上海中心大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、上海中心大廈塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)丁潔民，巢斯，趙昕同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市四平路1239號(hào)目錄上海中心大廈塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1摘要21 工程概況32 結(jié)構(gòu)體系43 主要分析結(jié)果63.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性63.2 地震作用分析結(jié)果63.3 風(fēng)荷載分析結(jié)果74 關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題84.1 巨柱受力性態(tài)分析及設(shè)計(jì)84.2 組合鋼板剪力墻設(shè)計(jì)114.3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)124.4 風(fēng)工程研究134.5 結(jié)構(gòu)控制134.6 彈塑性動(dòng)力分析144.7 考慮施工過(guò)程的非荷載效應(yīng)分析154.8 抗連續(xù)倒塌分析165 結(jié)論176 參考文獻(xiàn)18摘要上海中心大廈建筑高度為632m，位于臺(tái)風(fēng)影響區(qū)和7度抗震設(shè)防地區(qū)，

2、建成后將成為中國(guó)第一高樓。由于高度超高、建筑形態(tài)復(fù)雜、風(fēng)荷載及地震作用顯著，為實(shí)現(xiàn)其高效和安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需解決眾多的技術(shù)難題。本文對(duì)上海中心大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。首先介紹了項(xiàng)目概況，包括項(xiàng)目定位及功能、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)構(gòu)成、建筑形態(tài)特征以及采用的基礎(chǔ)形式。其次對(duì)結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成和主要的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行介紹，主要內(nèi)容包括本項(xiàng)目采用的巨型框架-伸臂-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系的各組成部分和主要的地震和風(fēng)荷載分析結(jié)果。最后對(duì)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了介紹，包括巨柱受力性態(tài)分析、組合鋼板剪力墻設(shè)計(jì)、基于性能的抗震設(shè)計(jì)、風(fēng)工程研究、結(jié)構(gòu)控制、彈塑性動(dòng)力分析、非荷載效應(yīng)分析以及抗連續(xù)倒塌分析等。關(guān)鍵詞：上海中心大

3、廈、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、巨型框架-伸臂-核心筒體系、混合結(jié)構(gòu)1 工程概況上海中心大廈位于上海陸家嘴金融中心區(qū)Z3-1地塊，基地鄰近有上海金茂大廈、上海環(huán)球金融中心等多幢超高層建筑。上海中心大廈建成后將成為滿(mǎn)足公眾審美層面與專(zhuān)業(yè)審美層面的標(biāo)志性、地標(biāo)性建筑，成為商務(wù)活動(dòng)中心，商務(wù)交流休憩中心和市民休閑娛樂(lè)中心。該項(xiàng)目用地面積30370平米，地上建筑面積38萬(wàn)平米，地下建筑面積16萬(wàn)平米，建筑總高度為632m，結(jié)構(gòu)高度為574m。上海中心大廈地下5層，地上124層，大樓沿豎向劃分9個(gè)區(qū)，底部為1個(gè)裙房商業(yè)區(qū)，上部包括4個(gè)辦公區(qū)、2個(gè)酒店/服務(wù)公寓區(qū)、1個(gè)全球企業(yè)館和頂部的觀景區(qū)，每個(gè)區(qū)由兩層高的設(shè)備層及避難

4、層分隔。 圖1 垂直分區(qū)及建筑形態(tài)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)體現(xiàn)了較強(qiáng)的國(guó)際化和專(zhuān)業(yè)化特征。方案及初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)總包為美國(guó)GENSLER事務(wù)所，設(shè)計(jì)咨詢(xún)及施工圖階段設(shè)計(jì)總包為同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，方案及初步設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)及機(jī)電專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)顧問(wèn)分別為美國(guó)的THORNTON TOMASETTI和CONSENTINI公司。此外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還包括各專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)咨詢(xún)公司如美國(guó)SWA（景觀設(shè)計(jì)），加拿大RWDI（風(fēng)工程咨詢(xún)），香港利比工料測(cè)量師事務(wù)所（工料測(cè)量）和美國(guó)高緯環(huán)球（垂直交通）等等。上海中心大廈立面形態(tài)基本幾何元素為由三段圓弧構(gòu)成的圓導(dǎo)角三邊形（圖1）。旋轉(zhuǎn)上升并均勻縮小，演進(jìn)為一個(gè)平滑光順的

