科技进步奖(设计)

结构设计概述

1)上部结构

本工程地上结构主要由两部分形成，23层主楼及8层转角裙楼，5层以下采用连廊连结，连廊采用钢结构，与裙楼连接部位采用铰接，与主楼部位则采用滑动连接。（见图1-2）

图1-2 外滩191总平面

主楼地面以上23层，建筑高度小于80米，高宽比小于4。采用框架剪力墙结构。剪力墙及框架柱网根据使用功能要求及建筑平面布置，利用电梯井道设置核心筒体，并在两端对称设置两道剪力墙，以加强东西向刚度及整体的抗扭刚度。主楼在两个方向刚度基本接近，剪力墙承受倾覆力矩为50%~60%，对于80米以下的建筑也是较为合适的。8层以下框架柱采用C60混凝土，以尽量减小框架柱尺寸，以上逐层降低混凝土强度等级。墙体及框架柱尺寸逐层变化，见有关平面图。

由

于标准层层高仅为3.2米，故框架梁布置与室内设计及管线布置相协调，并尽量采用宽扁梁，以满足建筑对净高的要求。

楼、屋面板主要为单向板楼盖体系，2，3楼部分楼板缺失较严重，设计中将加强开洞周圈梁，加厚相关部位板厚，加墙双面双向配筋。由于核心筒体电梯井道开洞较多，故加厚电梯厅及筒体周圈板厚，加强双面双向配筋。

本工程1至3层层高分别为4.5米、4米、4米，其上为2.2米技术层，以上各层层高均为3.2米。根据计算结果，除2层刚度略小于其上三层平均刚度的80%，为刚度薄弱层外，其余上下刚度均较为均匀。此外，主楼在3层裙楼顶面立面内收小于30%，但裙楼高度小于总高度的20%。

转角裙楼为8层，建筑高度约为32米，采用框架结构。

图1-3施工阶段上部结构典型平面

2)地下室结构及基础

本工程为地下5层，由于本工程为深基坑工程，且周围环境保护要求较高，故本工程地下室采用与支护体系相结合的结构体系（见图1-4~1-8），为满足业主对整体工期的要求，本工程采用上下同步施工，以地面层为上下施工的界面，当地下结构完成时上部结构应同步施工至15层。由此，本工程地下结构采用与支护体系相结合的结构体系，主要体现在以下几个方面:

a. 两墙合一 采用地下连续墙作为施工阶段的围护体,并兼作永久阶段的地

下室外墙,考虑到地下室局部为人防，周圈多处设置坡道且地下室的防水

要求较高,故设置400厚内墙，与地下连续墙通过楼层圈梁及底板处可靠

连接，形成复合墙体。由于场地狭小，在地下室施工结束后连续墙在室

外地面以下2米左右可部分凿除，以满足周圈管线布置要求。

b. 框架柱及剪力墙部位立柱布置 由于本工程在地下室逆作施工阶段同步

施工上部结构，最高达地上15层，外加5层地下室的重量，与常规逆作

施工项目，本项目钢立柱相比需承受大的多的荷载，框架柱下立柱采用

钢管混凝土，直径为600~700，与立柱一体浇注,在正常使用阶段与外包

混凝土共同作用。上部剪力墙在地下室逆作施工阶段在地面层部位采用

多根立柱托换，立柱则采用格构柱。

c. 工程桩及立柱桩本工程主楼桩基采用后注浆钻孔灌注桩，主楼框架柱下

在施工阶段采用一柱一桩，在地下室底板浇注前立柱桩可能承受的荷载

达12000~14000kN左右，故采用桩底后注浆大直径钻孔灌注桩，立柱桩

桩径为1200，其余桩（包括墙下立柱桩）为1000，有效桩长约为51.6

米，持力层为9层。

d. 梁板体系及与支撑结合 地下室楼层板采用扁梁厚板体系,在满足地下室

净高要求的同时有效减少了地下室的埋深及支撑的间距,楼板平面内外

刚度较好,同时该梁板体系减轻了逆作施工的难度.楼板与地下连续墙采

用圈梁连接,地下墙在相应位置预留钢筋,圈梁与地墙交界面凿毛至主筋.梁主筋部分焊于钢管上,其余绕开钢管柱锚入或穿过节点区的外包混凝

土.底板厚度主楼下为2米，裙楼下为1米。底板钢筋与地下连续墙之间

通过接驳器连接,地下墙上设置剪力槽以传递剪力.

