上海中心大廈鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上海中心大廈鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1項(xiàng)目總結(jié)1.1標(biāo)準(zhǔn)層和設(shè)備層上海中心大廈工程位于上海浦東銀城中路501號，陸家嘴金融中心z3-1號和z3-2號。與金茂大廈、上海環(huán)球金融中心組成“品”字形關(guān)系的建筑群,建筑效果如圖1所示。該建筑為多功能摩天大樓,主要用途為辦公、酒店、商業(yè)、觀光等公共設(shè)施。塔樓地上124層,建筑高度632m,沿豎向共分為8個(gè)區(qū)段和1個(gè)觀光層,在每個(gè)區(qū)段的頂部均布置有設(shè)備層和避難層,裙房地上7層,建筑高度為38m,地下室5層,整個(gè)建筑地上總面積約38萬平方米,地下總面積約14萬平方米。該工程豎向建筑功能布置如圖2所示。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)樓層呈圓形,圓心沿高度方向?qū)R,半徑逐漸收縮;在設(shè)備層處為三角形平面,一方面提供機(jī)電設(shè)備和避難空間,另一方面在設(shè)備層頂面布置休閑層,從而在每個(gè)區(qū)段內(nèi)均有一高度約80m的中庭。標(biāo)準(zhǔn)層和設(shè)備層平面見圖3所示。結(jié)構(gòu)立面共有兩層玻璃幕墻,內(nèi)層玻璃幕墻沿標(biāo)準(zhǔn)層樓板外圍布置呈圓形;外層幕墻平面投影近似為尖角削圓的等邊三角形,三角形幕墻從建筑底部扭轉(zhuǎn)直到頂部,每層扭轉(zhuǎn)約1°左右,總扭轉(zhuǎn)角約120°。1.2結(jié)構(gòu)體系及布置上海中心大廈結(jié)構(gòu)采用了“巨型框架-核心筒-伸臂桁架”抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。圖4為該結(jié)構(gòu)體系組成,其特點(diǎn)如下:(1)巨型框架結(jié)構(gòu)由8根巨型柱、4根角柱以及8道位于設(shè)備層兩個(gè)樓層高的箱形空間環(huán)帶桁架組成,巨型柱和角柱均采用鋼骨混凝土柱,截面規(guī)格見表1。巨型柱與角柱平面布置如圖3所示。(2)核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),截面平面形式根據(jù)建筑功能布局由低區(qū)的方形逐漸過渡到高區(qū)的十字形,墻體截面規(guī)格見表1,為減小底部墻體的軸壓比,增加墻體的受剪承載力以及延性,在地下室以及1～2區(qū)核心筒翼墻和腹墻中設(shè)置鋼板,形成了鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu),墻體中含鋼率為1.5%～4.0%。(3)在初步設(shè)計(jì)階段,從結(jié)構(gòu)整體受力、變形、用鋼量以及施工過程等因素綜合考慮,研究設(shè)置5道、6道和8道伸臂桁架等不同方案對結(jié)構(gòu)的影響,最終確定了沿結(jié)構(gòu)豎向共布置6道伸臂桁架,分別位于2區(qū)、4區(qū)、5～8區(qū)的加強(qiáng)層,結(jié)構(gòu)剖面圖見圖5所示。伸臂桁架在加強(qiáng)層處貫穿核心筒的腹墻,并與兩側(cè)的巨型柱相連接,增加了巨型框架在總體抗傾覆力矩中所占的比例。(4)豎向荷載的傳遞,通過每道加強(qiáng)層處的環(huán)帶桁架將周邊次框架柱的重力荷載傳至巨型柱和角柱,從而減小了巨型柱由于水平荷載產(chǎn)生的上拔力。另外,在每個(gè)加強(qiáng)層的上部設(shè)備層內(nèi),設(shè)置了多道沿輻射狀布置的徑向桁架,徑向桁架不僅承擔(dān)了設(shè)備層內(nèi)機(jī)電設(shè)備以及每區(qū)休閑層的豎向荷載,而且承擔(dān)了外部懸挑端通過拉索懸掛起下部每個(gè)區(qū)的外部玻璃幕墻的荷載,并將荷載傳至環(huán)帶桁架、巨型柱以及核心筒。2主要分析的結(jié)果2.1重要構(gòu)件方面,應(yīng)建立以下構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度為7度,抗震設(shè)防類別為乙類,結(jié)構(gòu)分為重要構(gòu)件和次要構(gòu)件,其中重要構(gòu)件包括核心筒、巨型柱、伸臂桁架、環(huán)帶桁架以及徑向桁架,該類構(gòu)件安全等級為一級,重要性系數(shù)1.1;次要構(gòu)件為除重要構(gòu)件外的其他構(gòu)件,該類構(gòu)件安全等級為二級,重要性系數(shù)1.0。2.2鋼骨柱結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)整體分析采用ETABS和MIDAS程序分別進(jìn)行計(jì)算。