上海环球金融中心结构基于性态的抗震设计研究_图文

1、上海环球金融中心结构基于性态的抗震设计研究吕西林朱杰江邹昀。f硒济人干上木工程防灾围家重点实验奄.I:澍21m09"2摘要:本文基于抗震性态设计的思想,确定了上海环球金融中心结构的抗震性能目标,对7度小震、中震.大震和8度大震作用下分别提出了相应的性能目标参数.对该结构进行了精细有限元弹性分析,弹塑性时程分析和节点应力分析,此外还进行了整体振动台模型试验和主要节点试验,理论分析与试验结果起到了相互验证.相互补充的效果.通过对这些结果的综合研究表明:上海环球金融中心结构能够满足不同地震水准作用下的抗震性能目标.关键词:上海环球金融中心;弹塑性时程分析;振动台试验,节点试验,抗震性态设计

2、1工程介绍建设中的上海环球金融中心位于上海陆家嘴金融贸易区.系一栋以办公为主,集商贸、宾馆、观光、展览及其它公共设施于一体的大型摩天大楼。主楼外形见图1.主楼地下3层,地上101层,地面以上高度492m,拟建成目前世界上主体结构最高的建筑物。该建筑物的主楼建筑面积为252935m2.郡房建筑面积为33370m2。地下室为63751m2,总建筑面积为350056m2。典型楼层平面见图2图4.该建筑物采用由巨型柱、巨型斜撑以及带状桁架构成的三维巨型框架结构、钢筋混凝土核心筒结构和连接核心筒和巨型柱的伸臂钢桁架结构所组成的三重结构体系。三重结构体系见图5图7。圈1上海环球金融中心立面效果图3中部区域

3、楼层平面妖声/L;:。”M一“墨('gm莹;e”>活一螺70(o图2底部区域接屡平面闵r隧o8盆.5730圈4上部区域楼层平面l基金项目:国家自然科学基金唆助项目(50321803:巾口合作研究项目资助:上海市科技发展基金资助项目作者简介吕西林(1955一.男.耿心岐ilJ人,博士.教授. 198型拄状桁絮图5巨框架结构体系 图6核心筒结构体系围7伸臂结构体系上海环球金融中心结构体系的复杂性主要体现在以下几个方面:(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。核心筒在79层以下采用钢筋混凝土剪力墙,79层以上则采用钢支

4、撑体系;巨型斜撑、伸臂采用钢管混凝土:带状桁架采用钢桁架:巨型柱采用型钢混凝土;.(3沿结构高度方向设置了三道伸臂。伸臂桁架采用三层高的钢桁架。(4沿结构高度方向每12层设置一个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。鉴于上海环球金融中心结构体系及结构布置的复杂、结构高度及体型的超限,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旋外,有必要对该结构进行基于性态的抗震设计研究,以更深入、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

5、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%、lO%着U23%。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 5IJ(J.0150.-0d00.O E 350.0E d 300.0霉250.0200.0150.O 100.O 50.O O.O 7/r <,f71/f (jI>+7度多遇+7度罕遇1r ./j 500.0450.0400.Ol 350.0笔300.0口萋250.o 200.0150.O100.O50.0O.

6、O46810.0510层间位移角(1/1000层问位移角(I/1000x方向Y方向图11不同地震水准作用下结构屡间位移角包络图4.3节点应力分析为了确保节点的抗震性能,根据上海市超限高层抗震专项审查的意见,对该工程的重要节点需进行试验研究和应力分析,验证在7度大震下节点是否基本保持弹性性质16l。节点楼层选在54层和55层之间,其位置为巨型柱和带状桁架的连接处(见图12。4.3.1试件设计综合考虑实验设备能力和对钢骨混凝土试件的加载要求,确定试件与原型结构的比例为l:7。采用了两种性质的试件:一种为钢骨试件(仅作为与钢骨混凝土试件的对比之用,见图13及图14;另一种为钢骨混凝土试件,见图15。

7、每种试件均为两组。r /,厂。/f一、/f 一1nA/A1啊。咖1O。,90U 斧磲毡2I ,rV1乱e-x5c /j 10,!q 茧1m矿q (420'。oT.6。i图13选择试件的楼层及构鳓布置图12试验节点平面位置 图'4钢骨试件大样 凰15钢骨钢筋混滠±逮件4.3.2有限元计算分析采用大型通用有限元软件ANSYS对试件进行了静力分析和屈曲分析。钢骨试件实体有限元分析的结果同试验实测值基本吻合。节点区域应力应变测点布置及应力云图见图16。从图中可以看出,在相当于7度小震下,节点区域最大应力为28MPa,根据简单推算,在7度大震下,节点区域弹性应力为168MPa,

