阿里巴巴上海总部类巨型框架超限结构设计

文/刘桂然，张西辰，汤卫华

阿里巴巴上海总部大厦采用了 类巨型框架结构体系 ，主要结构构件均采用了钢结构。系统介绍了塔楼超限结构设计的概况，并针对本项目类巨型框架的结构特点和难点进行了阐述。针对塔楼整体结构的不规则性，提出了结构设计的抗震性能目标和抗震加强措施。

本工程位于上海市徐汇滨江核心商务区中部，主体建筑为阿里巴巴上海总部(图1)，功能为商业办公综合体。项目总用地面积约为11907m ² ，总建筑面积约6.45万m ² ，地上建筑面积约3.88万m ² ，地下建筑面积2.57万m ² 。塔楼地上11层，1～2层为办公大堂和配套商业，层高5.5m；3～11层为办公标准层，层高4.5m；总建筑高度约56m。地下室共3层，地下1层层高6.5m，为配套商业及卸货区域；地下2层、地下3层层高3.7m，为普通停车及设备用房 ^[1] 。

该项目安全等级为一级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10 g ，Ⅳ类场地，设计地震分组为第二组，特征周期0.90s，抗震设防类别为丙类。

2.1 建筑特点及结构体系

本项目建筑造型采用了独特的形式，即使用遗传算法 ^[2] 计算出最佳舒适度的建筑体量。建筑地上外轮廓为矩形，长87m、宽69.6m，所有柱距双向均为8.7m。但各层平面中楼板缺失较大，造成建筑平面布置有较多不规则。如图2所示，各层平面中，仅四个角部竖向交通核的竖向构件连续并可落地，其他位置的竖向构件大多数不能落地。7层以下四个竖向交通核之间没有可靠的平面连接；7～9层四个竖向交通核之间布置了大跨连廊，且这三个楼层建筑平面布置较为完整。

由于大跨空间桁架需采用钢结构，而核心筒平面尺寸较小，为了保证核心筒的抗震性能和连接钢桁架的便利性， 核心筒采用钢框架支撑结构，其余结构构件均为巨型框架结构的次要结构 (图8)。楼板采用钢筋桁架混凝土组合楼板。其中，框架柱采用矩形钢管柱，矩形桁架的上下弦杆均采用箱形梁，其余框架梁和次梁采用热轧H型钢。

2.2 结构体系受力特点

根据2.1节的介绍可知，该结构体系具有以下特点:

(1)结构 抗侧力体系由四个钢支撑核心筒+四个大跨空间钢桁架组成 ，结构楼面缺失严重，整体性差。四个钢支撑核心筒主要承担竖向荷载和地震作用，应对其分别进行重点分析和加强。

(2)连接核心筒之间的大跨桁架，不仅具有平面作用，还需要有较强的空间协调能力，因此对大跨桁架的空间整体性有较高要求。

(3)结构体系不同于常规楼层的框架支撑结构，结构位移角等指标不能按照常规的统计方法计算。

(4)大跨桁架为非常规桁架，同一桁架在不同位置高度变化较大，且采用了空腹、斜腹等组合形式，受力比较复杂。

2.3 结构超限判断和抗震设防性能目标

表1 构件抗震性能目标

3.1 多遇地震分析结果

针对结构抗震性能目标，在多遇地震作用下采用YJK和MIDAS Gen有限元软件对结构进行分析和对比，结果见表2。根据表2可知，两种软件计算结果差异小于5%，数值相近，结果可靠。结构整体模型前三阶振型分别为 X 向平动、 Y 向平动和整体扭转。YJK和MIDAS Gen计算的第一扭转周期与第一平动周期之比均约为0.81，小于规范限值0.85。