單元選擇中,考慮到巨型柱截面巨大,且鋼骨形狀獨(dú)特,故采用了殼單元與梁單元組合的方式,其中,殼單元用于模擬混凝土部分,梁單元用于模擬鋼骨;核心筒采用殼單元模擬;其他單元均采用梁單元模擬。分析中考慮了P-Δ效應(yīng),為提高計(jì)算效率,對結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層樓板布置進(jìn)行了適當(dāng)簡化,著重關(guān)注加強(qiáng)層樓板的布置。表2給出了結(jié)構(gòu)前3階自振周期。從結(jié)構(gòu)自振特性看出,結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的平動振型接近,說明兩個(gè)方向剛度布置對稱,扭轉(zhuǎn)振型的周期與平動振型的周期之比小于0.8,表明結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度較好。2.3核心筒內(nèi)部豎向反力結(jié)構(gòu)自重(包括地下1層以及地上部分)在巨型框架與核心筒中的分配情況見表3。上海中心大廈工程結(jié)構(gòu)自重達(dá)到了74.8萬噸,每平米重量達(dá)到1.9t,自重較大。從自重分配情況看,巨型框架承擔(dān)了結(jié)構(gòu)54%的自重荷載,超過了核心筒部分承擔(dān)的荷載。圖6給出了結(jié)構(gòu)豎向荷載在巨型框架與核心筒之間的分配情況。在結(jié)構(gòu)各標(biāo)準(zhǔn)層,巨型框架與核心筒中的豎向反力均勻增加,該部分反力增量主要為巨型柱與核心筒自重以及部分樓面荷載,但在加強(qiáng)層處,巨型框架的豎向反力增幅顯著,這主要體現(xiàn)在各加強(qiáng)層處,上部一區(qū)次框架豎向反力通過環(huán)帶桁架傳至巨型柱。因此,環(huán)帶桁架在豎向荷載傳遞中相當(dāng)于轉(zhuǎn)換梁的作用。另外,從圖中可見,核心筒在伸臂桁架所在加強(qiáng)層處的豎向反力有所減小,產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是在彈性分析中,未考慮伸臂桁架在施工過程中滯后連接,且由于核心筒與外圍巨型框架的豎向彈性壓縮量不同,核心筒壓縮量大,巨型框架壓縮量小,部分豎向反力通過伸臂桁架由核心筒傳至巨型框架上所致。2.4風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載根據(jù)加拿大RWDI工程顧問公司對上海中心大廈結(jié)構(gòu)進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜參數(shù)選取原則為:小震反應(yīng)譜采用上海規(guī)程譜與安評報(bào)告建議50年超越概率10%反應(yīng)譜并考慮調(diào)幅系數(shù)0.35后的包絡(luò)譜,中震、大震反應(yīng)譜采用上海規(guī)程反應(yīng)譜。圖7、8分別為風(fēng)荷載和多遇地震作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力和樓層傾覆力矩分布比較。從反應(yīng)分布可以看出,設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)承擔(dān)的側(cè)向力明顯大于風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)承擔(dān)的側(cè)向力,結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件按中震彈性設(shè)計(jì)。圖9水平荷載作用下結(jié)構(gòu)層間位移角分布,通過風(fēng)荷載與多遇地震水平作用下結(jié)構(gòu)層間位移角比較,可以發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形由風(fēng)荷載控制;另外,合成風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)層間位移角明顯大于單向風(fēng)荷載作用下的結(jié)果,結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/505,出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的94層;同時(shí),從兩個(gè)方向風(fēng)荷載作用下層間位移角比較來看,Y向最大層間位移角出現(xiàn)在頂層(124層),這是因結(jié)構(gòu)以彎曲變形為主,而層間位移角計(jì)算中包含彎曲變形成分,但X向最大層間位移角出現(xiàn)在94層,其數(shù)值明顯大于相同位置處的Y向?qū)娱g位移角。