上海中心抗震設(shè)計(jì)研究

1、上海中心結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究工程介紹坐落于浦東陸家嘴商業(yè)中心區(qū)的上海中心大廈是一幢綜合性超高層建筑，其功能區(qū)域包括辦公、商業(yè)、酒店、觀光娛樂(lè)、會(huì)議中心和交易六大功能區(qū)域，具體分為大眾商業(yè)娛樂(lè)區(qū)域，低、中高檔辦公區(qū)域，企業(yè)會(huì)館區(qū)域，精品酒店區(qū)域，頂部功能體驗(yàn)空間等。地上可容許建筑面積（FAR）大約為380，000平米。其中包括地上120層辦公樓層（塔尖高度為632米，結(jié)構(gòu)高度574.6米），還包括一個(gè)5層的商業(yè)裙樓用作奢侈品零售，辦公和酒店大堂，飯店，會(huì)議和宴會(huì)等。此外，5層地下部分設(shè)計(jì)用作零售、泊車(chē)、保養(yǎng)和機(jī)電功能。筒體結(jié)構(gòu)Zone 8Zone 7Zone 6Zone 5Zone 4Zone 3Z

2、one 2Zone 1BasementZone 9巨型柱加強(qiáng)層巨型柱核心筒巨型角柱外伸臂桁架帶狀桁架上海中心采采用中心心混凝土土剪力墻墻筒體結(jié)結(jié)構(gòu)，通通過(guò)8個(gè)加強(qiáng)強(qiáng)層，與與巨型型型鋼混凝凝土超級(jí)級(jí)柱相連連接，并并同時(shí)將將整個(gè)建建筑沿高高度方向向分為了了9個(gè)區(qū)段段。（Zonne1 to Zonne 99）通過(guò)過(guò)筒體結(jié)結(jié)構(gòu)與巨巨型柱的的共同作作用，承承受豎向向荷載、水水平側(cè)向向力以及及地震荷荷載。加加強(qiáng)層由由空間的的外伸臂臂桁架、帶帶狀桁架架、以及及空間桿桿件體系系和樓板板組成，帶帶狀桁架架將外圍圍的八根根（上部部區(qū)域四四根）巨巨型柱圈圈成一體體，外伸伸臂桁架架則將筒體結(jié)構(gòu)Zone 8Zone 7

3、Zone 6Zone 5Zone 4Zone 3Zone 2Zone 1BasementZone 9巨型柱加強(qiáng)層巨型柱核心筒巨型角柱外伸臂桁架帶狀桁架結(jié)構(gòu)高度及及高寬比比都超過(guò)過(guò)高層層建筑混混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)技術(shù)術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）的規(guī)定限值；結(jié)構(gòu)類(lèi)型為為混合結(jié)結(jié)構(gòu)。中中心為核核心筒體體，與外外部四個(gè)個(gè)巨型柱柱以及四四個(gè)巨型型角柱構(gòu)構(gòu)成結(jié)構(gòu)構(gòu)主體；通過(guò)外外伸臂將將核心筒筒與巨型型柱聯(lián)系系在一起起；通過(guò)過(guò)帶狀桁桁架將巨巨型柱圍圍成整體體；帶狀狀桁架采采用鋼桁桁架；巨巨型柱采采用型鋼鋼混凝土土。沿結(jié)構(gòu)高度度方向按按每一個(gè)個(gè)加強(qiáng)層層設(shè)置一一道外伸伸臂桁架架。伸臂臂桁架采采用兩層層高的鋼鋼桁架。沿結(jié)

