金茂大厦：高楼钢结构工程实例与特点

1.建筑概况

（1）金茂大厦位于上海浦东新区陆家嘴金融贸易区，由塔楼和裙房组成。塔楼地下3层；地上88层，结构顶部高度为383m，建筑总高度为421m。大厦为多功能建筑，其下段的52个楼层，用于办公；上段的35个楼层，用作五星级宾馆客房；第88层为观光层；地下3层，用以停放900辆汽车和1000辆自行车。用作塔楼旅馆客房部的53层到87层，设置一个通高的、有顶部自然采光的中庭。

（2）塔楼平面呈八边形，外轮廓尺寸为52.7m×52.7m，立面呈宝塔形，总建筑面积为28×10⁴ m²。图5-207为该塔楼的外观。

（3）塔楼的高宽比为8.0，若仅计算到顶部的居住楼层，则为7.0。

（4）建筑内部核心部位的芯筒，平面尺寸为27m×27m，芯筒边缘至外围巨型翼柱之间的跨度为12m。芯筒在第53层以上的宾馆客房部位，芯筒内部的井字形分隔墙全部取消，仅保留外圈墙体，从而形成高度为200m的内天井。

图5-207 上海浦东88层金茂大厦的外观

2.结构体系

（1）塔楼主体结构采用芯筒-翼柱体系，由以下几部分组成：①由基础底板向上延伸到第87层的钢筋混凝土芯筒，平面尺寸为27m×27m，筒内纵、横墙体按井字形布置；②楼面周边的位于芯筒内墙轴线延长线上的8根型钢混凝土巨型翼柱；③位于楼面周边四角的8根型钢巨柱；④在第24～26层、第51～53层、第85～88层，顺芯筒内墙轴线各设置一棍两层或三层楼高的伸臂钢桁架，用以连接芯筒与巨型翼柱，使翼柱与芯筒形成整体，共同抵抗水平荷载倾覆力矩；⑤作为结构水平刚性横隔板的各层楼盖；⑥用于支承和锚固所有竖构件的八边形基础筏板及其下的φ910mm钢管桩。

（2）为了增大结构的抗推刚度和受剪承载力，在由基础底板伸至第87层的芯筒内部，于第52层以下，增设按井字形布置的钢筋混凝土腹板墙体。塔楼旅馆区段和办公区段的典型层结构平面见图5-208a、b；塔楼的结构剖面如图5-208c所示。

图5-208 金茂大厦塔楼的结构简图

a）第53～87层结构平面 b）52层以下结构平面 c）结构剖面

（3）用作强风地区特高楼房的主体结构，为了获得足够的抗推刚度、较大的阻尼比、较小的风振加速度，采用型钢混凝土结构比钢结构更有效、更经济。

3.结构受力特点

（1）塔楼的竖向荷载由钢筋混凝土芯筒、8根型钢混凝土巨型翼柱和8根型钢角柱共同承担。

（2）作用于整座塔楼的正向水平荷载，主要由钢筋混凝土芯筒、平行于荷载方向的三道各两棍伸臂钢桁架、及与之连接的4根型钢混凝土巨型翼柱所组成的巨型框架承担。水平剪力主要由芯筒承担；巨型翼柱除承担部分重力荷载和水平剪力外，主要承担倾覆力矩引起的轴向压力或轴向拉力。

（3）作用于整座塔楼的45°斜向水平荷载，由钢筋混凝土芯筒、各棍纵、横向伸臂钢桁架及与之连接的8根型钢混凝土巨型翼柱共同承担。

4.伸臂钢桁架的构造

（1）伸臂钢桁架（刚臂）埋置于芯筒的钢筋混凝土隔墙内，其上、下弦贯通于楼面全宽，并与巨型翼柱内的型钢暗柱相连接；芯筒与翼柱之间钢桁架外露部分（第一节间）的斜腹杆，第24、51、85楼层处的第一、二、三道桁架，分别呈人字形、X形和倒人字形。现以第一道伸臂桁架为例，将其结构简图示于图5-209a。

（2）为使施工期间芯筒与翼柱的竖向差异压缩变形引起的伸臂桁架杆件初应力达到最小值，桁架第一节间斜杆与上、下弦节点板之间采取长圆孔的销栓连接（图5-209b）。原设计每端为一根φ175mm、长1.2m、重230kg的销栓，施工中，修改为两根较小直径销栓。

图5-209 连接芯筒与巨型翼柱的伸臂钢桁架(www.xing528.com)

a）结构简图 b）斜腹杆的销栓连接构造

5.构件截面尺寸

（1）钢筋混凝土芯筒墙厚与型钢混凝土巨型翼柱截面尺寸的相对关系，是按照各构件在重力和侧力共同作用时的等应力设计准则来确定。

（2）钢筋混凝土芯筒和型钢混凝土巨型翼柱的截面尺寸列于表5-64。

（3）各层楼盖由钢梁和组合楼板构成。钢梁中心距为4.5m，上覆肋高75mm的压型钢板、现浇混凝土面板后形成的组合楼板，其面板厚度为80mm。

（4）八边形钢筋混凝土筏形基础平板的平面尺寸为62m×62m，平板厚度为4m，采用C50混凝土浇筑，内配多层φ35mm钢筋束，间距300～600mm；弯矩最大处，最多配置10层钢筋。为防止基础因温度变化和混凝土收缩而产生裂缝，在板面配置两层φ8＠100mm钢筋网；在板底，至少配置两层受力钢筋。

表5-64 金茂大厦抗侧力构件的截面尺寸

（5）基础筏板坐落在中心距2.7m，长65m，打入埋深-85m砂层内的429根钢管桩上。钢管直径为914mm，壁厚20mm，单桩承载力为7500kN。根据塔楼设计重力荷载（3.05×10⁶kN）、桩长和地基土质状况计算，塔楼地基的预期沉降量为50mm。

图5-210 风荷载作用下塔楼结构的侧移曲线

6.结构分析

（1）当着眼于控制结构的侧移时，抗侧力体系的效能取决于下列三点：①芯筒的水平剪切变形和侧向弯曲变形；②巨型翼柱的竖向压缩；③伸臂桁架各杆件的轴向变形。

（2）塔楼在风荷载作用下，抗侧力构件三种情况的侧向变形曲线见图5-210，由图中可知：①钢筋混凝土芯筒的剪切变形数值很小；②仅考虑芯筒单独工作时，侧移数值较大；③考虑型钢混凝土巨型翼柱通过伸臂钢桁架与芯筒共同抵抗倾覆力矩时，其侧移约减小到单独芯筒的1/3。

（3）大厦的模型风洞试验，考虑了建筑场地周边环境的现状（多幢10层楼房）和远期发展（多幢30～40层楼房和两幢特高楼房）两种情况，根据风洞试验数据计算所得塔楼顶点的侧移角、风振加速度和扭转振动速度见表5-65和表5-66。

表5-65 风荷载作用下塔楼结构顶点侧移角和最大层间侧移角

表5-66 塔楼顶部（322m高度处）风振加速度和扭转振动速度

（4）大厦按7度抗震设防，场地属Ⅳ类。结构抗震设计第一阶段，计算出的结构底面地震剪力和弹性层间侧移，列于表5-67。

表5-677 度地震作用下结构的基底剪力和弹性侧移