其原因是核心筒腹墻在結(jié)構(gòu)第7區(qū)沿X向開洞較多所致,見圖10所示。3結(jié)構(gòu)分析的一些重要問題3.1制定合理的活荷載折減系數(shù)上海中心大廈豎向荷載包括恒荷載和活荷載兩部分,其中活荷載分為可折減活荷載和不可折減活荷載。一方面,考慮到活載滿布的可能性較小,在進(jìn)行墻、柱、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)荷載規(guī)范對該類活荷載進(jìn)行折減;另一方面,考慮到設(shè)備在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的布置情況,對設(shè)備層及普通層的機(jī)電設(shè)備類活荷載不予以折減。對于高層建筑,由于樓層數(shù)較多,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)或指標(biāo)分析時(shí),考慮樓面上的活荷載不可能以標(biāo)準(zhǔn)值同時(shí)滿布所有樓層的工況,對活荷載進(jìn)行適當(dāng)折減。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2103的規(guī)定,在進(jìn)行柱、墻和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)采用的對住宅、辦公樓等房屋樓層折減系數(shù)λ為:λ=0.3+0.6/n√(1)λ=0.3+0.6/n(1)其中,n為樓層數(shù)。對公共建筑,樓層折減系數(shù)λ為:λ=0.5+0.6/n√(2)λ=0.5+0.6/n(2)GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(2006年版)對上述公式進(jìn)行了簡化,統(tǒng)一采用式(3)確定。λ=0.4+0.6/n√(3)λ=0.4+0.6/n(3)考慮上海中心大廈樓層數(shù)為124層,對應(yīng)的折減系數(shù)λ為0.46。典型區(qū)域樓面活荷載取值見表4。3.2結(jié)構(gòu)基本粒子與風(fēng)致響應(yīng)上海中心大廈高度632m、高寬比達(dá)到7,結(jié)構(gòu)自振周期大于9s,風(fēng)荷載的取值將決定該工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為了保證抗風(fēng)設(shè)計(jì)的可靠性及準(zhǔn)確性,加拿大RWDI顧問公司對上海中心大廈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)致響應(yīng)試驗(yàn)研究以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載,有關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的可靠性論證由加拿大西安大略(UWO)進(jìn)行審核。上海中心大廈結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)研究主要有下列三個(gè)部分組成:(1)風(fēng)氣候分析。確定設(shè)計(jì)風(fēng)速與風(fēng)向分布,并據(jù)此分析風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)以求出不同重現(xiàn)期下的風(fēng)致響應(yīng)。(2)空氣動力學(xué)優(yōu)化研究。通過修改結(jié)構(gòu)外形使風(fēng)致響應(yīng)達(dá)到最小。(3)風(fēng)洞試驗(yàn)研究。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)致響應(yīng)預(yù)計(jì)的精確度。研究結(jié)果表明:RWDI所采用的風(fēng)氣候模型合理。通過修改結(jié)構(gòu)外形,與最初的設(shè)計(jì)相比,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載降低約25%,與傳統(tǒng)的方形截面結(jié)構(gòu)相比,設(shè)計(jì)風(fēng)荷載僅為方形截面結(jié)構(gòu)的60%。表5為采用GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(以下簡稱荷載規(guī)范)方法計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力和傾覆力矩與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的比較。