4、構(gòu)高度度方向按按每一個(gè)個(gè)加強(qiáng)層層設(shè)置一一套帶狀桁桁架，把外圍圍柱子的的荷載傳傳遞給巨巨型柱。建筑物采用用了多重重抗側(cè)力力體系。鑒于此為了了確保該該建筑結(jié)結(jié)構(gòu)的抗抗震安全全性和可可靠性，除除進(jìn)行常常規(guī)的計(jì)計(jì)算分析析、有效效的設(shè)計(jì)計(jì)手段和和構(gòu)造措措施外，應(yīng)當(dāng)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)研究，通過(guò)非線性有限元手段，更深入、直觀、全面地研究該結(jié)構(gòu)的抗震性能。抗震設(shè)防標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)國(guó)家標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)建建筑抗震震設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范（GB5500111-220011）采用“小震不不壞、中中震可修修、大震震不倒”的設(shè)防防目標(biāo)，其其對(duì)應(yīng)于于“小震、中中震、大大震”三個(gè)地地震水準(zhǔn)準(zhǔn)的發(fā)生生概率，50年超越越概率分分別為63、10和

5、23。本工程所處處地區(qū)中中國(guó)上海海市的抗抗震設(shè)防防烈度為為7度。根根據(jù)中國(guó)國(guó)國(guó)家標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)建建筑抗震震設(shè)防分分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)（GB5502223），該該建筑物物的重要要性等級(jí)級(jí)為乙類(lèi)類(lèi)，即在在地震時(shí)時(shí)其使用用功能不不能中斷斷或需盡盡快恢復(fù)復(fù)的建筑筑。因此此該建筑筑物的地地震作用用按7度考慮慮，抗震震構(gòu)造措措施按8度考慮慮。7度小震震、中震震、大震震和8度大震震所對(duì)應(yīng)應(yīng)的地震震地面加加速度分分別為335gaal、1000gall、2200gall、4000gall。上海屬于軟軟土地基基，場(chǎng)地地類(lèi)別為為類(lèi)，對(duì)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)場(chǎng)地特征征周期為為0.99S。鑒于該工程程的重要要性和復(fù)復(fù)雜性，除除滿足現(xiàn)現(xiàn)行設(shè)計(jì)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外外

6、，特制制定其抗抗震性能能水準(zhǔn)如如下：（1）7度度小震和和中震作作用下，結(jié)結(jié)構(gòu)基本本處于彈彈性狀態(tài)態(tài)，結(jié)構(gòu)構(gòu)完好無(wú)無(wú)損傷；（2）7度度大震作作用下，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件件允許開(kāi)開(kāi)裂，但但開(kāi)裂程程度控制制在可修修復(fù)的范范圍內(nèi)，開(kāi)開(kāi)裂部位位在可控控制的范范圍內(nèi)，主主要抗側(cè)側(cè)力體系系（巨型型框架，巨巨型斜撐撐）在按按標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)算算時(shí)不屈屈服。（3）在88度大震震作用下下，結(jié)構(gòu)構(gòu)可能出出現(xiàn)嚴(yán)重重的破壞壞，但不不能倒塌塌。借助非線線性有限限元分析析軟件Perrforrm-33D對(duì)建筑筑的主體體結(jié)構(gòu)進(jìn)進(jìn)行推覆覆分析、地震作用下的時(shí)程分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的分析。結(jié)構(gòu)性能目目標(biāo)（1）7度度小震和和中震下下的結(jié)構(gòu)

7、構(gòu)彈性狀狀態(tài)層間位移角角不大于于1/5500，理論論分析和和模型試試驗(yàn)中結(jié)結(jié)構(gòu)不出出現(xiàn)裂縫縫，鋼筋筋應(yīng)力不不超過(guò)屈屈服強(qiáng)度度，混凝凝土壓應(yīng)應(yīng)力不超超過(guò)抗壓壓強(qiáng)度的的1/3，在地地震作用用后結(jié)構(gòu)構(gòu)變形基基本恢復(fù)復(fù)，節(jié)點(diǎn)點(diǎn)處在彈彈性狀態(tài)態(tài)，地震震作用后后的結(jié)構(gòu)構(gòu)動(dòng)力特特性與彈彈性狀態(tài)態(tài)的動(dòng)力力特性基基本一致致。（2）7度度大震下下結(jié)構(gòu)開(kāi)開(kāi)裂程度度和范圍圍的控制制層間彈塑性性位移角角不大于于1/1100，巨型型框架、斜斜撐、伸伸臂等主主要抗側(cè)側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)出現(xiàn)輕輕微損壞壞和輕微微裂縫，局局部區(qū)域域允許構(gòu)構(gòu)件內(nèi)鋼鋼筋屈服服；R.CC.核心筒筒允許開(kāi)開(kāi)裂，但但開(kāi)裂處處鋼筋不不屈服，按按材料強(qiáng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)值計(jì)算