5、非線性扭曲面，形成了大廈獨(dú)特的立面造型。柔和的、旋轉(zhuǎn)上升的優(yōu)雅曲面，與金茂大廈的傳統(tǒng)寶塔造型和環(huán)球金融的現(xiàn)代簡(jiǎn)約風(fēng)格形成的顯著的區(qū)別和互補(bǔ)，進(jìn)而在小陸家嘴地區(qū)構(gòu)成了一個(gè)和諧的品字型超高層組群。本項(xiàng)目樁基采用鉆孔灌注樁。為確保樁基質(zhì)量，采用了后注漿工藝。塔樓部分樁徑均為1m，核心區(qū)樁長(zhǎng)為56m，擴(kuò)展區(qū)樁長(zhǎng)為52m，持力層為9-2-1層粉砂，單樁承載力為1000噸，塔樓部分總樁數(shù)為955根。塔樓筏板厚度約為6m。本項(xiàng)目基坑面積約34960平方米，基地呈四邊形，邊長(zhǎng)約200m。本工程設(shè)5層地下室，裙房區(qū)域開(kāi)挖深度約26.3m，塔樓區(qū)域開(kāi)挖深度約31.1m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，圍護(hù)總周長(zhǎng)約768m

6、。2 結(jié)構(gòu)體系結(jié)合建筑立面及平面布置，上海中心大廈采用了巨型框架伸臂核心筒結(jié)構(gòu)體系（圖2）。沿高度方向在第二、四、五、六、七和八區(qū)共設(shè)置了六道兩層高的伸臂桁架。各區(qū)均設(shè)置有兩層高的箱型環(huán)帶桁架。巨柱底部最大截面尺寸為5300mmx3700mm，核心筒底部最大厚度為1200mm。在各個(gè)分區(qū)的避難層均設(shè)置了徑向桁架作為幕墻結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)。巨型框架由八根巨柱和每個(gè)加強(qiáng)層設(shè)置的兩層高箱型空間桁架相連而成。巨型框架的八根巨柱在第八區(qū)終止，四根角柱在第五區(qū)終止。在六區(qū)以下沿建筑對(duì)角位置布置的4根角柱主要用于減少箱型空間桁架的跨度。箱型空間桁架是抗側(cè)力體系巨型框架的一部分，同時(shí)也是建筑周邊重力柱的轉(zhuǎn)換桁架。

7、作為巨柱之間的有效連接，箱型空間桁架與巨柱共同形成巨型框架結(jié)構(gòu)體系。伸臂桁架的設(shè)置可以有效地減小水平荷載（風(fēng)、地震荷載等）作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)移和核心筒體承擔(dān)的彎矩。由于加強(qiáng)層具有較強(qiáng)的抗彎剛度，對(duì)與之相連的巨柱有很強(qiáng)的約束作用。在每個(gè)加強(qiáng)層部位，結(jié)構(gòu)的受拉側(cè)巨柱對(duì)加強(qiáng)層作用有向下的集中力，而結(jié)構(gòu)受壓側(cè)巨柱對(duì)加強(qiáng)層作用有向上的集中力。這兩個(gè)力形成一對(duì)力偶，平衡了核心筒在水平荷載作用下承擔(dān)的一部分彎矩內(nèi)力，減小結(jié)構(gòu)的變形。核心筒平面形狀沿高度根據(jù)建筑平面功能作相應(yīng)調(diào)整，底部為29mx29m的方形布置，中部為切角方形布置，頂部為十字形布置（圖3）。在建筑底部，為減小核心筒墻體厚度，增加底部加強(qiáng)區(qū)延性，在

