上海中心抗震设计

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Zone8Z筒体结构Zone8Zone7Zone6Zone5Zone4Zone3Zone2Zone1BasementZone9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高宽比都超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）的规定限值；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。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。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。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，更深入、直观、全面地研究该结构的抗震性能。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2～3％。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35gal、100gal、220gal、400gal。森上海属于软土霉地基，场地类予别为呆Ⅳ次类，对应的场沿地特征周期宴为顷0.9呼S每。萌鉴于该工程的殖重要性和复杂问性，除满足现楚行设计标准外阴，特制定其抗胸震性能水准如芳下：住（久1炼）否7众度小震和中震倡作用下，结构蜂基本处于弹性葵状态，结构完球好无损伤；侦（中2索）锡7密度大震作用下吵，结构构件允店许开裂，但开鄙裂程度控制在择可修复的范围黑内，开裂部位起在可控制的范恶围内，主要抗僚侧力体系（巨积型框架，巨型骡斜撑）在按标裕准强度计算时筑不屈服。梳（联3当）汤在厉8伤度大震作用下侧，结构可能出帮现严重的破坏箱，但不能倒塌钱。夜巴借助非线性有烤限元分析软搞件事Perfor幼m-3炒D垂对建筑的主体曲结构进行推覆浙分析、街地震作用下的考时程分析，失从而实现对彩结构抗震性能瓶的分析。结构性能目标宋（溜1箩）赵7京度小震和中震纷下的结构弹性活状态玩层间位移角不惨大切于歌1/50米0急，理论分析和铁模型试验中结党构不出现裂缝挽，钢筋应力不惊超过屈服强度坚，混凝土压应帅力不超过抗压箩强度舅的刚1/战3屠，在地震作用喜后结构变形基酒本恢复，节点微处在弹性状态逝，地震作用后捞的结构动力特留性与弹性状态遇的动力特性基格本一致。瑞（常2暑）绵7翁度大震下结构辩开裂程度和范迫围的控制叔层间弹塑性位闻移角不大抱于伶1/10蕉0滴，巨型框架、埋斜撑、伸臂等们主要抗侧力结局构出现轻微损越坏和轻微裂缝僵，局部区域允山许构件内钢筋元屈服墙；收R.C钉.锦核心筒允许开琴裂，但开裂处调钢筋不屈服，写按材料强度标股准值计算拣的属R.C储.绘核心筒的受剪良承载力大抹于百7绳度大震的弹性眼地震剪力；楼愚层梁端可以出帖现塑性铰，拉饿区钢筋屈服但第未进入强化阶兵段，压区混凝东土应变小于极吼限压应变；主看要抗侧力构件牢的节点未出现至明显开裂且应旺力未达到屈服晶状态。险（今3任）姻8孩度大震下结构喊不发生倒塌炸主要抗侧力构哄件开裂严重，男压区和拉区钢泊筋基本屈服，浊有一些已进入墓强化阶段，压赞区混凝土应变戏接近其极限压枝应变；主要节宰点进入屈服状里态但不脱落。琴地震烈度歇频遇地震筑（小震）反设防烈度地震顷（中震）域罕遇地震歪（大震）沸性能水平定性亿描述绸不损坏秃可修复损坏均无倒塌匆结构工作特性肌弹性农不屈服，允许征少数次要壶或耗能震构件屈服请允许进入塑性鸟，控制薄弱层些位移视层间位移角限串值点h/5属00荡h/闯200还h/100低构件性能缸核心筒墙缴按规范要求设虚计，保持弹性辩压弯验算按中投震不屈服，剪唉力验算按中震购弹性，整体受扮剪保持弹性虚允许进入塑性逼，控制塑性变暖形楼，底部加强区姻不进入塑性暗巨恶柱俱按规范要求设尺计，保持弹性乓验算按中震弹牌性，整体受剪稠保持弹性励允许进入塑性榴，严格控制塑矿性变形绪环形桁架块按规范要求设冒计，保持弹性额验算按中震弹枯性，整体受剪弯保持弹性芬允许进入塑性血，严格控制塑挽性变形志连梁蜡按规范要求设渗计，保持弹性麻允许进入塑性匪即截面弯曲屈减服，吸收部分干地震能量，但删不允许剪切破劝坏。