8、算的R.CC.核心筒筒的受剪剪承載力力大于7度大震震的彈性性地震剪剪力；樓樓層梁端端可以出出現(xiàn)塑性性鉸，拉拉區(qū)鋼筋筋屈服但但未進(jìn)入入強(qiáng)化階階段，壓壓區(qū)混凝凝土應(yīng)變變小于極極限壓應(yīng)應(yīng)變；主主要抗側(cè)側(cè)力構(gòu)件件的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)未出現(xiàn)現(xiàn)明顯開(kāi)開(kāi)裂且應(yīng)應(yīng)力未達(dá)達(dá)到屈服服狀態(tài)。（3）8度度大震下下結(jié)構(gòu)不不發(fā)生倒倒塌主要抗側(cè)力力構(gòu)件開(kāi)開(kāi)裂嚴(yán)重重，壓區(qū)區(qū)和拉區(qū)區(qū)鋼筋基基本屈服服，有一一些已進(jìn)進(jìn)入強(qiáng)化化階段，壓壓區(qū)混凝凝土應(yīng)變變接近其其極限壓壓應(yīng)變；主要節(jié)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入入屈服狀狀態(tài)但不不脫落。地震烈度頻遇地震（小震）設(shè)防烈度地地震（中震）罕遇地震（大震）性能水平定定性描述述不損壞可修復(fù)損壞壞無(wú)倒塌結(jié)構(gòu)工作特特性彈性不屈服，允

9、允許少數(shù)數(shù)次要或或耗能構(gòu)構(gòu)件屈服服允許進(jìn)入塑塑性，控控制薄弱弱層位移移層間位移角角限值h/5000h/2000h/1000構(gòu)件性能核心筒墻按規(guī)范要求求設(shè)計(jì)，保保持彈性性壓彎驗(yàn)算按按中震不不屈服，剪剪力驗(yàn)算算按中震震彈性，整整體受剪剪保持彈彈性允許進(jìn)入塑塑性，控控制塑性性變形，底底部加強(qiáng)強(qiáng)區(qū)不進(jìn)進(jìn)入塑性性巨柱按規(guī)范要求求設(shè)計(jì)，保保持彈性性驗(yàn)算按中震震彈性，整整體受剪剪保持彈彈性允許進(jìn)入塑塑性，嚴(yán)嚴(yán)格控制制塑性變變形環(huán)形桁架按規(guī)范要求求設(shè)計(jì)，保保持彈性性驗(yàn)算按中震震彈性，整整體受剪剪保持彈彈性允許進(jìn)入塑塑性，嚴(yán)嚴(yán)格控制制塑性變變形連梁按規(guī)范要求求設(shè)計(jì)，保保持彈性性允許進(jìn)入塑塑性即截截面彎曲曲屈服，

