上海中心抗震设计研究.docx

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上海中心抗震设计研究

上海中心结构抗震设计研究

1.工程介绍

业中心区的上海中心大厦是一幢综合性超观光娱乐、会议中心和交易六大功能区域区域，企业会馆区域，精品酒店区域，顶容许建筑面积（FAR）大约为380,000平米。

其中包括地上

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°（Zone1toZone9）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

Basement

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》（JGJ3-2002）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，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。

上海属于软土地基，场地类别为"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）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

值计算的R.C.核心筒的受剪承载力大于铰，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/500

h/200

h/100

构件性能

核心筒墙

按规范要求设计，保持弹性

压弯验算按中震不屈服,剪力验算按中震弹性，整体受剪保持弹性

允许进入塑性，控制塑性变形，底部加强区不进入塑性

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。

（amax=0.24的地震作用下，连梁不屈服，amax=0.32的地震作用下，连梁不发生剪切破坏广

允许进入塑性，控制塑性变形，不得脱落，最大塑性角小于1/50

4.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：

区段一一

___楼层

中部楼层

结构加强层MEP

Zone1

P2,3,4,5

r6,7,8

Zone2

14

20,21,22

Zone3

29

35,36,37

Zone4

44

50,51,52

Zone5

57，62

66,67,68

Zone6

75

82,83,84

Zone7

92

99,100,101

Zone8

109

116,117,118

Zone9

120,123,125b,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）、日非线性自定义截面型钢构件（梁、柱）、日非线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

取FR/FU=0.4,DR=&,DL=（1+5%）cc,DX=（1+10%）&,由式1可得到不同标号混凝土的对应参数：

Ec/Mpa

fcu/Mpa

DL

DR

DX

C35

3.15e4

23.4

0.00160863

0.00408494

0.00449344

C50

3.45e4

32.4

0.00176299

0.00371658

0.00408824

C60

3.6e4

38.5

0.00185559

0.0036276

0.00399036

C70

3.7e4

44.5

0.00193975

0.00358982

0.0039488

C80

3.8e4

50.2

0.00201459

0.00357902

0.00393692

统一采用Q345钢,

E=2.1e8kN/m,fy=7.83kN/m,w=76.8kN/m，泊松比=0.3。

4.3截面信息

本文中采用非线性推用非线性单元：

型钢受力过程中不发生屈元则采用等效钢筋位息如下：

覆及时程分析软件Perform3D对结构进行非线性分析，结构构件均采结构杆件（梁、柱）均采用相同截面的非线性型钢梁、柱单元，材料

曲；混凝土梁单元（连梁）采用分层纤维条带模型，混凝土超级柱单

置和面积的纤维模型，混凝土剪力墙采用纤维条带模型。

具体截面信

钢筋条数

混凝土行

混凝土列

总条带数

配筋率

连梁

2

5

1

7

3%

混凝土墙

3

1

5

8

1%

超级角柱

16

8

4

48

4%

超级柱

16

8

5

56

6%,8%

5.

结构非线性有限元推覆分析

本文采用Perform3D三维非线性分析程序对上海中心结构模型进

力分布于每一简化后的结构层面，不同层间的推覆力大小比例

比例在推覆过程中保持不变。

结构的模态周期如下

Mode1

Mode2

Mode3

Mode4

Mode5

Mode6

周期/s

8.641

8.351

6.31

3.184

2.975

2.759

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-△效应。

结构的相对位移-底部剪力图如下图所示：

BASE5NEARIWi

JcLLRENCEDAIFTANDSECANI:

wc：

PUSH-OVERRESULTS.COEFFICIENTMETHOD

触几1沏屠=轟I岬（>TiWfHfr}

高冃谢闹氐£»0强■■州口1■「msihi

LoadGw=[21=（1]*pmhIV

Li^rt弓怪歯grwpi=allimrt嘴tmt白&

SEENEJTT口^GEFOWFnJSH.OVERDETAILSflNDLIMFSTATELIST

结构在H1方向的推覆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

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

在第六区内产生破坏。

在该区域第五区的

，结构变形突然增大，下降荷载增长步内出现巨大的结

较大的层间位移以及层间位交界处，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。

REFERENCEDRIFTANDSECANTPEROO（MCI

PUSH-OVERRESULTS.COEFFICIENTMETHOD

BuEVB=爭（袖冷财

■4前Mtnmo”）

Lqm=PJ=

（1）*pvthV

L・HMtsuteorwp=alli^it召tatog

SEENEXTPAGEFORPUSHOVERDETAILSANDLMITSTATELET

H1方向推覆位移曲线

0

5

10

15

位移/m

*step45

■step44step43

-step10tistep20

•step30

700

600

500

400

300

200

100

0

H1方向推覆层间位移角

+step43

•step44step45

-h—step10ylstep20

•step30

700

600

500

400

300

200

100

0

H2方向推覆位移曲线

*step28

■step29step30—H—step31

vjstep10

册step20

H2方向推覆层间位移角

*step28

■step29

step30

-a—step31

step10

*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：

H1推覆性能需求曲线

H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11.8s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。