e. 梁转换 上下同步施工中墙,柱在交界面处的转换不可避免,本工程在剪

力墙下沿轴线布置立柱,在地面层设置与墙等厚的转换大梁以承受施工

阶段上部墙体传来的荷载,

f. 拱形地下连续墙 本工程在裙楼处设置环形车道，造成-6.800标高以上

楼板缺失，无法传力。本工程通过采用环形地下连续墙大大改善了基坑

的受力性能，将径向外力转化为环向压力，保证了基坑安全，减少了对

周围环境的影响，同时大大节省了造价。

g. 针对地下室结构超长，具体措施为设置施工后浇带，混凝土中加纤维及

添加微膨胀剂等方式以减少混凝土收缩影响。

图 1-4

图

1-5

图

1-6

图 1-7

图

1-8

设计特点及研究

随着城市地下空间开发的发展，出现了大量地下室埋藏较深的工程，这些工程的普遍特点是：环境保护要求高；基坑施工周期长；地面以上形成一栋及多栋高层及超高层建筑。所以采用双向同步逆作施工保持了传统逆作法环境影响小的特点，同时又具备下列优势：大大节省工期，深基坑地下施工的周期一般较长，往往需要数月，而地面以上的施工则要迅速的多，采用双向同步后，可以大大节省总的施工周期；上部楼层的封闭，改善了地下施工的挖土条件；缩短工期往往可以为业主带来客观的经济效益；形象工期快，对改善城市市容有利。

由于逆作法中存在着主体结构与基坑支护体系的结合问题，双向同步施工与传统的逆作施工又有相当的不同，所以在设计上必须与施工紧密结合，采用合适的结构形式和节点构造，才能做到施工方便可靠、节省建造费用，缩短建筑周期的要求。本项目中，针对双向同步的特点，在下述方面进行了初步的实践研究：

一．施工模拟分析

与常规工程不同，对于上下同步施工的工程，对施工阶段的模拟分析是至关重要的。

在本项目的施工模拟分析中，采用了较为符合工程实际的物理模型，近似模拟了了钢管和格构式立柱、地下连续墙及其它施工阶段的永久和临时构件。计算模型对楼板采用弹性假定，对土体嵌固条件按不同弹性模拟，荷载工况除结构自重，施工活载外，还考虑了风荷载和地震作用，其中地震作用的分析包括小震弹性和中震不屈服。根据实际施工情况，选取多个不利工况进行分析，如地下室跃层施工工况、底板浇筑前上部结构建造至15层的工况（见下图）。

本工程计算采用了在国内工程设计中最广泛使用的采用三维结构分析软件SATWE05版软件进行分析研究，并采用ETABS9.0对其计算结果进行复核比较。本项目施工模拟分析中对下列因素作了初步的研究：

（1）研究了风荷载和地震作用对立柱的影响

对于上下同步施工的结构，其在施工阶段竖向荷载完全靠立柱及立柱桩支承，且地下室刚度没有完全形成，故其抵抗上部结构传来的侧向力的性能不容忽视。在该项目中，除风荷载按常规设计外，分别按小震弹性及中震不屈服对立柱对竖向立柱进行验算。考虑到最不利工况实际存在时间较短，地震作用采用0.65的折减系数。

根据计算结果，对于柱下立柱，地震作用影响较小，且中震不屈服有时甚至低于小震弹性的要求，而对于墙下立柱，由于剪力墙抵抗了大多数倾覆力矩，地震作用对立柱影响较大，而且中震不屈服的结果可能明显大于小震弹性的计算结果。除了地震作用外，风荷载也不能忽视，但考虑到施工阶段的时间较短，建议地震作用与风荷载不同时考虑。值得注意的是，