8、核心筒內(nèi)埋設(shè)了鋼板。地下室范圍內(nèi)在巨柱和核心筒之間設(shè)置有五層高的翼墻。翼墻的設(shè)置一方面增加筏板抗沖切承載力、減小基礎(chǔ)的差異變形，另一方面為地下室提供較大的剪切剛度，滿(mǎn)足地下室頂部嵌固的剛度要求。伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架伸臂桁架a. 典型剖面b. 伸臂桁架c. 環(huán)帶桁架d. 徑向桁架圖2 結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成a. 14區(qū)核心筒建筑平面b. 57區(qū)核心筒建筑平面圖3 核心筒平面布置圖在塔樓頂部建筑形態(tài)較為特別，需要設(shè)計(jì)合理有效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。目前塔冠結(jié)構(gòu)由三部分組成：鰭狀豎向桁架、雙向桁架和八角形帶斜撐的鋼框架體系。塔冠三維等軸視圖見(jiàn)圖4。a. 塔冠建筑剖面b. 塔冠結(jié)構(gòu)三維等軸視圖圖4 塔冠

9、剖面及結(jié)構(gòu)體系3 主要分析結(jié)果3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性結(jié)構(gòu)前三階周期分別為9.04s，8.90s和5.56s，分別為X向一階平動(dòng)，Y向一階平動(dòng)和一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。振型見(jiàn)圖5。由于第一階周期約9s左右，周期較長(zhǎng)，在反應(yīng)譜和時(shí)程分析中充分考慮了長(zhǎng)周期效應(yīng)的影響。a. 第一模態(tài)T1=9.04Sb. 第二模態(tài)T2=8.90Sc. 第三模態(tài)T3=5.56S圖5 結(jié)構(gòu)振型3.2 地震作用分析結(jié)果抗震分析中采用的阻尼比對(duì)多遇、基本和罕遇地震烈度分別取為4.0%，4.0%和5.0%，周期折減系數(shù)分別取為0.90，0.95和1.00?？拐鹪O(shè)計(jì)中采用的反應(yīng)譜信息如下： 1) 多遇地震作用采用場(chǎng)地超越概率10%并取折減系數(shù)

10、為0.35的反應(yīng)譜和規(guī)范50年超越概率為63%的反應(yīng)譜的包絡(luò)譜； 2) 基本地震作用采用規(guī)范50年10%超越概率的地震動(dòng)反應(yīng)譜； 3) 罕遇地震作用采用規(guī)范50年2%超越概率的地震動(dòng)反應(yīng)譜； 圖6 多遇地震反應(yīng)譜多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在X向和Y向的最大層間位移角分別為1/549和1/637，所在樓層分別為91F和92F?；玖叶鹊卣鹱饔孟?，結(jié)構(gòu)在X向和Y向的最大層間位移角分別為1/208和1/239，所在樓層也同樣分別為91F和92F。多遇及基本烈度下的層間位移角曲線見(jiàn)圖7。a 多遇地震b 基本地震圖7 地震作用下層間位移角3.3 風(fēng)荷載分析結(jié)果對(duì)強(qiáng)度驗(yàn)算、剛度驗(yàn)算和舒適度驗(yàn)算分別取100年一遇

11、、50年一遇和10年一遇的風(fēng)荷載。阻尼比分別取為4.0%，4.0%和1.0%，連梁剛度分別取為0.5，1.0和1.0。剛度驗(yàn)算風(fēng)荷載下最大層間位移角為1/487，所在樓層為124層。由于上海中心大廈高度超高，且周期較長(zhǎng)，在單向風(fēng)作用下同時(shí)存在順風(fēng)向風(fēng)荷載和橫風(fēng)向風(fēng)荷載，且橫風(fēng)向風(fēng)荷載更為顯著。在進(jìn)行風(fēng)荷載下位移驗(yàn)算時(shí)，考慮了順風(fēng)向風(fēng)荷載和橫風(fēng)向風(fēng)荷載同時(shí)作用的情況。單風(fēng)向作用下，考慮順風(fēng)向及橫風(fēng)向風(fēng)荷載變形合成的層間位移角結(jié)果見(jiàn)圖8。圖8 風(fēng)荷載下層間位移角4 關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題4.1 巨柱受力性態(tài)分析及設(shè)計(jì)外圍巨型框架承擔(dān)了一半的重力荷載、水平剪力，承擔(dān)了大部分的傾覆力矩。在豎向承載體系和抗側(cè)力體