由于四个核心筒相对比较分散独立，为判断结构整体性情况，分别考察了整体结构和四个核心筒各个楼层的响应。

地震作用下整体结构 X 向和 Y 向最大层间位移角分别为1/649和1/593(图10)，四个核心筒的层间位移角比整体结构统计结果略小，原因是整体结构中的竖向构件除了核心筒内，还包括了其他竖向框架柱。四个核心筒中，东北筒和东南筒的变形基本一致、西北筒和西南筒的变形基本一致，且均满足《高钢规》[10]不大于1/250的要求。

由于本项目为类巨型框架结构体系，相关楼层概念与普通结构有所不同，因此 提出了整体按巨型楼层概念统计 ，即地下室顶板至桁架层顶(9层楼面)为巨型楼层(层高为H，图11)，其最大层间位移角可按Δ U _max /H 计算，其扭转位移比可以按2Δ U _max /(Δ U _max +Δ U _min )计算，Δ U _max 和Δ U _min 分别为桁架层竖向构件最大和最小水平位移， H 为38m。

按照巨型楼层概念计算，多遇地震工况下，结构 X 、 Y 向最大层间位移角分别为1/986、1/877；考虑偶然偏心的最大层间位移比， X 、 Y 向分别为为1.35、1.36。可见，按巨型楼层概念统计的层间位移角远小于普通楼层结果，原因是桁架层对结构的整体性加强起到了关键作用。

地上结构5～7层 X 向楼层间刚度比分别为0.52、0.54、0.41，地上结构4～6层 Y 向楼层间刚度比分别为0.81、0.72、0.72，均不满足设计要求。地上结构6层的楼层抗剪承载力之比最小(图12)，为0.65，满足规范0.65限值要求。设计时，将以上楼层间刚度比和楼层抗剪承载力比不满足规范的楼层指定为薄弱层，并对其地震作用标准值的剪力放大1.25倍进行加强。

3.2 设防地震分析结果

设防地震作用下，按结构构件处于弹性状态，分析得到了结构关键构件的承载力状态和结构变形情况。

设防地震下，整体结构 X 向和 Y 向最大层间位移角分别为1/240和1/220，约为多遇地震作用下最大层间位移角的2.7倍，说明主体结构基本处于弹性状态。根据主体结构构件应力比计算结果，主体结构构件的应力比基本上均小于1.0，因此，设防地震作用下主体结构基本可以实现不屈服的抗震性能目标。

3.3 罕遇地震分析结果

罕遇地震作用下采用SAUSAGE软件进行分析，选取了上海市《建筑抗震设计规程》(DGJ 08-9—2013) ^[11] 中的三条波SHW8、SHW12和SHW14(一条人工波，两条天然波)，峰值加速度取为200cm/s ² 。

根据结构能量耗散计算结果，结构在整个地震中的能量耗散以阻尼消耗为主，占90%～95%；应变能比例为5%～10%，塑性耗能占比较小，说明结构总体损伤程度较低。

结构在 X 、 Y 向的最大层间位移角分别1/112、1/127，分别发生在第4层和第5层，满足多、高层钢结构层间位移角≤1/50的规范要求。

类巨型框架中，框架柱性能水平均不超过轻微损坏；框架梁性能水平均不超过轻微损坏；支撑处于弹性状态；上、下弦杆和腹杆均处于弹性状态。

4.1 巨型柱与次框架部分剪力占比分析

由于巨型框架结构体系的特点，其筒体与框架之间剪力分配与传统框剪和框筒结构区别较大。本项目根据各核心筒与周边框架的完整性，对不同筒体及周边落地柱承担剪力进行分区统计。

各层落地的框架柱(通高落地柱，图13)占比较少，仅北侧两跨落地框架较多，四个巨型柱(核心筒)为竖向荷载传递的主要构件。南侧两巨型柱承担楼层地震剪力占南侧区域的81%～99%；北侧两巨型柱承担楼层地震剪力的占比约为60%～86%。由于南侧巨型柱承担剪力比较高，对其地震剪力进行1.1倍放大。