建筑在侧向力作用下的倾覆力矩

与高度的平方成正比，对于更高层数的上下同步施工，以上结论仅供参考。

(2)研究了土体嵌固条件和上下同步施工界面刚度对施工阶段结构受力的影响

在逆作阶段，土体嵌固条件对结构的地震作用有一定影响，根据本工程的计算，完全不考虑土体作用即嵌固至基底时与考虑土体作用首层剪力相差20%以上，而考虑土体作用时刚度比取值的调整对计算结果几乎无影响，主要的原因是由于地下连续墙大大加强了地下室结构的刚度，而目前SATWE采用的土体与地下结构刚度比的方法较为粗糙，未能准确反映土体的共同作用，采用刚度比的方法可能高估了上海地区软土在地下室抗震中的作用。

在抗规和高规里对地下室顶板作为嵌固端的楼板厚度有较严格的要求，计算结果表明，楼板厚度的变化无论对上部结构还是地下结构的地震效应都没有很大的影响，不过，由于地下室楼板承受较大的轴压力，而计算中未考虑楼板的屈曲带来的二阶应力，所以楼板作为支撑体系的一部分达到一定的厚度还是必要的。

二．立柱桩

双向同步施工的工程，立柱桩要满足一柱一桩以及临时托换剪力墙的要求，必须满足相当的承载能力和变形控制要求。两个项目在以往的相关理论研究和工程实践基础上，采用了直径1200的大直径桩底注浆灌注一体桩，其极限承载力超过了22000kN，这在上海地区灌注桩应用中属于较为先进的。两个项目分别进行了静载试验，其中外滩191项目还对立柱进行了施工阶段的应力和沉降监测，这在上海以往工程中也较罕见。静载试验采用堆载辅助锚桩法，在最后一级

22000kN荷载条件下，单桩沉降在20mm左右，根据P-S曲线，单桩承载能力尚有相当的后劲。根据施工阶段的监测结果表明，底板浇筑前多根立柱及桩受荷在达到11000~14000kN左右，而立柱最大沉降仅为3mm（可能有一定误差）。根据此桩型的承载能力，基本可以满足上下同步施工10层~15层左右的要求。如要进一步突破，必须研究采用更大直径的灌注桩或扩底桩作为上下同步施工的立柱桩的可能性。

（三）临时立柱的研究

双向同步施工采用与主体结构相结合的立柱形式，必须具备承载能力大、受力合理、节点形式可靠且易于施工的特点，本项目针对上述要求，采用了外包混凝土的钢管混凝土柱，并对其承载能力和节点形式进行了研究。

1）本工程主楼地下室框架柱采用外包混凝土的钢管混凝土柱,在施工阶段钢管混凝土与立柱桩一体成桩，作为双向同步施工中的立柱，在正常使用阶段外包混凝土与核心区的钢管混凝土共同作用。在逆作施工阶段,可先施工梁柱节点部位,也可逐层向下进行外包混凝土的施工。

钢管混凝土是将混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构，混凝土对钢管的支撑作用增加了钢管的稳定性，钢管对混凝土的约束作用提高了混凝土的抗压强度和压缩变形能力，通过两种材料的共同作用，发挥了各自的优势，克服了两者原有的缺点，不是两种材料的简单叠加，所以在双向同步施工中利用钢管混凝土作立柱是合适的。

采用后包混凝土可以与上部混凝土更好的结合，并可节省用钢量且方便节点处理。本工程根据各框架柱施工阶段的受力情况分别选用了d600及d700的钢管。

2）在现有规范的基础上，根据上下同步施工的特殊情况，对施工阶段立柱以及永久阶段的框架柱承载能力提出修正。此外，在模型计算中，分别按两端铰接，一端或两端固接分别验算钢管混凝土柱的内力，如钢管存在倾斜，则按实调整模型复核其强度。

