 现浇混凝土楼板钢板 现浇混混凝土楼板 混凝土梁 楼板凝土楼板板结构 造价 设A 1 0 0 1 0 01 0 41 0 71 0 81 0 5 工期 天 2 7 02 2 01 6 01 6 02 7 0 对设备管道的梁高较大使设制约较小 制约较小制约较小梁高较大使设备管道受 影响备管道受制约制约 结构体系受力延性较差，对抗柱延性较差较好好 同一平面采用两种结构 的合理性震不利材料，结构类型复杂。 在判断上部结构方案是否合理，主要的考虑因素是l 工期2 造价3 使用的灵活性4 结构体系的安全 性。一般业主主要以前三点为主，设计人员则偏重考虑第3 ，4 点。 从上表看出，方案E 由于结构在同一平面采用两种结构材料，结构类型复杂。不能通过中国的设计审 查，已经不再考虑范围之内。余下的四个设计方案中 以造价来说，应该是采用全混凝土结构的方案A 最好，采用全钢结构的方案D 最差，采用劲性混凝土 结构的B 、C 介于两者之间。 以工期来说，应该是采用全钢结构的方案D 最好，采用全混凝土结构的方案A 最差，采用劲性混凝土 结构的B 、C 介于两者之间。 以使用灵活性来说，也是采用全钢结构的方案D 最好，采用方案B 最差，方案A 、B 介于两者之间。 以结构体系受力的合理性来说，采用全钢结构的方案D 最好，采用全混凝土结构的方案A 最差，采用 劲性混凝土结构的B 、C 介于两者之间。 从以上分析看出，如果不考虑造价的因素，采用全钢框架加压型钢板现浇混凝土楼面的方案D 无疑 是最好的选择。但是，有时造价却是业主考虑的最重要因素，于是在进一步的设计中，我方提出采用混 凝土结构，钢结构和劲性结构相结合的方案 方案二、三 并做了与采用全混凝土的方案 方案一 的 比较 方案一 全混凝土的对比方案 1 - 2 0 层劲性柱、普通混凝土梁、板 主楼外框为劲性梁 ；2 l 层以上普通混凝土柱、梁、板。核心筒采 用混凝土结构。 方案二 l 一2 0 层劲性柱、钢梁 主楼外框为劲性梁 、压型钢板楼板；2 l _ 4 2 层普通混凝土柱、梁、板；4 3 _ 4 6 层 劲性柱、钢梁、压型钢板楼板。核心筒采用混凝土结构。 方案三 l - 2 0 层劲性柱、普通混凝土梁、板 主楼外框为劲性梁 ；2 1 ．3 4 层以上普通混凝土柱、梁、板；3 5 层 以上钢柱、钢梁、压型钢板楼板。核心筒均采用混凝土结构。 ．1 2 6 - 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 方案比较 方案一方案二方案三 总重量 不包括地下室底板 标 2 1 2 9 7 3 9 K N1 9 3 6 3 6 6 K N1 9 3 9 8 9 1 K N 准值 底层最大柱直径1 8 5 0 咖1 6 5 0 珊1 6 5 0 咖 第八层最大柱截面 1 5 0 0 x 1 5 0 01 4 0 0 x 1 4 0 01 4 0 0 x 1 4 0 0 主楼桩数 4 0 93 2 23 2 8 主楼桩长 桩径8 5 0 4 7 m4 6 Ⅲ4 6 m 底板厚度 主楼 4 2 0 0 衄3 5 0 0 珊 3 5 0 0 哪 最大计算沉降 1 3 9 衄1 0 3 哪 0 5 咖 造价 低高 较高 从经济性来说，方案二和方案三差别不大，工期来说，应该是方案三最好，由于方案二和方案三都 采用了多种材料的混合体系，所以工期与全混凝土结构的方案A 差别不大，以使用灵活性来说，方案 二和方案三也是差不多的，都比采用全混凝土结构的方案要好。以结构体系受力的合理性来说，方案二 的楼层刚度变化较大而且是上大下小，不利于抗震，而方案三的楼层刚度刚度变化较均匀而且是上小下 大，比较符合抗震设计的要求。