上海中心抗震设计研究

1、上海中心结构抗震设计研究1.工程介绍坐落于浦东陆家嘴商 业中心区的上海中心大厦是一幢综合性超高层建筑，其功能区域包括办公、商业、酒店、观光娱乐、会议中心和交易六大功能区域，具体分为大众商业娱乐区域，低、中高档办公 区域，企业会馆区域，精品酒店区域，顶部功能体验空间等。地上可容许建筑面积（FAR）大约为380, 000平米。其中包括地上 120层办公楼层（塔尖高度为 632米，结构高度574.6米），还包括一个5层的商业裙楼用作奢侈品 零售，办公和酒店大 堂，饭店，会议和宴 会等。此外，5层地下部分设计用作 零售、泊车、保养和机电功能。上海中心采用中心混凝土剪力墙筒体结构，通过8个加强层，与巨型

2、型钢混凝土超级柱相连接，并同时将 整个建筑沿高度方向分为了9个区段。（Zonel to Zone 9）通过筒体结构与巨型柱的共同作 用，承受竖向荷载、水平侧向力以及地震荷载。加强层由空间的外伸巨型柱加强层筒体结构Zone 9Zone 8Zone 7Zone 6Zone 5Zone 4Zone 3Zone 2Zone 1Basement臂桁架、带状桁架、 以及空间杆件体系和楼板组成，带状桁架 将外围的八根（上部区域四根）巨型柱圈成一体，外伸臂桁架则将巨型柱与核心筒联系在一起，传递水平以及竖向荷载。上海中心结构体系复杂：（ 1 ） 结构高度及高宽比都 超过高层建筑混凝土结构技术规程（ JGJ3-2

3、002） 的 规定限值；（ 2 ）结构类型为混合结构。中心为核心筒体，与外部四个巨型柱以及四个巨型角柱构成结构主体；通过外伸臂将核心筒与巨型柱联系在一起；通过带状桁架将巨型柱围成整体； 带状桁架采用钢桁架；巨型柱采用型钢混凝土。（ 3 ）沿结构高度方向按每一个加强层设置一道外伸臂桁架。伸臂桁架采用两层高的钢桁架。（ 4 ）沿结构高度方向按每一个加强层设置一套带状桁架，把外围柱子的荷载传递给巨型柱。（ 5 ）建筑物采用了多重抗侧力体系。鉴于此为了确保该建 筑结构的抗震安全性和可靠性，除进行常规的计算分析、有效的设计手段和构造措施外，应当对该结构进行基于性态的抗震设计研究，通过非线性有限元手段，

4、更深入、直观、全面地研究该结构的抗震性能。2 抗 震 设 防标 准中国国家标准建筑抗震设计规范（ GB50011-2001 ） 采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目 标，其对应于“小震、中震、大震”三个地震水准的发生概率， 50 年超越概率分别为63%、10%和23%。本工程所处地区中国 上海市的抗震设防烈度为 7 度。根据中国 国家标准建筑抗震设防分类标准（GB50223）,该建筑物的重要性等级为 乙类，即在地震时其使用功能不能中断或需尽快恢复的建 筑。因此该建筑物的地震作用按7 度考虑 ，抗震构造措施按8 度考虑。 7 度小震、中震、大震和 8 度大震所对应的 地震地面加速度分别为

5、35gal、 100gal、 220gal、 400gal。上海属于软土地基，场地类别为IV类，对应的场地特征周期为0.9S。鉴于该工程的重要性和复杂性，除满足现行设计标准外，特制 定其抗震性能水准如下： 1） 7度小震和中震作用下，结构基本处于弹性状态 ，结构完好无损伤； 2） 2） 7 度大震作用下，结构构件允许开裂，但开裂程度控制在可修复的范围内 ，开裂部位在可控制的范围 内，主要抗侧力体系（巨型框架，巨型斜 撑）在按标准强度计算时不 屈服。 （ 3）在8 度大震作用下， 结构可能出现严重的破坏，但不能倒塌。借助非线性有限元分析软件 Perform-3D 对建筑的主体结构进行推覆分析、地