10、吸吸收部分分地震能能量，但但不允許許剪切破破壞。（maxx=0.24的地震震作用下下，連梁梁不屈服服，max=0.332的地震震作用下下，連梁梁不發(fā)生生剪切破破壞)*允許進(jìn)入塑塑性，控控制塑性性變形，不不得脫落落，最大大塑性角角小于1/550結(jié)構(gòu)模型信信息4.1 結(jié)結(jié)構(gòu)總模模型信息息上海中心原原有設(shè)計(jì)計(jì)為地面面以上9個(gè)區(qū)塊塊，共計(jì)計(jì)126層。由于于結(jié)構(gòu)非非線性分分析耗費(fèi)費(fèi)大量的的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)間。因此對(duì)對(duì)將對(duì)主主體結(jié)構(gòu)構(gòu)進(jìn)行一一定的簡(jiǎn)簡(jiǎn)化，從從而完成成結(jié)構(gòu)的非線性性推覆以以及時(shí)程程分析。Perform3D模型中簡(jiǎn)化后保留的樓層如下：區(qū)段樓層中部樓層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層層MEPPZone 12, 3, 4,

11、56, 7, 8Zone 21420, 221, 22Zone 32935, 336, 37Zone 44450, 551, 52Zone 557，62266, 667, 68Zone 67582, 883, 84Zone 79299, 1100, 1001Zone 8109116, 1177, 1118Zone 9120, 1233, 1125bb, 1126水平面上假假定樓板板剛度無(wú)無(wú)窮大，并并且將荷荷載全部部導(dǎo)算至至節(jié)點(diǎn)處處。因此此建模過(guò)過(guò)程中不不考慮樓樓板以及及相應(yīng)的的次梁，僅僅對(duì)主要要構(gòu)件進(jìn)進(jìn)行建模模以及定定義。簡(jiǎn)簡(jiǎn)化后模模型擁有有40層，節(jié)點(diǎn)40554個(gè)，構(gòu)構(gòu)件種類(lèi)類(lèi)包括：非線性性

12、條帶混凝凝土梁構(gòu)構(gòu)件、非非線性條條帶混凝凝土柱構(gòu)構(gòu)件、非非線性已已有截面面型鋼構(gòu)構(gòu)件（梁梁、柱）、非非線性自自定義截截面型鋼鋼構(gòu)件（梁梁、柱）、非非線性條條帶剪力力墻構(gòu)件件等；材材料種類(lèi)類(lèi)包括：混凝土土(C355, CC50, C660, C700, CC80)，以及及鋼 Q3345。Perrforrm3DD 模型結(jié)結(jié)構(gòu)如圖圖1所示：H1H1H24.2 材材料信息息混凝土0.51.0根據(jù)混凝凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范條條文說(shuō)明明-附錄C.2所規(guī)定定的混凝凝土非線線性應(yīng)力力應(yīng)變關(guān)關(guān)系，如如圖1 所示，其其中曲線線的參數(shù)數(shù)值，即即峰值壓壓應(yīng)變 (c) 、上升升段和下下降段參參數(shù)(a、d) 、下降降段應(yīng)變

13、變 (u) 等都隨隨混凝土土的單軸軸抗壓強(qiáng)強(qiáng)度值(f*c、N/mmm2) 而變化化，計(jì)算算式如下0.51.0，本文中ff*c取混凝凝土抗壓壓強(qiáng)度的的標(biāo)準(zhǔn)值值。Perfoorm33D中對(duì)混混凝土的的本構(gòu)曲曲線采用用如下形形式：FFRFUDLDRDXK0F=stress D=strain取FR / FUU = 0.44, DDR= u, DDL= (1+5%)c, DXX=(11+100%)u, 由式1可得到到不同標(biāo)標(biāo)號(hào)混凝凝土的對(duì)對(duì)應(yīng)參數(shù)數(shù)：Ec / Mpaafcu/ MpaaDLDRDXC353.15ee423.40.00116088630.00440844940.0044493344C503

14、.45ee432.40.00117622990.00337166580.0044088824C603.6e4438.50.00118555590.0033627760.0033990036C703.7e4444.50.00119399750.00335899820.003394888C803.8e4450.20.00220144590.00335799020.0033936692鋼統(tǒng)一采用QQ3455鋼，E=2.11e8 kN/m2，fy=7.83 kN/m2，w=766.8 kN/m3，泊松比比=0.3。4.3 截截面信息息本文中采用用非線性性推覆及及時(shí)程分分析軟件件Perrforrm3DD