12、系中占據(jù)重要地位。巨型框架和核心筒承擔(dān)荷載比例見(jiàn)表1。表1 巨型框架和核心筒底部反力比例構(gòu)件重力剪力傾覆力矩巨型框架504776核心筒505324巨柱混凝土材料采用C70C50，內(nèi)埋鋼骨材料為Q345GJQ390GJ?？拐鸬燃?jí)通高采用特一級(jí)?？拐鹦阅苣繕?biāo)為中震彈性。巨柱內(nèi)埋鋼骨設(shè)計(jì)初步考慮在16區(qū)采用“王”字型，78區(qū)采用“日”字型（圖9）。該方案將中間大腹板和兩側(cè)翼緣合二為一，形成“日”字型鋼骨，整體性更好，相同含鋼率前提下，鋼骨抗彎承載力更好，且“日”字型鋼骨焊接量減少。78區(qū)的巨柱尺寸減小，即使將腹板拉開(kāi)到兩側(cè)，也能方便實(shí)現(xiàn)與伸臂的連接。在低區(qū)，巨柱鋼骨腹板形成的空腔，為進(jìn)一步提高混凝土

13、的抗壓強(qiáng)度和延性，減少混凝土在重壓下的收縮徐變，減少兩種材料的變形差異，在空腔中按構(gòu)造配置鋼筋籠。 a 16區(qū)巨柱截面 b 78區(qū)巨柱截面圖9 巨柱截面及內(nèi)埋鋼骨在小震組合下，巨柱通高未出現(xiàn)拉力；無(wú)論是正向地震還是反向地震（使被考察巨柱受拉）所有樓層均處于小偏壓受力狀態(tài)（圖10）；在中震組合下，反向地震使巨柱自3區(qū)以上開(kāi)始出現(xiàn)拉力，但拉力數(shù)值均不大；正向地震組合下，所有樓層處于小偏壓受力狀態(tài)；反向地震組合下，12區(qū)為小偏壓，3區(qū)為大偏壓，4區(qū)為大偏拉，58區(qū)為小偏拉。在大震組合下，反向地震使巨柱通高出現(xiàn)拉力，絕大多數(shù)樓層處于小偏拉狀態(tài)；正向地震組合下所有樓層均處于小偏壓狀態(tài)。圖10 多遇及基本

14、地震下巨柱軸力分布圖承載力驗(yàn)算參考規(guī)范鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（YB9082-2006）的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2002）、建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001），編制程序的流程圖如下：圖11 巨柱承載力驗(yàn)算流程圖承載力驗(yàn)算如圖12所示，由圖可知：巨柱和角柱在標(biāo)準(zhǔn)段的承載力有很大富余，在節(jié)點(diǎn)區(qū)由于內(nèi)力突變，截面承載力利用比例提高，但仍滿(mǎn)足要求?？梢?jiàn)，本工程巨柱在滿(mǎn)足規(guī)范相關(guān)構(gòu)造規(guī)定的前提下，構(gòu)件設(shè)計(jì)主要由塔樓整體剛度控制，構(gòu)件截面承載力有較大富余。a 巨柱中震組合下承載力復(fù)核結(jié)果b 巨柱大震組合下承載力復(fù)核結(jié)果c 巨柱中震組合下承載力復(fù)核結(jié)果d 巨柱大震組合下承載力復(fù)核結(jié)果圖

15、12 巨柱承載力復(fù)核4.2 組合鋼板剪力墻設(shè)計(jì)為減小核心筒和翼墻厚度，增加結(jié)構(gòu)底部延性，在塔樓一區(qū)及地下室核心筒及翼墻部位采用了組合鋼板剪力墻構(gòu)件（圖13）。鋼板厚度通常由抗剪承載力和軸壓比限值控制，并滿(mǎn)足最小板厚等構(gòu)造要求。核心筒及翼墻設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。圖13 組合鋼板剪力墻平面布置圖表2 核心筒及翼墻設(shè)計(jì)參數(shù)位置鋼板剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)核心筒抗震等級(jí)翼墻抗震等級(jí)地上三九區(qū)-C60特一級(jí)-地上二區(qū)是C60特一級(jí)-地下一層是C60特一級(jí)一級(jí)地下二層是C60特一級(jí)一級(jí)地下三層是C60一級(jí)二級(jí)地下四層是C60二級(jí)三級(jí)地下五層是C60三級(jí)四級(jí)參考相關(guān)文獻(xiàn)（孫建超，徐培福等，2008）和規(guī)范（AISC2