8、远远低于345MPa的钢材屈服应力;在8度大震下,节点区域弹性应力为305MPa,也未达到屈服。弹性屈曲第一模态的特征值205,相当于端部加载2050kN的情况,而7度大震、8度大震计算得到的端部荷载分别为1200kN、2182kN。因此在7度大震作用下,节点不可能发生弹性屈曲破坏,即使在8度大震下,节点也刚刚达到屈曲。5结构试验研究5.1整体模型振动台试验u5.1.1试验模型的简化由于原型结构非常高,为了满足实验室制作场地高度的要求,采用了小比例的几何相似关系1/50。根据相似关系的要求,模型材料一般应具有尽可能低的弹性模量和尽可能大的比重,同对在应力一应变关系方面尽可能与原型材料相似。基于

9、这些考虑,上海环球金融中心的动力试验模型由微粒混凝土、紫铜、铁丝制作。一为了解决小比例模型的施工问题,本试验对结构模型进行了部分简化,简化依据建立在理论分析和对比计算的基础上。具体简化办法是;对于除带状桁架、伸臂桁架、筒体转换等特殊楼层外的标准层,每隔一层抽去一层楼板;被抽去楼层的荷载均平分至该楼层的上、下相邻层。简化以后试验模型结构的层数为63层。利用有限元软件ANSYS对该结构进行了两种对比计算,一是计算原结构,二是计算抽去部分标准层楼板后的简化结构。计算结果表明,简化前、后结构的自振周期的最大差异是2.33%;不同地震作用下的动力反应差异不大,如结构层问位移的最大差异为5.59%,层间位

10、移角的最大差异为8.15%,结构层间位移角沿竖向的分布特征无显著改变。这一结果表明,对试验模型进行简化是可行的。5.1.2试验过程模拟地震振动台试验的台面激励的选择主要根据地震危险性分析、场地类别和建筑结构动力特性等因素确定。试验时根据模型所要求的动力相似关系对原型地震记录作修正后,作为模拟地震振动台的输入。根据设防要求,输人加速度幅值从小到大依次增加,以模拟多遇到罕遇不同水准地震对结构的作用。在遭遇强烈地震作用后,模型结构的频率和阻尼比都将发生变化。在模型承受不同水准的地震作用前后,一般采用白噪声对其进行扫频,得到模型自振频率和结构阻尼比的变化,以确定结构刚度下降的幅度。根据7度抗震设防及类

11、场地要求,选用了3条地震波作为振动台台面激励:EL Centro地震波、SanFemando地震波和上海人工地震波SHW2。试验加载工况按照7度多遇烈度、7度基本烈度、7度罕遇烈度和8度罕遇烈度的顺序分4个阶段对模型结构进行模拟地震试验。地震波持续时间按相似关系压缩为原地震波的1112.49,各水准地震下,台面输入加速度峰值均按有关规范的规定及模型试验的相似关系进行了调整。5.1.3试验结果一、试验现象描述1.7度小震试验阶段各地震波输入后,模型表面未发现可见裂缝。地震波输入结束后用白噪声扫描得到模型结构前三阶频率分别为2.306Hz(x向平动、2.306Hz(y向平动、5.290Hz(扭转,

12、与弹性自振频率相同,说明结构尚未发生微小裂缝,本试验阶段模型结构处于弹性工作阶段,模型结构满足“小震不坏”的抗震性能目标。,2.7度中震试验阶段,。未发现裂缝,白噪声扫描得到模型结构前三阶频率分别为2.17Hz(x向平动、2.17Hz(y向平动、7.687Hz(扭转,结构的自振频率略有下降,基本处于弹性工作阶段。一3.7度大震试验阶段外观观察还未发现明显的破坏现象,结构轻微开裂,自噪声扫描得到模型结构前三阶频率分别为2.035Hz(x向平动、2.035Hz(y向平动、7.189Hz(扭转,结构的自振频率继续下降,但下降幅度不明显。4.8度大震试验阶段巨型柱出现多处可见裂缝、4局部混凝土压碎,型

13、钢柱出现压屈现象,但模型结构未倒塌。白噪声扫描得到模型结构前三阶频率分别为1.628Hz(x向平动、1.763Hz(y向平动、3.847Hz(扭转,与7度大震后的自振频率比较有一个明显的下降。8度大震后拍到的模型结构破坏情况见图16、图17。破坏较严重的区域集中在56层,其余区域破坏现象不明显。 图168度大震后57层巨型柱破坏情况 囱178度大鬣后12层巨型柱破坏情况二、模型结构位移反应.1.在7度小震下,层间位移角最大值为:X方向1/539、Y方向1/707。小于高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3.2002的限值1/500的要求。一2.在7度大震下,层间位移角最大值为:x方向1/127、