從表中可見,荷載規(guī)范結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果在順風(fēng)向相差很小,而在橫風(fēng)向相差較大,引起誤差的原因主要由兩個(gè):一是荷載規(guī)范中參數(shù)取值的假設(shè)引起的誤差,如體型系數(shù)、橫風(fēng)向動力荷載計(jì)算公式以及斯托羅哈數(shù)等;二是風(fēng)洞試驗(yàn)中考慮順風(fēng)向響應(yīng)與橫風(fēng)向響應(yīng)之間的相關(guān)性,而荷載規(guī)范建議順風(fēng)向響應(yīng)與橫風(fēng)向響應(yīng)按矢量和進(jìn)行組合,由此造成風(fēng)洞試驗(yàn)得到的風(fēng)荷載合力比規(guī)范計(jì)算值進(jìn)一步降低。3.3地震工程的研究3.3.1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)受剪強(qiáng)度上海中心大廈采用了重點(diǎn)設(shè)防類別(乙類)的抗震性能目標(biāo),即在多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震作用下的抗震性能水準(zhǔn)分別為完全可使用、基本可使用和生命安全。在多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)完好,處于彈性狀態(tài)。在設(shè)防地震作用下,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,巨型柱、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)處于彈性狀態(tài),框架梁、連梁等次要構(gòu)件輕微開裂。部分減振耗能元件進(jìn)入屈服。在罕遇地震作用下,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)件巨型柱、鋼骨混凝土角柱和核心筒墻體不發(fā)生剪切破壞。與抗震性能目標(biāo)相對應(yīng),確定不同設(shè)防地震水平下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。在多遇地震作用下,控制最大層間位移角不大于1/500,底層層間位移角不大于1/2000。在設(shè)防地震作用下,控制最大層間位移角不大于1/250,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)值對巨型柱、鋼骨混凝土角柱、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)件中的鋼筋或鋼材應(yīng)力不超過屈服強(qiáng)度的85%。罕遇地震作用下,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)中鋼筋或鋼材應(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)算按受剪截面控制條件(Vk<0.15fckbh0),驗(yàn)算巨型柱和核心筒的極限受剪承載力。不同構(gòu)件類型對應(yīng)的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)見表6。3.3.2地震反應(yīng)譜的識別根據(jù)GB18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》,上海市的抗震設(shè)防烈度為7度。用于超高層建筑抗震設(shè)計(jì)和分析的地震作用通常采用為兩種方式,即設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和地震動時(shí)程。上海中心大廈多遇地震反應(yīng)譜取上海抗震規(guī)程反應(yīng)譜和安評建議反應(yīng)譜的包絡(luò)譜,設(shè)防地震和罕遇地震反應(yīng)譜均取上?？拐鹨?guī)程反應(yīng)譜?？拐鸱治鰰r(shí)多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震采用的阻尼比分別為4.0%、4.0%和5.0%,對應(yīng)的周期折減系數(shù)分別為0.90、0.95和1.00,相關(guān)的反應(yīng)譜圖形見圖11～12。3.3.3結(jié)構(gòu)體系抗震可靠度分析方法上海中心大廈結(jié)構(gòu)是巨型框架-核心筒-伸臂橫加組合的超高層建筑,結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、環(huán)境荷載多樣。配合結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)及超限和抗震審查,有必要對該大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的抗震可靠性深入研究。