BASESHEAR（kNi

REFERENCEDRIFTAMDSECANTPEROO（MC）

PUSH-OVERRESULTS.COEFFICIENTMETHOD

BuEve=帜（袖冷财

3m2MS■4补血mo”）

LqMCws（2J=（1J*pv^hIV

b*nitstateorwp=alli^iit七。

诒g

SEENEXTPAGEFORPUSHOVERDETAILSANDLMITSTATELIST

BAgeSHEARW\

RETfcREhCED«IFTAMDSEC*h7PEJtlOD:

MC：

r

PUSH-OVERRESULTS.COEFFICIENTMETHOD

鼻几1張¥脣=刪峠#叶（fhwiW1-}

冉貝跡圈屁Swim"州uCm騎*嗣柯册d）

』WGw5*pwhV

L.r^rt弓恰储giMpi=allirfnit喈l^t白召

SEENEXT^ftGEFOWPIJSH.OVERDETAILSANDLIMFSTATELIST

针对结构在推覆和在

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

向的刚度的突变。

结

构的2类巨型柱SUPERCOLUMN2截止于第五区顶层，自第

六区向

上巨型柱的数量减少

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

高度的增加逐区减少

，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

侧力体系急剧减弱。

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

机制，但应确保相同的场地类别。

推荐选取地震波为:

编号

地震波

X

Y

场地类

别

持时（s）

震源机制

1

CHY012

CHY012-E

CHY012-N

IV

150

逆断层

2

CHY016

CHY016-E

CHY016-N

IV

150

逆断层

3

KAU

KAU011-

W

KAU011-N

IV

90

--

4

TCU-56-W-

N

TCU-56-W

TCU-56-N

IV

90

--

5

SHW3

SHW3

IV

40

--

6

SHW4

SHW4

IV

40

--

SHW4

s

TCU056-N_AT2

TCU056-W_AT2

020406080100

KAU011-WAT2

40

60

80

100

20

CHY012-E_AT2

0.06

0.04

0.02

0

-0.02

-0.04

-0.06

020406080100120140160

CHY012-N_AT2

020406080100120140160

s

SHW4地震分析结果:

700

严度高构结

结构地震位移包络图

600

50

00

30

00

2

00

*dis

*neg-dis

25st-26.78sn31.88s

*34.141s=■—40.221s

-202

水平位移/m

3.00E+00

顶点时程位移曲线

2.00E+00

1.00E+00

0.00E+00

-1.00E+00

-2.00E+00

-3.00E+00

时间/s

顶点位移

H2层间位移角包络图

9

1A

\

J

\___J

c

、

汀

/

1.

d

11J

-0.04

-0.02

0

700

O

60

00

5

400

00

2

maxmin

06

0.020.04

层间位移角

SHW3分析结果:

顶点位移时程曲线

3.00E+00

2.00E+00

1.00E+00

0.00E+00

-1.00E+00

-2.00E+00

-3.00E+00

时间/s

顶点位移

700

位移角曲线包络图

m

度

高

构

结

600

500

400

300

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

I

■

[

J

r

J

/

1

L

JL

Ir

[

「0

>

iIIi

200

-0.06

0.06

位移角

•imax

min

TCU056_N分析结果:

结构位移包络图

円度高构结

\*\

}/

\:

In

\

\

\

■

/

I

I

V

IIf

L从

I

TFT

if

4

I

•-maxdis

■mindis

20s

7—30s

—140s

——50s

-2

0246

结构位移/m

顶点位移时程曲线

円移位点顶

5.0000E+00

4.0000E+00

3.0000E+00

2.0000E+00

1.0000E+00

0.0000E+00-1.0000E+00-2.0000E+00-3.0000E+00-4.0000E+00

0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.00

时间/s

结构层间位移角包络图

——顶点位移

600

500

400

300

200

100

（

1

2

1

■

s.

21

<

Mi

f

-0.04

-0.02

0.020.040.06

层间位移角

*，maxmin20s30sa•—40s50s

从以上结构位移包络图可以看出，该结构中部地区存在明显的薄弱楼层。

两个方向结

构的层间位移角均有较大的数值。