上海中心抗震设计研究

1、上海中心结构抗震设计研究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。筒体结构Zone 8Zone 7Zone 6Zone 5Zone 4Zone 3Z

2、one 2Zone 1BasementZone 9巨型柱加强层巨型柱核心筒巨型角柱外伸臂桁架带状桁架上海中心采采用中心心混凝土土剪力墙墙筒体结结构，通通过8个加强强层，与与巨型型型钢混凝凝土超级级柱相连连接，并并同时将将整个建建筑沿高高度方向向分为了了9个区段段。（Zonne1 to Zonne 99）通过过筒体结结构与巨巨型柱的的共同作作用，承承受竖向向荷载、水水平侧向向力以及及地震荷荷载。加加强层由由空间的的外伸臂臂桁架、带带状桁架架、以及及空间杆杆件体系系和楼板板组成，带带状桁架架将外围围的八根根（上部部区域四四根）巨巨型柱圈圈成一体体，外伸伸臂桁架架则将筒体结构Zone 8Zone 7

3、Zone 6Zone 5Zone 4Zone 3Zone 2Zone 1BasementZone 9巨型柱加强层巨型柱核心筒巨型角柱外伸臂桁架带状桁架结构高度及及高宽比比都超过过高层层建筑混混凝土结结构技术术规程（JGJ3-2002）的规定限值；结构类型为为混合结结构。中中心为核核心筒体体，与外外部四个个巨型柱柱以及四四个巨型型角柱构构成结构构主体；通过外外伸臂将将核心筒筒与巨型型柱联系系在一起起；通过过带状桁桁架将巨巨型柱围围成整体体；带状状桁架采采用钢桁桁架；巨巨型柱采采用型钢钢混凝土土。沿结构高度度方向按按每一个个加强层层设置一一道外伸伸臂桁架架。伸臂臂桁架采采用两层层高的钢钢桁架。沿结

4、构高度度方向按按每一个个加强层层设置一一套带状桁桁架，把外围围柱子的的荷载传传递给巨巨型柱。建筑物采用用了多重重抗侧力力体系。鉴于此为了了确保该该建筑结结构的抗抗震安全全性和可可靠性，除除进行常常规的计计算分析析、有效效的设计计手段和和构造措措施外，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，更深入、直观、全面地研究该结构的抗震性能。抗震设防标标准中国国家标标准建建筑抗震震设计规规范（GB5500111-220011）采用“小震不不坏、中中震可修修、大震震不倒”的设防防目标，其其对应于于“小震、中中震、大大震”三个地地震水准准的发生生概率，50年超越越概率分分别为63、10和

5、23。本工程所处处地区中中国上海海市的抗抗震设防防烈度为为7度。根根据中国国国家标标准建建筑抗震震设防分分类标准准（GB5502223），该该建筑物物的重要要性等级级为乙类类，即在在地震时时其使用用功能不不能中断断或需尽尽快恢复复的建筑筑。因此此该建筑筑物的地地震作用用按7度考虑虑，抗震震构造措措施按8度考虑虑。7度小震震、中震震、大震震和8度大震震所对应应的地震震地面加加速度分分别为335gaal、1000gall、2200gall、4000gall。上海属于软软土地基基，场地地类别为为类，对对应的场场地特征征周期为为0.99S。鉴于该工程程的重要要性和复复杂性，除除满足现现行设计计标准外外

6、，特制制定其抗抗震性能能水准如如下：（1）7度度小震和和中震作作用下，结结构基本本处于弹弹性状态态，结构构完好无无损伤；（2）7度度大震作作用下，结结构构件件允许开开裂，但但开裂程程度控制制在可修修复的范范围内，开开裂部位位在可控控制的范范围内，主主要抗侧侧力体系系（巨型型框架，巨巨型斜撑撑）在按按标准强强度计算算时不屈屈服。（3）在88度大震震作用下下，结构构可能出出现严重重的破坏坏，但不不能倒塌塌。借助非线线性有限限元分析析软件Perrforrm-33D对建筑筑的主体体结构进进行推覆覆分析、地震作用下的时程分析，从而实现对结构抗震性能的分析。结构性能目目标（1）7度度小震和和中震下下的结构