采用概率密度演化方法,結(jié)合隨機(jī)地震動的正交展開,進(jìn)行多遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震可靠度分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震可靠度分析原理和工程的實(shí)際情況,基本分析步驟是:(1)根據(jù)前述隨機(jī)地震動模型,確定代表點(diǎn)和賦得概率,生成7度多遇及基本烈度地震作用下符合場地條件的代表性地震動加速度時(shí)程。(2)以每一條具有代表性的地震動加速度時(shí)程作為地震動輸入,進(jìn)行確定性地震反應(yīng)分析。(3)求解廣義概率密度演化方程,獲得各層間位移的概率密度函數(shù)及其演化過程,同時(shí)獲得各層間位移反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差過程。(4)基于極值分布和等價(jià)極值事件原理,獲得以各層層間位移角限值為準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)地震動力可靠度和以任意層層間位移角均不超出限值為準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)體系抗震可靠度。分析結(jié)果表明:在7度多遇和基本烈度地震作用下,結(jié)構(gòu)整體可靠度分別為0.99987和0.99957,結(jié)構(gòu)各層可靠度均接近1。3.4型鋼柱結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)巨型柱是上海中心大廈結(jié)構(gòu)體系中的重要組成部分,其自身受力狀態(tài)關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向荷載和水平荷載的傳遞以及結(jié)構(gòu)剛度控制,因此設(shè)計(jì)中對巨型柱截面選型、承載能力、延性作了詳細(xì)分析與研究。3.4.1格構(gòu)式方案施工省場分析上海中心大廈巨型柱采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu),針對鋼骨布置,分別比較了格構(gòu)式(圖13a)和實(shí)腹式(圖13b)兩種結(jié)構(gòu)形式:(1)從受力角度,格構(gòu)式與實(shí)腹式鋼骨布置方案均能較好地抵抗軸向力作用,但考慮巨型柱作為巨型框架的一部分,需承擔(dān)較大的剪力和彎矩作用,因此,選擇實(shí)腹式鋼骨布置更有利于抵抗水平荷載。(2)從施工角度,格構(gòu)式方案由于鋼骨和綴條數(shù)量巨大,導(dǎo)致現(xiàn)場施工定位復(fù)雜,現(xiàn)場焊接工作量巨大,施工周期增加,施工質(zhì)量不易保證;實(shí)腹式方案形成整體后的“王”字形鋼骨可以在工廠中直接焊接完成,工地現(xiàn)場僅需要拼接焊,焊接工作量減小,施工質(zhì)量高。(3)從節(jié)點(diǎn)域整體性分析,格構(gòu)式方案中,在加強(qiáng)層節(jié)點(diǎn)區(qū),伸臂桁架僅能通過連接板和綴板與中間3個(gè)鋼骨直接連接,而兩側(cè)6個(gè)鋼骨無法直接參與受力,因此,巨型柱在與伸臂桁架節(jié)點(diǎn)連接區(qū)實(shí)際上不能全截面參與工作;實(shí)腹式方案中,伸臂桁架與環(huán)帶桁架均直接與“王”字形型鋼相連,傳力直接,從而使整個(gè)巨型柱截面均能參與受力。基于以上分析,上海中心巨型柱最終采用了“王”字形實(shí)腹式SRC組合柱,在結(jié)構(gòu)7～8區(qū),考慮到巨型柱尺寸較小,對鋼骨形式進(jìn)行了簡化,形成了“日”字形實(shí)腹式SRC組合柱,見圖13c。3.4.2屈服面與荷載的關(guān)系采用纖維單元法對巨型柱進(jìn)行了承載力分析,巨型柱纖維單元模型如圖14a所示。將巨型柱的空間屈服面與其所承受的荷載繪制在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行比較。當(dāng)巨型柱承受的荷載對應(yīng)的空間點(diǎn)落在空間屈服曲面內(nèi)時(shí),則可以判定該巨型柱滿足承載力要求。圖14b為結(jié)構(gòu)1區(qū)巨型柱在多遇地震、設(shè)防地震組合下的承載力相關(guān)曲線,根據(jù)以上判定原則,可知巨型柱的承載力能夠滿足中震彈性的要求。3.4.3鋼骨混凝土壓應(yīng)力上海中心大廈巨型柱的延性對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能至關(guān)重要。