15、對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)進(jìn)行非非線性分分析，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件件均采用用非線性性單元：型鋼結(jié)結(jié)構(gòu)桿件件（梁、柱柱）均采采用相同同截面的的非線性性型鋼梁梁、柱單單元，材材料受力力過(guò)程中中不發(fā)生生屈曲；混凝土土梁?jiǎn)卧ㄟB梁梁）采用用分層纖纖維條帶帶模型，混混凝土超超級(jí)柱單單元?jiǎng)t采采用等效效鋼筋位位置和面面積的纖纖維模型型，混凝凝土剪力力墻采用用纖維條條帶模型型。具體體截面信信息如下下：鋼筋條數(shù)混凝土行混凝土列總條帶數(shù)配筋率連梁25173%混凝土墻31581%超級(jí)角柱1684484%超級(jí)柱1685566%，8%鋼筋條帶鋼筋條帶混凝土條帶等效鋼筋條帶混凝土條帶等效巨型柱的型型鋼的等等效原則則遵循：等效前前后鋼面面積相等等，

16、相對(duì)對(duì)于兩軸軸極慣性矩矩相等。結(jié)構(gòu)非線性性有限元元推覆分析析本文采用PPerfformm3D三維非非線性分分析程序序?qū)ι虾：Ｖ行慕Y(jié)結(jié)構(gòu)模型型進(jìn)行了了三維推推覆模擬擬。推覆覆力分布布于每一一簡(jiǎn)化后后的結(jié)構(gòu)構(gòu)層面，不不同層間間的推覆覆力大小小比例按照照結(jié)構(gòu)自自振模態(tài)態(tài)分配，該該比例在在推覆過(guò)過(guò)程中保保持不變變。結(jié)構(gòu)的模態(tài)態(tài)周期如如下：Mode 1Mode 2Mode 3Mode 4Mode 5Mode 6周期/s8.64118.35116.313.18442.97552.7599推覆取用第第一、第第二模態(tài)態(tài)作為荷荷載加載載依據(jù)，水水平推覆覆荷載將將按照模模態(tài)形狀狀分布。采取按照模態(tài)形狀加載的方法可

17、以更加有效地尋找沿結(jié)構(gòu)豎向的薄弱層，使得推覆荷載分布更加合理。推覆采用50步分布加載，單步相對(duì)位移取值為1/50的界限位移，界限位移取為7%，即單步相對(duì)位移取為0.14%。推覆過(guò)程中考慮結(jié)構(gòu)的P-效應(yīng)。結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移-底部剪力圖如下圖所示：結(jié)構(gòu)在H11方向的的推覆達(dá)達(dá)到結(jié)構(gòu)構(gòu)極限狀狀態(tài)的過(guò)過(guò)程中表表現(xiàn)出較較大的剛剛度和較較好的抗抗震性能能，結(jié)構(gòu)構(gòu)的整體體的變形形穩(wěn)定而而協(xié)調(diào)。然而在結(jié)構(gòu)超過(guò)其極限狀態(tài)后，結(jié)構(gòu)變形突然增大，下降段的位移增長(zhǎng)劇烈，反映在推覆的時(shí)程過(guò)程中表現(xiàn)為在有限次荷載增長(zhǎng)步內(nèi)出現(xiàn)巨大的結(jié)構(gòu)變形和位移。結(jié)構(gòu)在第五區(qū)與第六區(qū)交界處，第六區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較大的層間位移以及層間位移角，結(jié)構(gòu)最終也

