上海中心大廈塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)版

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彈塑性動力分析 144.7考慮施工過程的非荷載效應(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，位于臺風(fēng)影響區(qū)和7度抗震設(shè)防地區(qū)，建成后將成為中國第一高樓。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。最后對項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題進(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足公眾審美層面與專業(yè)審美層面的標(biāo)志性、地標(biāo)性建筑，成為商務(wù)活動中心，商務(wù)交流休憩中心和市民休閑娛樂中心。該項(xiàng)目用地面積30370平米，地上建筑面積38萬平米，地下建筑面積16萬平米，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)的國際化和專業(yè)化特征。方案及初步設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)總包為美國GENSLER事務(wù)所，設(shè)計(jì)咨詢及施工圖階段設(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)專業(yè)及機(jī)電專業(yè)的設(shè)計(jì)顧問分別為美國的THORNTONTOMASETTI和CONSENTINI公司。此外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還包括各專項(xiàng)設(shè)計(jì)咨詢公司如美國SWA（景觀設(shè)計(jì)），加拿大RWDI（風(fēng)工程咨詢），香港利比工料測量師事務(wù)所（工料測量）和美國高緯環(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)樁長為56m，擴(kuò)展區(qū)樁長為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，邊長約200m。本工程設(shè)5層地下室，裙房區(qū)域開挖深度約26.3m，塔樓區(qū)域開挖深度約31.1m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，圍護(hù)總周長約768m。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。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)巨柱對加強(qiáng)層作用有向上的集中力。這兩個(gè)力形成一對力偶，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.1~4區(qū)核心心筒建筑平面面b.5~7區(qū)核核心筒建筑平平面圖3核心筒平面布置圖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圖4。`a.塔冠建筑剖剖面b.塔冠結(jié)構(gòu)三三維等軸視圖圖圖4塔冠剖面及結(jié)構(gòu)體體系3主要分析結(jié)果3.1結(jié)構(gòu)動力特性結(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，Y向一階平動和一階扭轉(zhuǎn)振動。振型見圖5。由于第一階周期約9s左右，周期較長，在反應(yīng)譜和時(shí)程分析中充分考慮了長周期效應(yīng)的影響。a.第一模態(tài)TT1=9.004Sb.第二模態(tài)TT2=8.990Sc.第三模態(tài)TT3=5.556S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：多遇地震作用采用場地超越概率10%并取折減系數(shù)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；基本地震作用采用規(guī)范50年10%超越概率的地震動反應(yīng)譜；罕遇地震作用采用規(guī)范50年2%超越概率的地震動反應(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圖7。a多遇地震b基本地震圖7地震作用下層間位位移角3.3風(fēng)荷載分析結(jié)果對強(qiáng)度驗(yàn)算、剛度驗(yàn)算和舒適度驗(yàn)算分別取100年一遇、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，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)果見圖8。圖8風(fēng)荷載下層間位移角4關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題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50％47％76％核心筒50％53％24％巨柱混凝土材料采用C70～C50，內(nèi)埋鋼骨材料為Q345GJ～Q390GJ?？拐鸬燃壨ǜ卟捎锰匾患??？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1～6區(qū)采用“王”字型，7～8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。7～8區(qū)的巨柱尺寸減小，即使將腹板拉開到兩側(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。a1~6區(qū)巨柱截面b7~8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，1～2區(qū)為小偏壓，3區(qū)為大偏壓，4區(qū)為大偏拉，5～8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，但仍滿足要求?？梢姡竟こ叹拗跐M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巨柱中震組合合下承載力復(fù)復(fù)核結(jié)果b巨柱大震組合合下承載力復(fù)復(fù)核結(jié)果c巨柱中震組合合下承載力復(fù)復(fù)核結(jié)果d巨柱大震組合合下承載力復(fù)復(fù)核結(jié)果圖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)度等級核心筒抗震等級翼墻抗震等級地上三~九區(qū)--C60特一級--地上二區(qū)是C60特一級--地下一層是C60特一級一級地下二層是C60特一級一級地下三層是C60一級二級地下四層是C60二級三級地下五層是C60三級四級參考相關(guān)文獻(xiàn)（孫建超，徐培福等，2008）和規(guī)范（AISC2005，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。對于組合鋼板剪力墻，按照鋼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)限值抗震等級特一級、一級（99度）一級（7、8度）二級無端柱剪力墻0.400.500.60核心筒底部部分剪力墻如軸壓比不滿足限值或承載力不滿足規(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足施工要求的最最小鋼板厚度度t≤1000mm15mm1000mm≤tt≤1500mmm20mm1500mm≤tt≤2000mmm建議采用雙層鋼板板，每層鋼板板厚度不小于于15mm，鋼鋼板間距大于于800mmm，以滿足施施工間距要求求。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。除滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外，擬采用專門的抗震性能目標(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)構(gòu)動力特性與彈性狀態(tài)的動力特性基本一致，超級柱，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)值對超級柱、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（鋼材）應(yīng)力不超過屈強(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)力可以超過屈服強(qiáng)度，但不能超過極限強(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)件的超級柱和核心筒的極限抗剪承載力。在抗震設(shè)計(jì)過程中，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)計(jì)的可靠性及準(zhǔn)確性，有必要對塔樓進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以確定風(fēng)荷載。RWDI風(fēng)洞試驗(yàn)顧問公司對本工程結(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。對建筑形態(tài)進(jìn)行空氣動力學(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，通過詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)考察一般風(fēng)洞試驗(yàn)中可能包含的不確定因素和過于保守的部分，以此進(jìn)一步提高對風(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)振動的有效手段之一。調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TunedMassDamper,簡稱TMD）是最常用的被動控制裝置。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。利用共振原理對主體結(jié)構(gòu)某些振型（通常是第一或第二振型）的動力響應(yīng)加以控制。對于TMD控制裝置而言，一般來說安裝于結(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)能吸收更多的振動能量，從而大大減輕主體結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。因此，為了取得較好的控制效果，有必要對TMD系統(tǒng)的動力參數(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化。4.6彈塑性動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梁單元進(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梁單元模擬，同時(shí)將該梁單元與殼單元進(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)的剛度恢復(fù)?；炷凉羌芮€關(guān)系采用Stephen簡化模型，鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙線性動力硬化模型，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)過程中剛度無退化。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壓縮變形影響和相對壓縮變形影響。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)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型、水灰比、水泥含量、骨料水泥比、水含量等因素對收縮徐變的影響。因此，通過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56%，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。考慮伸臂在第1200天時(shí)合攏，引起伸臂附加內(nèi)力的樓層施工后巨柱及核心筒差異變形在施工開始后10年達(dá)到約3mm（第一道伸臂）~52mm（第六道伸臂）。a樓板施工后核核心筒累積豎豎向變形（110年后）b樓板施工后巨巨柱C1累積豎向向變形（100年后）圖18核心筒及巨柱累積積豎向變形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的大面積倒塌的連鎖反應(yīng)。由于結(jié)構(gòu)倒塌破壞將會引起災(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（如主要承重柱及核心筒）遭到破壞引起的，因此，采用LS-DYNA軟件對爆炸荷載作用進(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，混凝土無破壞，因而不會發(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，在分析過程中，選取單肢墻長度相對較小的墻肢（位于軸線F.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圖20。a整體模型圖b箍筋及水平分布筋筋模型圖圖20剪力墻模型示意圖圖分析表明，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，此剪力墻不會因爆炸荷載失去承載能力而破壞。對次結(jié)構(gòu)進(jìn)行了連續(xù)倒塌分析，考慮第9層Z1軸與SS