選擇多遇地震組合下軸壓比最大的巨型柱,采用ABAQUS實(shí)體單元進(jìn)行了有限元分析,軸向力為多遇地震組合下的內(nèi)力并保持不變,得到了巨型柱沿強(qiáng)軸的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線,見圖15所示,巨型柱的延性系數(shù)達(dá)到2.81。極限狀態(tài)時(shí),鋼骨周邊混凝土由于箍筋進(jìn)入屈服,不能提供更多的約束作用,混凝土壓應(yīng)力降低明顯,表明周邊混凝土已經(jīng)處于壓碎狀態(tài),而鋼骨內(nèi)部混凝土三向約束效果明顯,壓應(yīng)力較高;鋼骨、縱筋塑性發(fā)展較充分,巨型柱具有較好的耗能能力。3.5結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)及優(yōu)化效果在保證結(jié)構(gòu)安全、變形合理的前提下,采用以下措施對結(jié)構(gòu)用鋼量進(jìn)行優(yōu)化:(1)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)周期,但結(jié)構(gòu)核心筒剪切位移角不超過1/2000。(2)巨型柱含鋼率考慮不同樓層受力情況的差異,在結(jié)構(gòu)1區(qū)和加強(qiáng)層及其上下一層巨型柱含鋼率取5%,標(biāo)準(zhǔn)層取4%。(3)結(jié)合結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度,減小伸臂桁架用鋼量。(4)在保證設(shè)計(jì)合理、安全的前提下,通過一系列有效措施(主要包括:組合鋼板剪力墻最小鋼板厚度調(diào)整、翼墻抗震等級調(diào)節(jié)、鋼筋及鋼板受剪承載力比例調(diào)整、翼墻剛度折減),核心筒鋼板用量得到有效降低。(5)筏板分析合理考慮上部結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn),降低底板彎矩最大值,同時(shí),筏板配筋分區(qū)由優(yōu)化前3個(gè)區(qū)細(xì)化為6個(gè)區(qū),從而降低鋼筋用鋼量。上海中心大廈結(jié)構(gòu)鋼板和鋼筋優(yōu)化前、后用鋼量見表7,結(jié)構(gòu)各組成部分鋼板和鋼筋用量見圖16所示。從鋼板用鋼量分布可見,巨型柱用鋼量占到了結(jié)構(gòu)總鋼板用鋼量的41%,遠(yuǎn)超過其他組成部分。這主要是由于:一方面在上海中心結(jié)構(gòu)體系中巨型柱的軸向剛度與結(jié)構(gòu)的抗彎剛度密切相關(guān);另一方面由于上海中心大廈總高度及高寬比均較大,結(jié)構(gòu)以剛度控制為主,對巨型柱的軸向剛度提出了較高的要求。而巨型柱含鋼率對巨型柱的軸向剛度和延性影響明顯,為了滿足抗側(cè)的要求,導(dǎo)致巨型柱部分用鋼量較大。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋼板、鋼筋用鋼量見表7。通過以上措施,可節(jié)約鋼材約12000t,經(jīng)濟(jì)效益明顯。3.6振型周期驗(yàn)證結(jié)合上海中心大廈抗震超限審查專家的意見以及抗震性能化目標(biāo)的要求,采用彈塑性時(shí)程分析方法,對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。分別采用了ABAQUS、ANSYS、PERFORM-3D進(jìn)行建模分析,圖17為ABAQUS彈塑性分析模型。表8為三種軟件分析結(jié)構(gòu)自振周期與ETABS結(jié)果的比較,可以看出,除了第3階扭轉(zhuǎn)振型周期有較小差別外,三種軟件的分析結(jié)果與ETABS軟件吻合,從而驗(yàn)證了彈塑性模型的準(zhǔn)確性。選擇了7組(包含三方向分量)地震記錄,采用主、次方向輸入(即X、Y方向依次作為主、次方向)三方向輸入峰值加速度比為1∶0.85∶0.65(主方向:次方向:豎向),根據(jù)上?？拐鹨?guī)程,主方向波峰值加速度取為200gal。分析表明,罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)沿X向最大層間位移角為1/116,出現(xiàn)在92層,沿Y向最大層間位移角為1/150,出現(xiàn)在106層,均小于抗震性能化目標(biāo)中1/100的要求。分析結(jié)果表明:①核心筒連梁大部分出現(xiàn)了塑性鉸,符合屈服耗能機(jī)制;②核心筒墻體塑性損傷主要集中于伸臂桁架與筒體連接的角部以及核心筒墻體變截面處,低區(qū)鋼板組合剪力墻中鋼板未出現(xiàn)塑性變形。另外,結(jié)構(gòu)高區(qū)核心筒墻體損傷程度明顯高于低區(qū),說明高階振型的影響顯著;③伸臂桁架在第4、5區(qū)進(jìn)入塑性,塑性應(yīng)變較小,不會發(fā)生破壞;④環(huán)帶桁架基本保持彈性;⑤巨型柱內(nèi)鋼骨未出