16、005，高規(guī)JGJ2002），在本設(shè)計(jì)中采用如下抗剪承載力計(jì)算公式： （1）其中，為剪力墻的軸向壓力設(shè)計(jì)值，當(dāng)時(shí)，應(yīng)取，為剪力墻截面面積，為T(mén)形或I形截面剪力墻腹板的面積，矩形截面時(shí)應(yīng)取，為計(jì)算截面處的剪跨比。為墻身鋼板的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，為墻身鋼板橫截面面積。本工程內(nèi)埋鋼板已延伸至暗柱區(qū)，內(nèi)埋鋼板長(zhǎng)度取值可算至暗柱范圍。彈性設(shè)計(jì)時(shí)受剪截面限制條件驗(yàn)算按下式計(jì)算： （2）其中，為扣除墻身鋼板抗剪承載力設(shè)計(jì)值之后的鋼筋混凝土墻體承擔(dān)的剪力設(shè)計(jì)值。在大震情況下，受剪截面限制條件驗(yàn)算按下式： （3）其中，為扣除墻身鋼板抗剪承載力標(biāo)準(zhǔn)值之后的鋼筋混凝土墻體承擔(dān)的大震剪力標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于組合鋼板剪力墻，按照鋼

17、骨混凝土剪力墻的要求驗(yàn)算底部加強(qiáng)部位在重力荷載代表值作用下的軸壓力系數(shù)： （4）其中，為重力荷載代表值作用下剪力墻墻肢的軸向壓力設(shè)計(jì)值，需考慮分項(xiàng)系數(shù)。和分別為剪力墻墻肢的截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，和分別為剪力墻內(nèi)鋼板部分的截面面積和鋼板抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。鋼骨混凝土剪力墻軸壓力系數(shù)限值按表3取值：表3 鋼骨混凝土剪力墻軸壓力系數(shù)限值抗震等級(jí)特一級(jí)、一級(jí)（9度）一級(jí)（7、8度）二級(jí)無(wú)端柱剪力墻0.400.500.60核心筒底部部分剪力墻如軸壓比不滿(mǎn)足限值或承載力不滿(mǎn)足規(guī)定時(shí)，可采用鋼板剪力墻。鋼板剪力墻中鋼板目前無(wú)最小含鋼率要求，但鋼板的厚度要考慮施工因素，不宜太薄。建議根據(jù)表4選用最小

18、鋼板厚度。表4 鋼板剪力墻最小鋼板厚度表剪力墻厚度范圍滿(mǎn)足施工要求的最小鋼板厚度t1000mm15mm1000mmt1500mm20mm1500mmt2000mm建議采用雙層鋼板，每層鋼板厚度不小于15mm，鋼板間距大于800mm，以滿(mǎn)足施工間距要求。4.3 基于性能的抗震設(shè)計(jì)上海中心大廈項(xiàng)目由于高度超高，且設(shè)置了多道加強(qiáng)層，是超限高層建筑。為確?？拐鹪O(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，超高層建筑，尤其是超限高層建筑可采用基于性能抗震設(shè)計(jì)方法。除滿(mǎn)足現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外，擬采用專(zhuān)門(mén)的抗震性能目標(biāo)和設(shè)計(jì)控制指標(biāo)?？拐鹦阅苣繕?biāo)：7度小震：結(jié)構(gòu)完好，處于彈性狀態(tài)；7度中震：結(jié)構(gòu)基本完好，基本處于彈性狀態(tài)。地震作用后的結(jié)

19、構(gòu)動(dòng)力特性與彈性狀態(tài)的動(dòng)力特性基本一致，超級(jí)柱，型鋼混凝土角柱、核心筒墻體及外伸臂桁架等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)基本完好，框架梁、連梁等次要構(gòu)件輕微開(kāi)裂；7度大震：結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞但主要節(jié)點(diǎn)不發(fā)生斷裂，結(jié)構(gòu)不發(fā)生局部或整體倒塌，主要抗側(cè)力構(gòu)件超級(jí)柱，型鋼混凝土角柱和核心筒墻體不發(fā)生剪切破壞。設(shè)計(jì)控制指標(biāo)：7度小震：最大層間位移角不大于1/500，底層層間位移角不大于1/2000；7度中震：最大層間位移角不大于1/200；取不考慮構(gòu)件內(nèi)力調(diào)整和風(fēng)荷載的中震組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值及材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對(duì)超級(jí)柱、型鋼混凝土角柱、核心筒墻體及外伸桁架等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗震承載力進(jìn)行驗(yàn)算；框架梁、連梁等次要構(gòu)件中的鋼筋（鋼