梁柱节点是钢管混凝土结构的关键部位，常用的节点形式有穿心式，不穿心双梁式及不穿心环梁式，由于立柱与立柱桩一体形成，所以穿心式节点不成立，

双梁

式、环梁式均须设置型钢抗剪键，钢管混凝土一般承受剪力和少量的弯矩，梁对钢管混凝土柱的约束近似为连杆，对受力不尽合理。本工程采用外包混凝土很好地解决了这一问题，由于外包混凝土与钢管采用栓钉连接,可以有效传递剪力和弯矩。

栓钉作为抗剪连接键，有如下优点：1）锻造加工，制造工艺简单；2）采用专用的拉弧焊机施工，现场施工工作量小；3）施工质量可靠，易于检查；4）具有较强的承载力；5）对钢筋的穿越影响较小。

本工程梁柱节点除通过外包混凝土传递内力外，还要求一定量的钢筋焊于钢管翅板上，受力更为直接，也避免了绕管布筋的麻烦。相关节点见图3-7。

3）在正常使用阶段，外包混凝土后钢管作为劲性结构与混凝土共同作用，如钢管全长设置栓钉则可按钢骨混凝土有关公式计算，反之则可简化认为钢管只承受轴力，对于一般工程而言，已可满足要求了。

图3-7 后浇钢管混凝土柱节点1

（四）转换构件的设计

在上下同步施工中，有一个上下施工界面的问题，在此界面上构件的转换问题是值得重视的。对于高层结构的双向同步施工中，必然存在着上层剪力墙及筒体的托换，采用合理的立柱形式和布置方式是必要的，通过本工程的研究对此积累了一定的经验。在立柱与上层框架柱不连续的情况下，运用劲性混凝土转换梁可以减小转换梁的断面，为逆作施工带来方便；此外，上下同步施工界面确定的讨论为类似工程提供了有益的思路。

1） 筒体的托换

为使传力更为直接，且减少将来的托换工作量，托换立柱尽量延上部墙体轴线布置。对于承受较大倾覆力矩的剪力墙下的端柱或筒体下的角柱，或的单片剪力墙如在上部结构倾覆力矩作用下受力过大，可以设置双柱或多柱托换，也可以通过设置桁架或较大截面的转换梁把力分担至相邻的钢管柱上。图3-8所示为本工程墙下立柱的平面布置。

立柱的形式和定位应考虑到将来施工的方便，在受力情况允许的前提下宜优先采用格构柱，相较于钢管柱格构柱易于穿筋，偏位后易于纠正甚至割除，当然在上部荷载较大的情况下钢管立柱仍是一个选择，但应有特殊的施工措施保证其定位准确。此外，柱承式地下连续墙也应该是一个选择，思路是利用部分超深的墙段通过注浆达到。图3-9所示为立柱与墙体及暗柱的相互关系。

立柱布置与剪力墙的关系，暗柱纵筋箍筋，竖直分布筋避开格构柱，水平分布筋尽量绕开格构柱，如由于格构柱偏位或其他原因无法避让，可焊于柱肢上。

2） 托换梁及托换承台的布置，

在双向同步施工的界面层必然存在着托换的问题，墙下为梁式托换，对于多桩部位还存在着临时的承台托换，设计原则是在满足受力要求的同时尽量减少将来的凿除工作量。图3-10为剪力墙下托换梁详图。

图3-8 筒体下立柱布置图1

图3-9 立柱处剪力墙钢筋布置图

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图3-10 剪力墙下托换梁详图1

(2)框架柱的转换

本工程由于部分框架柱在地下室顶板处上下不连续，故也存在着托换的问题。由于转换梁往往受抗剪控制，故转换梁均采用钢骨混凝土梁，并尽量减少梁高以方便施工，部分转换梁还可采用向下叠合的施工方式。图3-11~图3-13分别为相关转换梁逆作施工的节点详图。

图3-11 挑梁转换节点详图

图3-12 车道处转换梁及向下施工节点详图

双向同步施工设计报告

图3-13 车道处柱托换节点详图

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