7、构弹性状状态层间位移角角不大于于1/5500，理论论分析和和模型试试验中结结构不出出现裂缝缝，钢筋筋应力不不超过屈屈服强度度，混凝凝土压应应力不超超过抗压压强度的的1/3，在地地震作用用后结构构变形基基本恢复复，节点点处在弹弹性状态态，地震震作用后后的结构构动力特特性与弹弹性状态态的动力力特性基基本一致致。（2）7度度大震下下结构开开裂程度度和范围围的控制制层间弹塑性性位移角角不大于于1/1100，巨型型框架、斜斜撑、伸伸臂等主主要抗侧侧力结构构出现轻轻微损坏坏和轻微微裂缝，局局部区域域允许构构件内钢钢筋屈服服；R.CC.核心筒筒允许开开裂，但但开裂处处钢筋不不屈服，按按材料强强度标准准值计算

8、算的R.CC.核心筒筒的受剪剪承载力力大于7度大震震的弹性性地震剪剪力；楼楼层梁端端可以出出现塑性性铰，拉拉区钢筋筋屈服但但未进入入强化阶阶段，压压区混凝凝土应变变小于极极限压应应变；主主要抗侧侧力构件件的节点点未出现现明显开开裂且应应力未达达到屈服服状态。（3）8度度大震下下结构不不发生倒倒塌主要抗侧力力构件开开裂严重重，压区区和拉区区钢筋基基本屈服服，有一一些已进进入强化化阶段，压压区混凝凝土应变变接近其其极限压压应变；主要节节点进入入屈服状状态但不不脱落。地震烈度频遇地震（小震）设防烈度地地震（中震）罕遇地震（大震）性能水平定定性描述述不损坏可修复损坏坏无倒塌结构工作特特性弹性不屈服，允

9、允许少数数次要或或耗能构构件屈服服允许进入塑塑性，控控制薄弱弱层位移移层间位移角角限值h/5000h/2000h/1000构件性能核心筒墙按规范要求求设计，保保持弹性性压弯验算按按中震不不屈服，剪剪力验算算按中震震弹性，整整体受剪剪保持弹弹性允许进入塑塑性，控控制塑性性变形，底底部加强强区不进进入塑性性巨柱按规范要求求设计，保保持弹性性验算按中震震弹性，整整体受剪剪保持弹弹性允许进入塑塑性，严严格控制制塑性变变形环形桁架按规范要求求设计，保保持弹性性验算按中震震弹性，整整体受剪剪保持弹弹性允许进入塑塑性，严严格控制制塑性变变形连梁按规范要求求设计，保保持弹性性允许进入塑塑性即截截面弯曲曲屈服，

10、吸吸收部分分地震能能量，但但不允许许剪切破破坏。（maxx=0.24的地震震作用下下，连梁梁不屈服服，max=0.332的地震震作用下下，连梁梁不发生生剪切破破坏)*允许进入塑塑性，控控制塑性性变形，不不得脱落落，最大大塑性角角小于1/550结构模型信信息4.1 结结构总模模型信息息上海中心原原有设计计为地面面以上9个区块块，共计计126层。由于于结构非非线性分分析耗费费大量的的计算机机时间。因此对对将对主主体结构构进行一一定的简简化，从从而完成成结构的非线性性推覆以以及时程程分析。Perform3D模型中简化后保留的楼层如下：区段楼层中部楼层结构加强层层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水平面上假假定楼板板刚度无无穷大，并并且将荷荷载全部部导算至至节点处处。因此此建模过过程中不不考虑楼楼板以及及相应的的次梁，仅仅对主要要构件进进行建模模以及定定义。简简化后模模型拥有有40层，节点40554个，构构件种类类包括：非线性性

12、条带混凝凝土梁构构件、非非线性条条带混凝凝土柱构构件、非非线性已已有截面面型钢构构件（梁梁、柱）、非非线性自自定义截截面型钢钢构件（梁梁、柱）、非非线性条条带剪力力墙构件件等；材材料种类类包括：混凝土土(C355, CC50, C660, C700, CC80)，以及及钢 Q3345。Perrforrm3DD 模型结结构如图图1所示：H1H1H24.2 材材料信息息混凝土0.51.0根据混凝凝土结构构设计规规范条条文说明明-附录C.2所规定定的混凝凝土非线线性应力力应变关关系，如如图1 所示，其其中曲线线的参数数值，即即峰值压压应变 (c) 、上升升段和下下降段参参数(a、d) 、下降降段应变