18、是在第六區(qū)內(nèi)產(chǎn)生破壞。在該區(qū)域第五區(qū)的交界處，結(jié)構(gòu)的剛度突變較為明顯。整體變形出現(xiàn)不協(xié)調(diào)。結(jié)構(gòu)在H2方向的推覆表現(xiàn)出相似的結(jié)果，變形較大的薄弱層亦出現(xiàn)在第六區(qū)，只不過(guò)H2方向的推覆較H1方向更為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)時(shí)程描述中的突變，極限狀態(tài)以后變形的增長(zhǎng)也比較緩慢平穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的非線線性性能能評(píng)價(jià)：通過(guò)結(jié)構(gòu)的的非線性性推覆分分析，我我們可以以評(píng)定出出結(jié)構(gòu)的的整體抗抗震性能能，即推推測(cè)出結(jié)結(jié)構(gòu)能夠夠承受多多劇烈的的地震。根據(jù)Perform3D的推覆結(jié)果，我們可以通過(guò)繪制需求曲線（Demand Curve），通過(guò)換算不同推覆荷載步（周期）下的結(jié)構(gòu)基地剪力，以及繪制基于我國(guó)規(guī)范的影響系數(shù)譜，了解結(jié)構(gòu)在抵御不同

19、地震和在作用下的響應(yīng)情況。地震響應(yīng)譜選取的是220gal地震作用下基于FEMA356的地震響應(yīng)譜，以及我國(guó)大震作用下的地震影響系數(shù)譜。沿H1方向的推覆分析結(jié)果如下圖所示：基于我國(guó)抗抗震規(guī)范范規(guī)定，可可以看出出結(jié)構(gòu)H1方向，H2方向的的性能曲曲線與地地震影響響系數(shù)需需求曲線線相交于于12.4s、12.2s左右，說(shuō)說(shuō)明結(jié)構(gòu)構(gòu)具有在在大震作作用下抵抵抗地震震的能力力。而基于FEEMA3356規(guī)范的的性能反反應(yīng)譜曲曲線反應(yīng)應(yīng)出結(jié)構(gòu)構(gòu)能夠在在11.8s周周期內(nèi)穿穿越大振振作用下下的反應(yīng)應(yīng)譜曲線線，能夠夠滿足多多遇以及及罕遇地地震下的的結(jié)構(gòu)變變形要求求。針對(duì)結(jié)構(gòu)在在推覆和和在作用用下所顯顯現(xiàn)出來(lái)來(lái)的結(jié)構(gòu)構(gòu)

20、水平向向位移的的突變，可可能原子子結(jié)構(gòu)本本身沿豎豎向的剛剛度的突突變。結(jié)結(jié)構(gòu)的2類(lèi)巨型型柱SUPPER COLLUMNN 2截止于于第五區(qū)區(qū)頂層，自自第六區(qū)區(qū)向上巨巨型柱的的數(shù)量減減少為8根，并并且截面面面積逐逐層減小??；核心心筒剪力力墻的截截面厚度度也隨區(qū)區(qū)域高度度的增加加逐區(qū)減減少，使使得在第第五區(qū)與與第六區(qū)區(qū)的交界界處，結(jié)結(jié)構(gòu)剛度度發(fā)生明明顯變化化，有效效抗側(cè)力力體系急急劇減弱弱。并最最終導(dǎo)致致推覆荷荷載作用用下結(jié)構(gòu)構(gòu)在該區(qū)區(qū)域發(fā)生生破壞。結(jié)構(gòu)非線性性有限元元時(shí)程分析析時(shí)程分析所所選用的的地震波波，根據(jù)據(jù)規(guī)范關(guān)關(guān)于輸入入地震波波的選用用要求建筑抗震設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)程程（DGGJ088920003），建建筑抗震震設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范（GGB500011120001，20008 版版）場(chǎng)地類(lèi)別要要求：上上海地區(qū)區(qū)為IVV 類(lèi)場(chǎng)場(chǎng)地，設(shè)設(shè)計(jì)地震震分組為為第一組組。數(shù)量：不少