20、材）應(yīng)力不超過(guò)屈強(qiáng)度（80%以下）；7度大震：最大層間位移角不大于1/100；框架梁、連梁等次要構(gòu)件可出現(xiàn)塑性鉸，但塑性鉸的轉(zhuǎn)角不大于1/50。主要節(jié)點(diǎn)中鋼筋（鋼材）應(yīng)力可以超過(guò)屈服強(qiáng)度，但不能超過(guò)極限強(qiáng)度。地震剪力取大震時(shí)的彈性地震作用力標(biāo)準(zhǔn)值，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)，驗(yàn)算受剪截面控制條件（z）；驗(yàn)算作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的超級(jí)柱和核心筒的極限抗剪承載力。在抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了反應(yīng)譜方法、彈性時(shí)程分析方法和彈塑性時(shí)程分析方法做為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗震性能的手段，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確保構(gòu)件設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足性能目標(biāo)的同時(shí)具有最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。4.4 風(fēng)工程研究為了保證抗風(fēng)設(shè)

21、計(jì)的可靠性及準(zhǔn)確性，有必要對(duì)塔樓進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以確定風(fēng)荷載。RWDI風(fēng)洞試驗(yàn)顧問(wèn)公司對(duì)本工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)研究試驗(yàn)。其研究由風(fēng)氣候分析、空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化和風(fēng)洞試驗(yàn)三部分組成。風(fēng)氣候分析主要是根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)氣候研究確定設(shè)計(jì)風(fēng)速與風(fēng)向分布，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出不同回歸期下的風(fēng)響應(yīng)。超高層建筑風(fēng)荷載較大，風(fēng)荷載效應(yīng)明顯。對(duì)建筑形態(tài)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化可以有效減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載及效應(yīng)。常用的可以有效減小風(fēng)荷載的形態(tài)優(yōu)化方法包括：圓弧倒角、契形立面、截面變化、擾流翼和立面開(kāi)洞等。上海中心大廈建筑形態(tài)采用了“圓弧倒角”、“契形立面”、“截面變化”等三種形態(tài)優(yōu)化方法。此外，通過(guò)詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)考察一般風(fēng)洞試驗(yàn)中

22、可能包含的不確定因素和過(guò)于保守的部分，以此進(jìn)一步提高對(duì)風(fēng)響應(yīng)預(yù)計(jì)的精確度。目前已完成的試驗(yàn)及分析包括：高頻測(cè)力天平模型試驗(yàn)、高頻壓力積分模型試驗(yàn)、高雷諾數(shù)試驗(yàn)、全氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)和幕墻風(fēng)荷載試驗(yàn)。4.5 結(jié)構(gòu)控制圖14 不同水準(zhǔn)風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度根據(jù)RWDI的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果（圖14），結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)在10年一遇風(fēng)荷載作用下的頂點(diǎn)最大加速度約為8gal，可以滿(mǎn)足舒適度的要求。盡管根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，在不進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制的情況下結(jié)構(gòu)的舒適度是可以滿(mǎn)足的。由于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可能與實(shí)際情況不一致，目前設(shè)計(jì)中考慮了將來(lái)設(shè)置TMD的可能性，作為實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)的有效手段之一。調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（Tuned

23、 Mass Damper, 簡(jiǎn)稱(chēng)TMD）是最常用的被動(dòng)控制裝置。它是在結(jié)構(gòu)物頂部或上部某位置上設(shè)置慣性質(zhì)量，并配以彈簧和阻尼器與主體結(jié)構(gòu)相連。利用共振原理對(duì)主體結(jié)構(gòu)某些振型（通常是第一或第二振型）的動(dòng)力響應(yīng)加以控制。對(duì)于TMD控制裝置而言，一般來(lái)說(shuō)安裝于結(jié)構(gòu)的頂層（主振型位移最大處）有利于控制作用的發(fā)揮。同時(shí)控制裝置的設(shè)置必須考慮建筑空間的要求，盡量安裝于不影響建筑功能的部位。為提高系統(tǒng)控制效果，主要是通過(guò)調(diào)整TMD系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、頻率比和TMD系統(tǒng)的阻尼比等參數(shù)，使TMD系統(tǒng)能吸收更多的振動(dòng)能量，從而大大減輕主體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。因此，為了取得較好的控制效果，有必要對(duì)TMD系統(tǒng)的動(dòng)力參