13、变 (u) 等都随随混凝土土的单轴轴抗压强强度值(f*c、N/mmm2) 而变化化，计算算式如下0.51.0，本文中ff*c取混凝凝土抗压压强度的的标准值值。Perfoorm33D中对混混凝土的的本构曲曲线采用用如下形形式：FFRFUDLDRDXK0F=stress D=strain取FR / FUU = 0.44, DDR= u, DDL= (1+5%)c, DXX=(11+100%)u, 由式1可得到到不同标标号混凝凝土的对对应参数数：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钢统一采用QQ3455钢，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线性性推覆及及时程分分析软件件Perrforrm3DD

15、对结构构进行非非线性分分析，结结构构件件均采用用非线性性单元：型钢结结构杆件件（梁、柱柱）均采采用相同同截面的的非线性性型钢梁梁、柱单单元，材材料受力力过程中中不发生生屈曲；混凝土土梁单元元（连梁梁）采用用分层纤纤维条带带模型，混混凝土超超级柱单单元则采采用等效效钢筋位位置和面面积的纤纤维模型型，混凝凝土剪力力墙采用用纤维条条带模型型。具体体截面信信息如下下：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%钢筋条带钢筋条带混凝土条带等效钢筋条带混凝土条带等效巨型柱的型型钢的等等效原则则遵循：等效前前后钢面面积相等等，

16、相对对于两轴轴极惯性矩矩相等。结构非线性性有限元元推覆分析析本文采用PPerfformm3D三维非非线性分分析程序序对上海海中心结结构模型型进行了了三维推推覆模拟拟。推覆覆力分布布于每一一简化后后的结构构层面，不不同层间间的推覆覆力大小小比例按照照结构自自振模态态分配，该该比例在在推覆过过程中保保持不变变。结构的模态态周期如如下：Mode 1Mode 2Mode 3Mode 4Mode 5Mode 6周期/s8.64118.35116.313.18442.97552.7599推覆取用第第一、第第二模态态作为荷荷载加载载依据，水水平推覆覆荷载将将按照模模态形状状分布。采取按照模态形状加载的方法可

17、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-效应。结构的相对位移-底部剪力图如下图所示：结构在H11方向的的推覆达达到结构构极限状状态的过过程中表表现出较较大的刚刚度和较较好的抗抗震性能能，结构构的整体体的变形形稳定而而协调。然而在结构超过其极限状态后，结构变形突然增大，下降段的位移增长剧烈，反映在推覆的时程过程中表现为在有限次荷载增长步内出现巨大的结构变形和位移。结构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移角，结构最终也

18、是在第六区内产生破坏。在该区域第五区的交界处，结构的刚度突变较为明显。整体变形出现不协调。结构在H2方向的推覆表现出相似的结果，变形较大的薄弱层亦出现在第六区，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突变，极限状态以后变形的增长也比较缓慢平稳。结构的非线线性性能能评价：通过结构的的非线性性推覆分分析，我我们可以以评定出出结构的的整体抗抗震性能能，即推推测出结结构能够够承受多多剧烈的的地震。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

19、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：基于我国抗抗震规范范规定，可可以看出出结构H1方向，H2方向的的性能曲曲线与地地震影响响系数需需求曲线线相交于于12.4s、12.2s左右，说说明结构构具有在在大震作作用下抵抵抗地震震的能力力。而基于FEEMA3356规范的的性能反反应谱曲曲线反应应出结构构能够在在11.8s周周期内穿穿越大振振作用下下的反应应谱曲线线，能够够满足多多遇以及及罕遇地地震下的的结构变变形要求求。针对结构在在推覆和和在作用用下所显显现出来来的结构构

20、水平向向位移的的突变，可可能原子子结构本本身沿竖竖向的刚刚度的突突变。结结构的2类巨型型柱SUPPER COLLUMNN 2截止于于第五区区顶层，自自第六区区向上巨巨型柱的的数量减减少为8根，并并且截面面面积逐逐层减小小；核心心筒剪力力墙的截截面厚度度也随区区域高度度的增加加逐区减减少，使使得在第第五区与与第六区区的交界界处，结结构刚度度发生明明显变化化，有效效抗侧力力体系急急剧减弱弱。并最最终导致致推覆荷荷载作用用下结构构在该区区域发生生破坏。结构非线性性有限元元时程分析析时程分析所所选用的的地震波波，根据据规范关关于输入入地震波波的选用用要求建筑抗震设设计规程程（DGGJ088920003），建建筑抗震震设计规规范（GGB500011120001，20008 版版）场地类别要要求：上上海地区区为IVV 类场场地，设设计地震震分组为为第一组组。数量：不少