6、震作用下的时程分析，从而实 现对结构抗震性能的分析。3 .结构性能目标（1） 7度小震和中震 下的结构弹性状态层间位移角不大于 1/500,理论分析和模型试验中结构不出现裂缝，钢筋应力不超过屈 服强度，混凝土压应 力不超过抗压强度的1/3,在地震作用后结构变形基本恢复，节点处在 弹性状态，地震作用后的结构动力特性与弹性状态的动力特性基本一致。（2） 7度大震下结构 开裂程度和范围的控制层间弹塑性位移角不 大于1/100,巨型框架、斜撑、伸臂等主要抗侧力结构出现轻微损坏和轻微裂缝，局部服，按材料强度标准层梁端可以出现塑性变；主要抗侧力构件区域允许构件内钢筋屈服；R.C.核心筒允许开裂，但开裂处钢

7、筋不屈7度大震的弹性地震剪力；楼区混凝土应变小于极限压应状态。值计算的R.C.核心筒的受剪承载力大于 饺，拉区钢筋屈服但未进入强化阶段，压 的节点未出现明显开裂且应力未达到屈服（3） 8度大震下结构 不发生倒塌主要抗侧力构件开裂 严重，压区和拉区钢筋基本屈服，有一些已进入强化阶段，压区混凝土应变接近其极限压应变；主要节点进入屈服状态但不脱落。地震烈度频遇地震 （小震）设防烈度地震 （中震）罕遇地震 （大震）性能水平定性描 述不损坏可修复损坏无倒塌结构工作特性弹性不屈服，允许少数次要或 耗能构件屈服允许进入塑性，控制薄弱层位移层间位移角限值h/500h/200h/100构件 性能核心筒墙按规范要

8、求设计， 保持弹性压弯验算按中震不屈 服， 剪力验算按中震弹性，整 体受男保持弹性允许进入塑性， 控制塑性变形， 底部加强区/、进入塑性巨柱按规范要求设计， 保持弹性验算按中震弹性，整 体受 剪保持弹性允许进入塑性，严格控制塑性变形环形桁架按规范要求设计， 保持弹性验算按中震弹性，整 体受 剪保持弹性允许进入塑性， 严格控制塑性变形连梁按规范要求设计， 保持弹性允许进入塑性即截面弯曲 屈服，吸收部分地震 能量， 但不允许剪切破坏。（max=0.24的地震作用卜， 连梁不屈服，o（max=0.32的 地震作用卜，连梁不发生 剪切破坏）*允许进入塑性， 控制塑性变形， 不得脱落，最大 塑性角小于1

9、/504 .结构模型信息4.1 结构总模型信息上海中心原有设计为 地面以上9个区块，共计126层。由于结构非线性分析耗费大 量的计 算机时间。因此对将 对主体结构进行一定的简化，从而完成结构的非线性推覆以及时程分析。Perform3D模型中简化后保留的楼层如下：声段%中部楼层结构加强层MEPZone 1r 2, 3, 4,56, 7, 8Zone 21420, 21,22Zone 32935, 36, 37Zone 44450, 51,52Zone 557, 6266, 67, 68Zone 67582, 83, 84Zone 79299, 100, 101Zone 8109116, 117,

10、 118Zone 9120, 123, 125b, 126水平面上假定楼板刚度无穷大，并且将荷载全部导算至节点处。因此建模过程中不考虑楼板以及相应的次梁，仅对主要构件进行建模以及定义。简化后模型拥有40层，节点4054个，构件种类包括：非线性条带混凝土梁构件、非线性条带混凝土柱构件、非线性已有截面型钢构件（梁、柱）、三噬性自定义截面型钢构件（梁、柱）、三噬性条带剪力墙构件等；材料种类包括：混凝 土 （C35, C50, C60, C70, C80）,以及钢 Q345。Perform3D模型结构如 图1所 示：4.2 材料信息混凝土根据混凝土结构设 计规范条文说明-附录C.2所规定的混凝土非线性

11、应力应变关系，如图1所示，其中曲线的参数值，即峰值压 应变(c)、上升段和下降段参数(、阳、下降段应变)等都随混凝土的单轴抗压强度值(*u2(f c、N/mm )而变化丁计算式如下：*6c (700172 fc )610*/*)c取FR / FU = 0.4, DR= 即，DL= (1+5%) sc, DX=(1 + 10%)印,由式1可得到不同标号混凝土的对应参数：Ec / Mpafcu / MpaDLDRDXC353.15e423.40.001608630.004084940.00449344C503.45e432.40.001762990.003716580.00408824C603.6