24、數(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化。4.6 彈塑性動(dòng)力分析采用非線性功能強(qiáng)大、顯式積分算法優(yōu)異的有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程反應(yīng)分析。核心筒剪力墻、剪力墻之間的連梁按實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，并采用S4R殼單元模擬；考慮剪力墻中內(nèi)埋鋼柱的作用，用B31梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬嵌入殼中。一區(qū)的鋼板剪力墻采用分層的殼元模擬。剪力墻中的鋼筋和剪力墻的混凝土一起考慮取等效彈模。去除鋼骨的巨柱采用S4R殼單元模擬，巨柱中的鋼骨采用B31梁?jiǎn)卧M，同時(shí)將該梁?jiǎn)卧c殼單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合以模擬巨柱整體。圖15 混凝土彈塑性損傷模型混凝土采用彈塑性損傷模型如圖16所示，可考慮材料拉壓強(qiáng)度的差異，剛度、強(qiáng)度的退化和拉壓循環(huán)的剛度恢

25、復(fù)?；炷凉羌芮€關(guān)系采用Stephen 簡(jiǎn)化模型，鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙線性動(dòng)力硬化模型，并假定塑性段切向模量為彈性模量的1/100。該模型可考慮包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過(guò)程中剛度無(wú)退化。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mises屈服條件準(zhǔn)則進(jìn)行。采用損傷因子作為判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷情況的參數(shù)。圖16顯示了核心筒損傷因子分布情況。圖16 核心筒墻體在MEX006-007波（罕遇地震）作用下?lián)p傷因子分布4.7 考慮施工過(guò)程的非荷載效應(yīng)分析豎向構(gòu)件壓縮變形影響可分為絕對(duì)壓縮變形影響和相對(duì)壓縮變形影響。巨柱和核心筒的豎向差異變形將影響樓屋面的水平度，在聯(lián)系巨柱和核心筒的水平構(gòu)件（如伸臂桁架）中引起附加內(nèi)力，從而導(dǎo)

26、致豎向構(gòu)件內(nèi)力的重分布。本文采用B3模型模擬巨柱及核心筒構(gòu)件的收縮和徐變變形特征。B3模型能充分地考慮大體表比構(gòu)件濕度擴(kuò)散的尺度效應(yīng)。B3模型在構(gòu)件所處環(huán)境、尺寸、材料強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，考慮了材料本身組成成分如水泥類(lèi)型、水灰比、水泥含量、骨料水泥比、水含量等因素對(duì)收縮徐變的影響。因此，通過(guò)B3模型進(jìn)行分析計(jì)算能夠更準(zhǔn)確地反映大體表比構(gòu)件混凝土收縮徐變過(guò)程，得到更符合實(shí)際的構(gòu)件收縮徐變變形。計(jì)算分析了考慮收縮徐變的巨柱中型鋼部分承擔(dān)的豎向荷載比例隨時(shí)間變化的情況。在同時(shí)考慮混凝土收縮徐變的情況下，混凝土承擔(dān)的豎向荷載不斷轉(zhuǎn)移至型鋼部分。型鋼部分承擔(dān)的豎向荷載比例由結(jié)構(gòu)封頂時(shí)的33%增加至30年后的5