渐（志α砍m损ax=愿0.2叮4症的地震作用下层，连梁不屈服瑞，厨α语m调ax=篇0.3奉2思的地震作用下其，连梁不发生鲁剪切破坏紧)*粉允许进入塑性聋，控制塑性变辨形，不得脱落凡，最大塑性角款小付于贞1/50结构模型信息斩4.1嗓嚷结构总模型信铅息牵上海中心原有垃设计为地面以推上喜9缠个区块，共螺计锄12勒6邮层。暴由于结构非线雀性分析耗费大游量的计算机时恩间皮。架因此对础将对主体懂结构进行一定顶的简化，从而科完成尿结构奋的爬非线性推覆以绝及时程分析。展Perfor炕m3讨D闹模型中简化后途保留的楼层如菠下：耕区段楼层暴中部楼层棕结构加强策层害MEP倾Zone1串2,3,肉4,5液6,7,孟8白Zone2碧14伤20,21弃,22你Zone3嫂29问35,36誓,37领Zone4碑44师50,51础,52羡Zone5兵5风7紧，轮62虾66,67夏,68潮Zone6索75脑82,83粥,84温Zone7惊92川99,10千0,101减Zone8亏109服116,1吃17,11杏8烫Zone9嫩120,1怒23,12咱5b,12负6饥水平面上假定溜楼板刚度无穷停大，并且将荷巨载全部导算至错节点处。因此科建模过程中不写考虑楼板以及皱相应的次梁，碎仅对主要构件驰进行建模以及侍定义。须简化后模型拥谨有袭4艘0犹层，循节讽点退405黎4脏个，构件钟种类糊包括验：全非线性烤条带稳混凝土梁构件慕、非线性辰条带赢混凝土柱构件浆、非线性防已有怜截面型钢构件循（梁、柱）、寸非线性自定义市截面锻型钢构件（梁识、柱）、非线搅性条带剪力墙管构件忠等；材料种类菊包括：混凝集土艳(浓C35,C响50滩,C60,翼C70,闷C80掉)锦，以及旁钢为Q345丢。箩Perfor头m3D士羞模型结构如招图浩1该所示：H1H1H2塘4.2粒它材料信息混凝土0.51.0齐根据《混凝土钥结构设计规范浆》条文说统明窜-援附获录区C.焰2宅所规定的混凝遇土琴非线性去应力应变关系怒，即如台图跃1盐洋所示，其中铅曲线的参数值贸，即峰值压应宅变烛桨(轿ε童c鼻)并菠、上升段和下抛降段参美数肿(巧α蝴a灰、提α组d锋)圆老、下降段应驾变童墙(榨ε附u死)消趴等都随混凝土晋的单轴抗压强欣度刻值书(若f紧*蓬c责、乱N/mm击2和)指新而变化，计算川0.51.0剂，本文中掠f衣*恢c慧取混凝土抗压浊强度的标准值滩。售Perfor谷m3展D客中对混凝土的猴本构曲线采用既如下形式：FFRFUDLDRDXK0F=stressD=strain北取造FR/F凡U=0.价4,DR=露屯ε辫u乔,DL=唉(1+5%)读ε胁c杯,夏DX=(1+际10%)遥ε真u点,青由务式中1索可得到不同标舒号混凝土的对现应参数：时Ec罩/桐Mpa渴f针cu羡/塌Mpa斗DL录DR场DX纷C35抄3.15e4鹿23.4绝0.0016鸣0863相0.0040煮8494足0.0044优9344床C50沸3.45e某4告32.4衣0.0017慨6299香0.0037决1658观0.0040悠8824贱C60润3.6e4碌38.5议0.0018仍5559崇0.0036娘276孕0.0039两9036隐C70原3.7e4践44.5其0.0019葱3975戚0.0035矮8982余0.0039亭488暖C80样3.8e4倾50.2尸0.0020如1459状0.0035更7902旬0.0039秋3692钢买统一采旺用芦Q34广5监钢，叉E=2.1e押8kN/m厚2锁，米f颈y甜=7.83民kN/m蜡2扬，投w=里76.8k上N/m滩3细，逆泊松比互=0.3套。变4.晴3丰紫截面信息讯本文中采用非沸线性推覆及时竟程分析软普件否Perfor嫂m3监D怕对结构进行非师线性分析，结域构构件均采用振非线性单元：问型钢结构杆件薄（梁、柱）均屡采用相同截面醋的非线性型钢亩梁、柱单元，怕材料受力过程耍中不发生屈曲由；混凝土梁单粉元（连梁）采换用分层纤维条顽带模型，混凝愁土捆超级工柱单元则瓣采用等效钢筋渔位置和面积的野纤维模型，混患凝土剪力墙采写用纤维条带模剧型。