12、e438.50.001855590.00362760.00399036C703.7e444.50.001939750.003589820.0039488C803.8e450.20.002014590.003579020.00393692统一采用 Q345 钢,E=2.1e8kN/m , fy=7.83 kN/m , w= 76.8 kN/m ,泊松比=0.3。4.3截面信息结构构件均采本文中采用非线性推 覆及时程分析软件 Perform3D对结构进行非线性分析,用非线性单元：型钢 受力过程中不发生屈 元则采用等效钢筋位线性型钢梁、柱单元，材料条带模型，混凝土超级柱单纤维条带模型。具体截面信结构

13、杆件（梁、柱）均采用相同截面的非 曲；混凝土梁单元（连梁）采用分层纤维 置和面积的纤维模型，混凝土剪力墙采用息如下:钢筋条数混凝土行混凝土列总条带数配筋率连梁25173%混凝土墙31581%超级角柱1684484%超级柱1685566%, 8%等效钢筋条带巨型柱的型钢的等效 原则遵循：等效前后钢面积相等，相对于两轴极惯性矩相等。5.结构非线性有限元推覆分析本文采用Perform3D力分布于每一简化后 比例在推覆过程中保三维非线性分析程序对上海中心结构模型进 的结构层面，不同层间的推覆力大小比例 持不变。行了三维推覆模拟。推覆 按照结构自振模态分配，该Mode 1Mode 2Mode 3Mode

14、 4Mode 5Mode 6周期/s8.6418.3516.313.1842.9752.759结构的模态周期如下推覆取用第一、第二 模态作为荷载加载依据，水平推覆荷载将 按照模态形状分布。采取按 照模态形状加载的方 法可以更加有效地寻找沿结构竖向的薄弱 层，使得推覆荷载分布更加 合理。推覆采用50步分布加载，单步相对 位移取值为1/50的界限位移，界限位移取为 7%, 即单步相对位移 取为0.14%。推覆过程中考虑结构 的P-A效应。结构的相对位移-底 部剪 力图如下图所示：32.5flE*W-BASE 5 NEAR IWi2 25E -M-I 匕1 ME- Qfl-1 MEW11 比 EMI

15、 fWE+Oil喊e1JcL LRENCE DAIF T AND SECAN TPElKEjPUSH-OVER KE3ULTS. COEFF心正NT METHOD争mem =(fTl&WWr)Sih : 罔，同h(kJGihi vim w也，Loeri = 21 = (1 * imh IVLiirt 曳&忸 口nn = all mrt 卡片艇igSEE NEXT pGE FOR- PUSH-OVER DETAILS flTJD LI MF STATE LGI3现Ei略3O3E*K-5湖国苣 Q31 00L D31 ML 622 T5E+W-1 前 F，0S结构在H1方向的推覆

16、达到结构极限状态的过程中 表现出较大的刚度和较好的抗震性能,结构的整体的变形稳 段的位移增长剧烈， 构变形和位移。结构 移角，结构最终也是 为明显。整体变形出 弱层亦出现在第六区 突变，极限状态以后，结构变形突然增大，下降荷载增长步内出现巨大的结定而协调。然而在结构超过其极限状态后反映在推覆的时程过程中表现为在有限次在第五区与第六区交界处，第六区内出现较大的层间位移以及层间位在第六区内产生破坏。在该区域第五区的交界处，结构的刚度突变较现不协调。结构在H2 方向的推覆表现出相似的结果，变形较大的薄，只不过 H2 方向的推覆较H1 方向更为稳定，没有出现时程描述中的变形的增长也比较缓慢平稳。REF

17、ERENCE DRIFT AND SECANT PEROO (MCIPUSH-OVER RESULTS. COEFFICIENT METHOD=多附加叫MsW 2 M5 ggR mod4)Lqm=阴=.pvth Vb/nit /悖 grw。= all imit StatzsSEE NEXT PAGE FOR PUSHOVER DETAILS AND L MIT STATE LET051015.step45»-step44step43step101-step20.step307006005004003002001000H1方向推覆层间位移角mrlj 层层间位移角 step43 step