27、6%，增加比例較為顯著。圖17 巨柱中型鋼部分承擔(dān)的豎向荷載比例時(shí)程分別計(jì)算了結(jié)構(gòu)封頂1年后和10年后的核心筒和巨柱的累積豎向變形。樓板施工后核心筒累積豎向變形在結(jié)構(gòu)封頂1年后約為110mm，而樓板施工后巨柱累積豎向變形在結(jié)構(gòu)封頂1年后約為50mm。由圖18可以看出，樓板施工后核心筒累積豎向變形在結(jié)構(gòu)封頂10年后約為218mm，而樓板施工后巨柱累積豎向變形在結(jié)構(gòu)封頂10年后約為107mm。進(jìn)一步的分析表明，10年樓層施工后巨柱壓縮變形最大值發(fā)生在第110層，約為108mm。10年樓層施工后核心筒壓縮變形最大值發(fā)生在第117層，約為218mm?？紤]伸臂在第1200天時(shí)合攏，引起伸臂附加內(nèi)力的樓層

28、施工后巨柱及核心筒差異變形在施工開(kāi)始后10年達(dá)到約3mm（第一道伸臂）52mm（第六道伸臂）。a 樓板施工后核心筒累積豎向變形（10年后）b 樓板施工后巨柱C1累積豎向變形（10年后）圖18 核心筒及巨柱累積豎向變形4.8 抗連續(xù)倒塌分析連續(xù)性倒塌是由于結(jié)構(gòu)局部某關(guān)鍵構(gòu)件的破壞導(dǎo)致相鄰構(gòu)件失效，繼而引發(fā)更多構(gòu)件破壞，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌或者產(chǎn)生和初始觸因很不相稱(chēng)的大面積倒塌的連鎖反應(yīng)。由于結(jié)構(gòu)倒塌破壞將會(huì)引起災(zāi)難性后果，如大量的人員傷亡和巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，因此，在上海中心大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入連續(xù)倒塌分析從而防止災(zāi)難性事件的發(fā)生。爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位（如主要承重柱

29、及核心筒）遭到破壞引起的，因此，采用LS-DYNA軟件對(duì)爆炸荷載作用進(jìn)行了分析，考察主要承重柱和核心筒的抗爆能力，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力。角柱抗爆分析模型見(jiàn)圖19。a 箍筋模型b 型鋼模型c 縱筋模型圖19 角柱模型示意圖分析表明，在爆炸荷載作用下，角柱基本處于彈性工作狀態(tài)，因此不會(huì)發(fā)生剪切破壞，而其最大位移和轉(zhuǎn)角都在規(guī)定范圍內(nèi)，從而可以避免彎曲破壞的發(fā)生。由于沖擊波超壓峰值較低，混凝土材料應(yīng)力較小，混凝土無(wú)破壞，因而不會(huì)發(fā)生局部破壞，總之，此角柱有足夠的抗爆能力抵抗給定的爆炸荷載。對(duì)爆炸荷載作用下剪力墻抵抗爆炸荷載的能力進(jìn)行了分析，在分析過(guò)程中，選取單肢墻長(zhǎng)度相對(duì)較小的墻肢（位于軸線F

30、.2與軸線10.7的相交處）進(jìn)行抗爆研究。核心筒抗爆分析模型見(jiàn)圖20。a 整體模型圖b 箍筋及水平分布筋模型圖圖20 剪力墻模型示意圖分析表明，在爆炸荷載作用下，剪力墻約束處型鋼及混凝土達(dá)到屈服強(qiáng)度的單元面積很少，因此不會(huì)在約束處發(fā)生剪切破壞，而其最大位移和轉(zhuǎn)角都在規(guī)定范圍內(nèi)，從而可以避免彎曲破壞的發(fā)生。由于沖擊波超壓峰值高，作用時(shí)間較短，因此，剪力墻的最大反應(yīng)持續(xù)時(shí)間很短，在爆炸荷截作用后整體剪力墻的反應(yīng)逐漸減小并趁于穩(wěn)定，此剪力墻不會(huì)因爆炸荷載失去承載能力而破壞。對(duì)次結(jié)構(gòu)進(jìn)行了連續(xù)倒塌分析，考慮第9層Z1軸與SSW3軸交叉處鋼柱（C366）失效后的抗連續(xù)倒塌分析。抽柱部位為第9層外圍次結(jié)構(gòu)鋼柱，如圖21所示。原設(shè)計(jì)方案9-20層次結(jié)構(gòu)鋼柱與環(huán)向梁為鉸接連接，20層鋼柱頂端軸力釋放。抽柱后所抽柱部分相鄰跨19-20層后變?yōu)樗沧凅w系，線性