上海中心抗震设计研究.docx

1、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（Zone1 to Zone 9）通过筒体结构与巨型柱的共同作 用，

2、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Baseme nt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 (J GJ3-2002)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

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

4、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 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

5、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

6、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

7、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

8、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1/504.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：区段一一_ _ _ 楼层中部楼层结构加强层MEPZone 1P 2, 3, 4,5r 6, 7, 8Zone 214

9、20, 21,22Zone 32935, 36, 37Zone 44450, 51,52Zone 557，6266, 67, 68Zone 67582, 83, 84Zone 79299, 100, 101Zone 8109116, 117, 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）、日非线性自定义截面型钢构件（梁

10、、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 / Mpafcu / MpaDLDRDXC353.15e423.40.001608630.004084940.00449344C503.45e432.40.001762990.003716580.00408824C603.6e438.50.001855

11、590.00362760.00399036C703.7e444.50.001939750.003589820.0039488C803.8e450.20.002014590.003579020.00393692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

12、 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25173%混凝土墙31581%超级角柱1684484%超级柱1685566% , 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Mode 1Mode 2Mode 3Mode 4Mode 5Mode 6周期/s8.6418.3516.313.1842.9752.759推覆取用第一、第二 模态作为荷载加载依据，水平推覆荷

13、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：BASE 5 NEAR IWiJcL LRENCE DAIF T AND SECA N I : wc：PUSH-OVER RESULTS. COEFFICIENT METHOD触几1沏屠=轟I岬(TiWfHfr高冃谢闹氐0强州口1 msihiLoad Gw = 21 = (1 * pmh

14、 IVLirt 弓怪歯 grwpi = all i mrt 嘴tmt白&SEE NEJTT 口GE FOW FnJSH.OVER DETAILS flND LI MF STATE LIST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

15、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。REFERENCE DRIFT AND SECANT PEROO (MCIPUSH-OVER RESULTS. COEFFICIENT METHODBuEVB =爭(袖冷财 4前 Mtn mo”)Lqm = PJ = (1) * pvth VLHMt sute orwp = all iit 召tatogSEE NEXT PAGE FOR PUSHOVER DETAILS AND

16、L MIT STATE LETH1方向推覆位移曲线051015位移/m*step45 step44 step43-step10 ti step20step307006005004003002001000H1方向推覆层间位移角+ step43step44 step45-h step10 yl step20step307006005004003002001000H2方向推覆位移曲线* step28 step29 step30 H step31vj step10册 step20H2方向推覆层间位移角*step28 step29step30-a step31step10*step20层间位移角结构的非

17、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( Dema ndCurve)，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

18、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。BASE SHEAR (kNiREFERENCE DRIFT AMD SECANT PEROO (MC)PUSH-OVER RESULTS. COEFFICIENT METHODBuEve =帜(袖冷财3m 2 MS 4补血 mo”)LqM Cw s (2J = (1J* pvh IVb*nit state orwp = all iiit 七。诒gSEE NEX

19、T PAGE FOR PUSHOVER DETAILS AND L MIT STATE LISTBAge SHEAR WRETfcREhCE DIFT AMD SEC*h7 PEJtlOD :MC：rPUSH-OVER RESULTS. COEFFICIENT METHOD鼻几1張脣=刪峠#叶 （fhwiW1-冉貝跡圈屁Swim 州u Cm騎*嗣柯 册d）W Gw 5 *pwhVL.rrt 弓恰储 giMpi = all i rfnit 喈lt白召SEE NEXT ftGEFOW PIJSH.OVER DETAILS AND LI MF STATE LIST针对结构在推覆和在作用下所显现出来的

20、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SUPER COLUMN 2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XY场地类别持时(s)震源机制1CHY012CHY012-ECHY012-NIV150逆断层2CHY016CHY016-ECHY016-NIV150逆断层3KA

21、UKAU011-WKAU011-NIV90-4TCU-56-W-NTCU-56-WTCU-56-NIV90-5SHW3SHW3IV40-6SHW4SHW4IV40-SHW4sTCU056-N_AT2TCU056-W_AT20 20 40 60 80 100KAU011-W AT240608010020CHY012-E_AT20.060.040.020-0.02-0.04-0.060 20 40 60 80 100 120 140 160CHY012-N_AT20 20 40 60 80 100 120 140 160sSHW4地震分析结果:700严度高构结结构地震位移包络图6005000300

22、0200*dis*n eg-dis25s t- 26.78s n 31.88s*34.141s = 40.221s-2 0 2水平位移/ m3.00E+00顶点时程位移曲线2.00E+001.00E+000.00E+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91 AJ _Jc 、汀/1 .d1 1 J-0.04-0.020700O60005400002max min060.02 0.04层间位移角SHW3分析结果:顶点位移时程曲线3.00E+002.00E+001.00E+000.00E+00-1.00E+00-2.00E+00-3.00E+

23、00时间/s顶点位移700位移角曲线包络图m度高构结600500400300-0.04-0.0200.020.04IJrJ/1LJ LI r0i I I i200-0.060.06位移角 i maxminTCU056_N分析结果:结构位移包络图円度高构结 * / :In/IIVI IfL从ITFTif4I- max dis min dis20s7 30s1 40s50s-20 2 4 6结构位移/ m顶点位移时程曲线円移位点顶5.0000E+004.0000E+003.0000E+002.0000E+001.0000E+000.0000E+00 -1.0000E+00 -2.0000E+00 -3.0000E+00 -4.0000E+000.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00时间/s结构层间位移角包络图顶点位移600500400300200100(121s.21Mif-0.04-0.020.02 0.04 0.06层间位移角*，max min 20s 30s a 40s 50s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。