18、44step45 step step10 step20 step30h2r向推覆位移曲线水平位移/m.step28step29step30step31*step10step207006005004003002001000H次向推覆层间位移角再度高层楼+ step28 step29step30ste- step31step10 step20层间位移角结构的非线性性能评 价：通过结构的非线性推 覆分析，我们可以评定出结构的整体抗震性能，即推测出结构能够承受多剧烈的地震。根 据Perform3D的推覆结果，我们可以通过绘制需求曲线( Demand Curve),通过换算不同推覆荷载步(周期)下的结构

19、基地剪力，以及绘制基于我国规范的影响系数谱，了解结 构在抵御不同地震和在作用下的响应情况。地震响应谱选取的是220gal地震作用下基于 FEMA356的地震响应谱，以及我国大震作用下的 地震影响系数谱。 沿H1方向的推覆分析 结果如下图所示：数系响影震地OOOOOOOOO数系响影震地H1推覆性能需求曲线一 OO 1987654321 noooooooooH雅覆性能需求曲线基于我国抗震规范规定，可以看出结构H1方向，H2方向的性能曲线与地震影响系数需求 曲线相交于12.4s、12.2s左右，说明结构具有在大 震作用下抵抗地震的能力。而基于FEMA356规范的性能反应谱曲线反应出结构能够在11.8

20、s周期内穿越大振作用下的反应谱曲线，能够满 足多遇以及罕遇地震下的结构变形要求。REFERENCE DRIFT AMD SECANT PEROO (MC)PUSH-OVER RESULTS. COEFFICIENT METHODMge =多Xilr 0“加忻)MsMu2 时5 gsR Mtn mow)LqM Cw s =pv«h IVb*nit state grw。= all imit "armsSEE NEXT PAGE FOR PUSHOVER DETAILS AND L MIT STATE LISTBAge SHEAR WRETfcREhCE D«IFT A

21、MD 5ECAN1 PEJtOD ；MC：r针对结构在推覆和在 向的刚度的突变。结 上巨型柱的数量减少 高度的增加逐区减少 侧力体系急剧减弱。PUSH-OVER RESULTS. COEFFICIENT METHOD(fhWlW1-)后h为印韩Swim " 同仁” fg冲 vie e«14，UW Gw 5 *pwhVL Fit曳&& 口旧仲=all 用电机残t白gSEE NEXT ftGE FOW 巴附，DVER DETAILS AND LI MF STATE LIST作用下所显现出来的结构水平向位移的突变，可能原子结构本身沿竖构的2类巨型柱SUPER CO

22、LUMN 2截止于第五区顶层，自第 六区向为8根，并且截面面积逐 层减小；核心筒剪力墙的截面厚度也随区域,使得在第五区与第六区的交界处，结构刚度发生明显变化，有效抗并最终导致推覆荷载作用下结构在该区域发生破坏。6.结构非线性有限元时程分析时程分析所选用的地 震波，根据规范关于输入地震波的选用要 求(GB50011 - 200,1 2008 版)建筑抗震设计规程(DGJ08 - 9 - 2003,建筑抗震设计规范场地类别要求：上海地区为IV类场地，设计地震分组为第一组。数量：不少于二组的 实际强震记录和一组人工模拟的加速度时 程曲线。频谱特性：由设计反 有效峰值：多遇地震 持时要求：结构周期 统

23、计特性：每条时程应谱曲线表征，根据场地类别和设计地震取为35cm/s 2,罕遇地震取为220cm/s2。的510倍。曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分组确定。分解反应谱计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。上海地区震源机制以走滑型数量不足时可以考虑其他震震源机制：根据上海 中心大厦项目工程场地地震安全性报告, 断层错动方式为主。所选取的地震波尽量应以走滑型断错为主,机制，但应确保相同 的场地类别。推荐选取地震波为:编R地震波XY场地类 别持时(s)震源机制1CHY012CHY012-ECHY012-NIV150逆断层2CHY016CHY016-ECHY016-NIV150逆断层3KAUKAU011-WKAU011-NIV90-4TCU-56-W-NTCU-56-WTCU-56-NIV90-5SHW3SHW3IV40-6SHW4SHW4IV40-SHW4TCU056-N_AT2TCU056-W_AT2sKAU011-N_AT2sKAU011-W_AT2sCHY012