李 兵 夏 飞 李鑫奎 高振锋 伍小平

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 工程概况

上海中心大厦位于上海陆家嘴金融贸易区，总用地面积30 368 m2，总建筑面积574 058 m2。主体建筑结构高度为580 m，总高度632 m。其塔楼为“巨型框架-核心筒-外伸臂”抗侧力体系，在8个加强区域布置6道2层高外伸臂桁架和8道箱形空间桁架，箱形空间桁架和12根巨型柱（8根巨柱，4根角柱）形成外围巨型框架，内部核心筒为内埋型钢或钢板，外包钢筋混凝土结构；塔楼上部楼面体系为钢梁（或钢桁架）支承组合楼板体系（图1）。

图1 上海中心大厦主要结构组成形式

2 台风荷载下的结构力学研究

2.1 计算目的

在结构自重、台风荷载、施工荷载共同耦合作用下，上海中心大厦施工阶段的受力状态与建造完成后状态其实并不完全保持一致。为了确保施工期间结构的安全性，必须评估结构施工阶段的性能。尤其是每年7—9月，上海地区均会受到多次不同级别台风的影响，而超高层建筑此时并没有完工，很多垂直运输设备均未拆卸，例如重型塔吊、钢平台、施工电梯等，通常都是外挂或安装在结构主体上的，尤其以塔吊附着对结构影响为大，且可能出现多台塔吊共同作用。这样一来，在台风荷载等共同耦合作用下，垂直运输设备的安全及对结构造成的受力安全自然备受关注，对其理论研究就显得非常重要[1-4]。

本研究采用有限元方法，对上海中心大厦施工过程中，4台重型塔吊在不同级别台风荷载作用下，对建筑结构主体受力的影响程度开展了有限元仿真模拟，并计算对比不同级别台风荷载作用下主体结构的应力、变形等参数，以评估建筑结构在台风季施工时的安全性。

2.2 塔吊概况

在上海中心大厦主体结构层施工过程中，在核心筒四周共安装4台塔吊，其中北侧为1台ZSL2700型塔吊，其余三侧各安装1台M1280型塔吊；随着施工高度的递增，塔吊也随之调整及重设，直至施工顶层，逐渐拆除，最终完成施工。塔吊布置情况如图2所示。

图2 塔吊布置及安装示意

塔吊所承受的荷载考虑塔吊的工作状态和非工作状态进行设置。其中工作状态有多种情况，本次计算仅选择一种最不利工况（工作状态下，6级风作用时，受塔吊荷载作用，塔吊下部扶墙水平荷载呈顺时针方向，上部扶墙荷载呈逆时针方向；非工作状态为10级风作用时塔吊的受荷参数）进行计算分析，如图3所示。

1）工作状态：M1280塔吊自重4 070 kN，吊重500 kN，水平荷载不同方向取值也不同，分别为1 250 kN或1150 kN，扭矩550 kN·m；ZSL2700塔吊自重3 990 kN，吊重500 kN，水平荷载不同方向取值也不同，分别为1 680 kN或1 550 kN，扭矩900 kN·m。

2）非工作状态：M1280塔吊自重4 070 kN，吊重0 kN，水平荷载不同方向取值也不同，分别为1 750 kN或1 260 kN，扭矩460 kN·m；ZSL2700塔吊自重3 990 kN，吊重0 kN，水平荷载不同方向取值也不同，分别为1 480 kN或1 030 kN，扭矩1 380 kN·m。

图3 塔吊工作及非工作状态加载示意

2.3 计算假定

1）未进行分阶段施工仿真分析，而是取相应施工阶段分析，并假定结构在弹性范围内工作。

2）未考虑基础对上部结构的弹性约束作用，把地面（地下室顶层）作为上部结构的嵌固端。

3）材料弹性模量、泊松比按GB 50010—2010混《凝土结构设计规范》或GB 50017—2003《钢结构设计规范》取用，不考虑混凝土材料收缩函数、徐变函数。

4）未考虑结构核心筒墙内钢骨与钢筋的影响，结构的巨柱采用钢骨与混凝土组合截面，结构楼面为压型钢板与混凝土组合截面。

2.4 材料参数及台风荷载取值

1）材料参数设置：巨柱型钢及伸臂桁架结构均为Q345钢材；巨型柱外包的混凝土强度等级根据不同高度使用也不同，1区～3区、4区～6区、7区～8区，依次为C70、C60、C50；楼面组合板混凝土采用C35；核心筒混凝土采用C60。

2）风荷载参照《建筑结构荷载规范》，沿海地区台风登陆期间，在建项目塔吊通常处于非工作状态，塔吊非工作状态荷载与风荷载取1.0耦合系数。6级风时按离地高度10 m处风速12 m/s、500 m以上风速约为26 m/s考虑，基本风压约为0.09 kN/m2；10级风时按离地高度10 m处风速25.3 m/s、500 m以上风速44.7 m/s考虑，基本风压约为0.4 kN/m2；幕墙区域结构体型系数取0.91，按迎风面宽度计算的线荷载施加在结构上；幕墙区域以外按荷载规范计算的风荷载值施加到结构上，风荷载体型系数迎风面取0.8，背风面取－0.5。钢平台荷载考虑800 t的竖向载荷，并考虑整个结构的自重荷载。

2.5 三维模型建立

采用Midas Gen8.35有限元软件对上海中心大厦结构进行建模（此时施工进度：核心筒施工至125层，外围钢框架施工至115层，混凝土施工至98层，幕墙施工至5区）。三维有限元模型如图4所示，单元属性按梁、板单元设置，塔吊荷载以集中力对应施加。

2.6 计算分析

图4 上海中心大厦三维有限元局部模型

按照上海地区每年台风季，对塔吊、风场、结构施工等最不利工况进行计算分析，此时结构处于较危险施工阶 段，按照塔吊工作及非工作状态设置相关计算工况，计算结果如图5～图8所示。

图5 危险工况下整体结构水平变形

图6 考虑塔吊荷载时的层间位移角

图7 核心筒底部及顶部区域应力云图

由图5可知，在该危险工况下，最大变形出现在结构顶部，且变形增长速率随高度增加而增加。塔吊不工作状态10级风时整体水平变形最大，最大变形445 mm，小于相关规范限值H/1 000=514 mm（H为建筑高度）。

图8 核心筒连梁应力云图

由图6可知，在该危险工况下，塔吊不工作状态10级风时整体层间位移角最大，其最大层间位移角1/378略超相关规范中1/500的层间位移角限值。如发生10级以上台风登陆上海，需提前采取加固措施，以确保结构安全。

由图7可知，该危险工况下，考虑塔吊的工作状态，在台风影响下对核心筒底部区域结构的最大应力值 为－17.6 MPa，对核心筒顶部区域结构的最大应力值 为－13.8 MPa。

由图8可知，该危险工况下，考虑塔吊工作状态，在台风影响下的连梁组合应力最大值为18.5 MPa。如果采用核心筒加固措施，即在核心筒大开口翼墙处加设八字撑，因八字撑传递了部分内力，并增大了翼墙间内力传递的面积，会有利于连梁传递内力变小，继而也会进一步导致应力降低，从而使得包含核心筒在内的整体结构的抗扭、抗弯能力增加很多。

3 结语

根据计算结果可以发现，整体结构及局部构件对应的应力值均在强度范围内，但塔吊在不工作状态下如遇10级台风时，整体层间位移角偏大。因此，在日后类似工程中，如遇较大等级台风袭击时，在超高层建筑施工过程中，建议加强连接件的刚度，将会增加包含核心筒在内的整体结构的抗扭、抗弯能力，继而增加结构安全冗余度。