鉴于以上考虑，最终我们和业主一致决定采用方案三的结构体系。 确定采用方案三以后，业主又提出是否能对顶部钢结构的层数进行优化，以进一步降低造价，为此，我 们又进行了不同钢结构的层数的方案比较。 方案三中钢结构层数不同的比较 3 3 层以上钢结构3 5 层以上钢结构3 8 层以上钢结构 总重量 不包括地下室底板 1 9 1 8 4 5 6 N1 9 3 9 8 9 1 K N1 9 6 5 8 3 2K N 标准值 底层最大柱直径 1 6 0 0 衄1 6 5 0 咖1 7 0 0 衄 第八层最大柱截面 1 4 0 0 x 1 4 0 0 1 4 0 0 x 1 4 0 01 4 5 0 x1 4 5 0 主楼桩数 3 2 03 2 83 3 9 主楼桩长 桩径8 5 0 4 6 m4 6 m4 6 m 底板厚度 主楼 3 5 0 0 删3 5 0 0 咖3 7 0 0 岫 最大计算沉降 1 0 2 n 蚰1 0 5 衄1 1 3 衄 经过比较最终采用的结构方案为地下室结构梁板采用钢筋混凝土结构。一层楼面采用型钢混凝土 梁及钢筋混凝土楼板。2 0 层以下周边外框架为钢骨混凝土梁柱，型钢混凝土柱与筒体之间的大梁采用 混凝土梁，其与柱及剪力墙为刚接，楼板采用钢筋混凝土楼板。框架部分2 1 ．3 6 层为全钢筋混凝土结构， 其中几根角柱自2 0 层起在一个方向随建筑立面的变化有约l 度左右的倾斜。角部一大跨度梁采用预应 力混凝土梁。楼面采用钢筋混凝土楼板。框架部分3 5 层以上为全钢结构，楼面采用压型钢板加混凝土 楼板。 4 桩基设计方案比较 B 3 ．5 时代金融中心总重量较大，因此对该工程的桩基设计带来难度。上海地区常用的桩基类型主 要有预制混凝土方桩、预应力管桩、钢管桩和钻孔灌注桩四种。桩型的选择应考虑上部荷载、场地土层 分布对沉桩的影响、环境影响、造价和工期因素 ．1 2 7 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 各种桩型的比较见下表 预制混凝土方桩预应力管桩钢管桩钻孔灌注桩 对周围环境影响 挤土效应明显，采用挤土效应较明显，采用挤土效应较明显，采用 无挤土效应，但需控制 锤击法沉桩噪音大锤击法沉桩噪音大锤击法沉桩噪音大泥浆污染 土层对沉桩的影响 穿透硬土层能力差穿透硬土层能力差穿透硬土层能力一般穿透硬土层能力好 造价较低 低高 较高 工期 短短短 较长 由于预制混凝土方桩，预应力管桩在施工噪音对环境影响大，且布桩间距大，引起底板厚度增加， 所以未被采用。钢管桩和钻孔灌注桩都能满足本工程的要求，但钢管桩的综合造价高，所以本工程采用 了钻孔灌注桩。 由于上海地区泥浆护壁钻孔灌注桩工艺本身仍存在一些不足还需不断改进。在相同的土层条件下， 钻孔灌注桩的单桩承载力要明显低于同等条件的预制桩，这主要是由于现有施工工艺的限制，在成孔过 程中孔壁土体的扰动、成桩后桩底沉渣较厚和桩侧泥皮过厚等因素，严重影响了钻孔灌注桩的竖向承载 力，对于桩尖进入密实粉土和粉细砂层较深的桩，上述影响尤为显著。此外，从大量静载试桩资料来看， 单桩承载力离散性较大也是上海地区钻孔灌注桩较为普遍的现象。 鉴于钻孔灌注桩在上海地区工程应用既有其优点又有其缺点，因此更好如何发挥钻孔灌注桩的优点 并克服其缺点，扬长补短，已成为当前钻孔灌注桩在工程应用中急待解决的实际问题。为了提高钻孔灌 注桩的竖向承载力和改善其离散性，国内外的岩土工程技术人员尝试过许多方法，结合上海地区软土地 基的土层性质和组成特点，采用桩端后注浆灌注桩。 钻孔灌注桩后注浆技术是一项提高钻孔灌注桩的承载力和减小桩基沉降的新技术。考虑到本工程桩 基持力层⑦2 层是厚度大的粉细砂密实层，采用桩端后注浆后减少桩基混凝土立方量外，由于减少了桩 孔钻进深度，增加了钻孔灌注桩的成功率和质量保证率。 