贸具体截面信息惰如下：航钢筋条数炎混凝土行陷混凝土列烦总条带数骑配筋率圣连梁搏2熔5削1拾7危3%爹混凝土墙接3肆1济5雨8郑1%润超级角柱哗16剥8电4使48至4%朗超级柱暮16俯8厌5校56塔6留%唐，沙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字巨型柱的型钢尸的等效原则遵山循单：等效前后傲钢面积相等，南相对于两轴蛇极泪惯性矩相等秧。荡结构非线性有帮限元腹推覆赔分析查本文采显用愤Perfor负m3随D煌三维非线性分必析程序对上海社中心结构模型膛进行了三维推骤覆模拟。推覆骡力分布于每一流简化后的结构居层面，不同层蕉间世的推覆力大小饺比例雅按照结构自振遥模态分配曲，该比例在推牧覆过程中保持夫不变。还结构的模态周僻期如下：笑Mode1侵Mode2另Mode3渣Mode4赵Mode5永Mode6管周排期焰/s饱8.641泽8.351告6.31奇3.184资2.975池2.759嗓推覆取用第一群、第二模态作饮为荷载加载依深据，水平推覆佛荷载将按照模饮态形状分布。站采取按照模态式形状加载的方扬法可以更加有疲效地寻找沿结论构竖向的薄弱置层，使得推覆煮荷载分布更加机合理。孔推覆采壤用僻5为0脏步分布加载，驼单步相对位移幼取滔值为写1/5肆0面的界限位移，堪界限位移取宿为安7任%枣，即单步护相对升位移取到为雀0.14克%狗。黄推覆过程中考园虑结构球的彼P-植Δ尊效应。结构的慧相对位跳移党-久底部剪力图如佩下图所示：善结构永在亿H扭1我方向的推覆达模到结构极限状车态的过程中表泛现出较大的刚漫度和较好的抗彻震性能，结构董的整体的变形捉稳定而协调。框然而在结构超耐过其极限状态资后，结构变形类突然增大，下灾降段泪的位移增长剧叮烈，反映在推督覆的时程过程指中表现为在有范限次荷载增长任步内出现巨大旁的结构变形和沃位移。袭结构在第五区湖与第六区交界城处，第六区内段出现较大的层木间位移以及层蜡间位移角，井结构最终也是观在第六区内产挽生破坏。偿在该区域第五信区的交界处，界结构的刚度突屋变较为明显。化整体变形出现攻不协调。桥结构嫂在削H敲2主方向的推覆表范现出相似的结械果，变形较大弃的薄弱层亦出舱现在第六区，惧只不轮过铲H爪2揭方向的推覆渗较祝H造1骨方向更为稳定搂，没有出现时诉程描述中的突西变，极限状态秘以后变形的增而长也比较泊缓慢异平稳。盏结构的非线性杂性能评价：逝通过结构的非吩线性推覆分析丑，我们可以评糊定出结构的整俯体抗震性能，葵即推测出规结构能够承受签多剧烈的地震蛙。竿根押据前Perfor速m3之D柄的推覆结果，狂我们可以通过燕绘制需求曲线值（巴Demand陆Curv删e很），通过换算丹不同推覆荷载桨步（周期）下刊的结构基地剪挑力，以及绘制歌基于我国规范泥的影响系数谱戒，禾了解结构在抵涌御不同地震和呆在作用下的响胶应情况。攀地震针响应谱选取的蒸是飘220ga私l高地震作用下基匠于移FEMA35炒6夹的地震响应谱揪，以及我国大柳震作用下的地从震影响系数谱蹲。巷沿关H告1抵方向的推覆分雅析结果天如下图所示：华基于我国抗震稳规范规定，可汇以看出结河构歼H沫1捧方向沃，飞H北2泼方向的性能曲权线与地震影响浆系数需求曲线售相交猴于壁12.4费s洗、斯12.2从s求左右，有说明结构具有葱在大震作用下漆抵抗地震的能亦力。掉而基芽于章FEMA35哪6这规范的性能反制应谱曲线反应甩出结构能够疑在喘11.8s换周期内穿越大匆振作用下的反猴应谱曲线，能灰够满足多遇以丛及罕遇地震下势的结构变形要怀求。守针对结构在推捕覆和在作用下扫所显现出来的胀结构水平向位线移的突变，可绕能原子结构本刮身沿竖向的刚隆度的突变。结盘构荣的眉2洽类巨型遇柱介SUPER日COLUMN眼磁2员截止于第五区毁顶层，自第六领区向上巨型柱剂的数量减少域为衔8趣根，并且截面薄面积逐层减小摆；核心筒剪力温墙的截面厚度裁也随柜区域疏高度的增加逐爬区减少描，使得在第五哨区与第六区的眯交界处，结构殿刚度发生明显敢变化，有效抗向侧力体系急剧联减弱。竿并最终导致推扁覆荷载作用下牛结构在该区域咱发生破坏。孙结构非线性有房限元壳时程终分析急时程分析所选限用的地震波活，根据拘规范关于输入轿地震波的选用踏要求耻建筑抗震设计巩规程（管DGJ0机8功‐缠9蒸‐假2003咸），建筑抗震蒜设计规范（呀GB5001害1纺‐兄2001士，很2008辈版）先场地类别要求舒：上海地区为格IV弦类场地，设计卵地震分组为第炕一组。德数量：不少于六二组的实际强临震记录和一组盾人工模拟的加膛速度时程曲线适。骑频谱特性：由开设计反应