根据核心筒受力情况(表3)可知，巨型柱结构承担剪力较大，是结构的最主要抗侧力构件，将其定义为关键构件 ^[19] ，以提高其抗震性能目标。

4.2 复杂大跨桁架分析

本工程塔楼7层正中设有3层通高阶梯教室。阶梯教室楼面架于两侧空腹转换桁架，转换桁架通过悬挑桁架与南北侧巨型梁相连(图14)。

为分析阶梯教室荷载对南侧桁架受力影响，对桁架弦杆的内力进行了详尽分析。考虑桁架轴力引起的截面应力大于弯矩下应力，故弦杆均按箱形截面进行设计。

根据表4给出的不同工况下不同位置桁架上弦杆的轴力(正为受拉，负为受压)可知，恒载与活载工况下引起的桁架上弦杆轴力明显大于地震工况，恒、活载工况为桁架内力控制工况；阶梯教室荷载引起的上弦杆轴力占总恒、活载下轴力的38%～65%，悬挑桁架的传力作用明显。因此，将悬挑桁架按关键构件进行设计，并控制恒、活载组合工况下桁架应力比在0.85以下。

4.3 施工次序分析

本项目各杆件连接关系较为复杂，存在较多不同形式的转换，且自重较大，因此不同施工次序对构件的内力分布有较大的影响。结合结构有利性和施工便利性，确定了本工程的施工次序(图16)，并对一次性加载和按指定施工次序两种方式下构件的内力进行了对比分析，结果见表5。

由以上分析结果可知，相比于一次性加载工况，按照指定施工次序 工 况得到的构件应力有大幅度减小，尤其是转换处的大跨桁架。因此，选择本施工次序有利于结构受力，后续可直接用于指导施工。

(1)针对楼板开洞较多，局部楼板有效宽度较窄，对全楼楼板按弹性楼板假定进行计算；地上钢结构部分均采用钢筋桁架楼板，并对开大洞及核心筒周边楼板采用增配钢筋措施；对大跨桁架弦杆处楼板采取局部后浇、增配钢筋等措施，确保楼板能满足小震下不开裂、中震下不屈服 ^[20] 的性能目标。

(2)将四个核心筒及连接核心筒的桁架构件组成的巨型框架定义为关键构件，抗震等级提高，保证连接构件有较强的承载力及连接刚度。并在连接桁架中设置平面支撑，保证较强的平面刚度，实现水平构件的协调作用和结构整体性。

(3)控制恒活载工况下巨型梁及悬挑桁架的应力水平，保证关键构件的延性。

(4)根据弹性时程分析结果和振型分解反应谱分析结果，两者取包络进行承载力设计。

(5)对关键节点进行有限元分析，确保在节点承载力满足抗震性能要求。

(1)本工程根据平面大量缺失、竖向构件间断较多等超限情况，选择了巨型框架结构体系，结构概念清晰，对核心受力构件做出了区分；并通过合理设计及计算分析，实现了结构的抗震性能目标。

(2)根据巨型框架受力情况，按巨型楼层概念统计结构层间位移角，并对承担巨型柱角色的四个核心筒作为关键构件进行地震设计作用放大。

(3)巨型梁所在的楼面，由于受力集中会导致该层楼板应力较大，通过设计加强及合理的施工措施，确保了楼板的受力性能。

(4)大跨楼盖处，通过设置TMD有效控制了其竖向振动，楼面振动舒适度得到大幅提高。

(5)本工程不同施工次序对构件的内力分布有较大影响，结合结构有利性和施工便利性，确定了最优的施工次序。

建设单位： 传橙科技（上海）有限公司

建设地点： 徐汇滨江核心商务区

总建筑面积： 约6.4万m ²

设计单位： 上海建筑设计研究院有限公司

合作设计： 英国福斯特建筑事务所(F+P)

设计时间： 2019年12月—2021年2月

竣工时间： 2024年7月

结构设计团队： 刘桂然、张西辰、汤卫华、俞彬、金兆辉、刘映晖、官樽龙、代紫兰

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