通过比较不同桩长的桩对建筑沉降的影响 见下表 ，采用后注浆技术以后，单桩的承载力基本由 桩身强度控制。可以用较短的桩长达到相同的单桩的承载力。另外，增加桩长对建筑物的沉降的影响不 明显。 主楼不同桩长方案比较沉降计算分析结果 基础中 桩身结构地基土支注浆后单 序送桩 有效 入土 进入持力层 桩心点计强度设计承力设计桩承载力 号 桩径桩长深度⑦2 草黄色粉砂 m 数算沉降值值设计值取 m m 深度 c m k N k N 用值 18 5 01 84 66 42 ．5 m3 0 29 ．5 6 6 0 0 6 3 1 4 6 6 0 0 28 5 01 84 76 53 ．5 m3 0 29 ．2 6 6 0 06 4 6 36 6 0 0 38 5 01 84 86 64 ．5 m3 0 28 ．8 6 6 0 06 6 1 66 6 0 0 4 8 5 01 84 96 75 ．5 m3 0 28 ．5 6 6 0 06 7 6 26 6 0 0 说明桩基采用钻孔灌注桩，桩身混凝土强度等级为C 3 5 。 另外根据该工程的场地地质条件及钻孔灌注桩施工特点，基地靠近黄浦江，⑦l 、⑦2 层土层砂性 强，渗透性系数大，多年的钻孔灌注桩工程施工经验表明，钻孔灌注桩不宜太深，特别是桩端进入密实 砂层较深的桩，成孔后孔壁附近土中应力释放，出现“松弛”现象，而造成塌孔和塌径现象，这情况随 着钻孔的加深而有加剧的趋向。而且，经工程实践表明，上海地区的大直径灌注桩的成功机率远小于小 直径灌注桩的成功率。 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 考虑了以上各种情况，并根据强度和变形要求，最终选定的桩基形式为主楼采用桩端后注浆钢筋 混凝土灌注桩，桩直径为8 5 0 毫米，桩入土深度6 3 米，有效桩长为4 6 米，持力层为⑦．2 层土，桩身 混凝土强度等级为C 4 0 ，单桩抗压承载力设计值预估为6 6 0 0 K N 。裙房采用钢筋混凝土灌注桩，桩直径 为7 0 0 毫米，桩入土深度4 7 ．5 米，有效桩长为3 2 米，持力层为⑦．1 b 层土，桩身混凝土强度等级为c 3 0 ， 单桩抗拔承载力设计值预估为1 3 5 0 K N ，单桩抗压承载力设计值预估为3 3 0 0 K N 。桩承台采用板式承台， 主楼底板厚度为3 5 0 0 毫米。裙房底板厚度为2 0 0 0 毫米。最终平均最大沉降计算值为1 0 ．6 厘米。 5 结束语 ， 通过对结构体系的安全性＼工期、造价、使用的灵活性等方面的比较，选择合理的结构布置方案可以 在不影响结构安全性的前提下，增加使用空间，缩短建筑施工周期，降低工程造价。是建筑设计过程中 很重要的一个步骤。本文的内容可以为类似超高层建筑设计提供参考。 参考文献 [ 1 ] 岳建勇，周春，任臻，王滂，胡振青超高层建筑地下主体结构与深基坑支护结构相结合的设计和实践[ J ] 岩土工程 学报2 0 0 6 ．0 l [ 2 ] J G J 3 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规程[ S ] [ 3 ] D G ／T J 0 8 一0 1 5 2 0 0 4 上海市工程建设规范高层建筑钢一混凝土混合结构设计规程[ S ] [ 4 ] D G J 0 8 一1 1 1 9 9 9 上海市工程建设规范地基基础设计规范[ S ] 【5 ] G B5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范[ S ] ．1 2 9 ．