14、Y方向1/151。小于高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3.2002的限值1/100的要求。5.2节点试验节点试件见图14、图15,节点区域各构件名称见图18。图'8节点区域各构件名称5.2.1钢骨试件实验结果.相应于F杆在1.05倍小震荷载水平下,F-A杆发生平面外失稳。在所施加的荷载条件下杆件的平面外失稳破坏先于其他破坏模式发生;一节点的塑性发展迟于杆件的塑性发展,54层节点在靠近F杆(对应53层柱段附近的塑性发展缘子试验中杆件平面外发生的失稳变形;节点行为表现出非铰接节点的性能。由于节点局部区域内存在的相连杆件都是线刚度较大的杆件,对这些杆件分析时,考虑节点的非铰接性质将更加符合

15、实际情况。5.2.2钢骨混凝土试件1.试验现象描述在7度小震和7度中震之间,F杆区域混凝土表面观察到若干垂直于杆轴方向的微小裂缝,但在荷载循环中。该裂纹没有进一步发展。钢骨测点的所有应交保持弹性范围内:在7度中震和7度大震之间,F杆区域混凝土表面在垂直杆轴方向裂纹生长的同时,出现若干斜向裂纹；钢骨测点除个别点外保持在弹性范围； 在度人震，杆区域混凝十表面出现若干平行杆轴方向的裂纹，：点区混凝土表面出现 斜裂纹杆、杆钢骨与：钳点区表面混凝土之间出现裂隙。杆、杆外露在节点区外的钢骨 测点应变超过钢材屈服应变。节点区钢骨的测点应变仍在弹性范围： 对试件施加了相当于度大震地震水平倍的荷载时杆以外靠近约

16、束区处混凝十部分 被压碎；试件在荷载保持不变的情况下变形增长 钢骨混凝土有效阻止了纯钢骨试件中发生的杆件平面外的失稳； 构件破坏现象主要为混凝土表面裂纹的发生和开展，包括杆件周边混凝土和节点区外包混凝 土在内但是直至罕遇地震水平下仍不影响构件的承载能力； 节点试验结论 钢骨混凝土节点试件在相当于度小震荷载水平下裂缝的发展和生长不明显。 在相当于度大遇地震水平的荷载作用下，钢骨混凝土试件的节点基本保持弹性性质。 对试件追加了超过度罕遇地震水平倍的荷载作用，在此情况下，钢骨混凝土节点内的 钢骨仅有个别点发生少量超屈服应变，节点区内箍筋基本保持弹性。由于试件中混凝土和节点板 钢骨的强度都比结构设计所

17、定强度值低，试件中对应柱段的混凝土面积较实际为小，因此在实际 结构中该节点还可期望有更大的保持弹性的能力 结论 根据该工程重要性程度和超限情况，合理确定了该结构的抗震性能目标，并提出了一些量化 的目标参数。 采用通用软件对该结构进行了精细有限元分析，得到了该结构在弹性状态下的抗震 性能，采用自编程序进行了弹塑性时程分析，掌握了该结构在不同地震水准作用下结 构的开裂、屈服以及破坏程度。 整体振动台模型试验和节点试验所得到的结果对理论分析成果起到了一个很好的验证作用， 同时对结构抗震性能的评定也是一个不可或缺的补充。通过详细的理论分析和试验结果，可以得 出该结构能够满足本文所制定的结构抗震性能目标

18、，具体结论如下： （）在度小震作用下，精细有限元分析得到的层间最大位移角为：（方向）、， 方向）；度小震地震波作用下，弹塑性时程分析得到的最大层间位移角分别为（方向）、 ，方向）。它们均满足了规范的要求。理论分析和试验结果表明：度小震作用后 结构自振周期基本不变，构件和节点中的应力不大，也无开裂现象发生，因此结构处于弹性工作 状态。满足度小震的结构性能目标。 （）在度中震作用下，弹塑性时程分析和整体振动台模型试验结果表明：结构自振周期变 化很小。裂缝未有明显发生，构件中的应力远未达到屈服；节点试验也表明节点区域在弹性工作 状态。因此结构基本处于弹性工作状态。满足度中震的结构性能目标。 （）在度

19、大震作用下。弹塑性时程分析得到的最大层间位移角分别为方向）、 （ 方向）：整体振动台模型试验得到的最大层闯位移角分别为：（方向）、（方向），它们 均满足规范的弹塑性变形要求。试验和理论分析表明结构未出现明显的薄弱楼层，节点区 域钢骨应变仍在弹性范围之内，满足度大震的结构性能目标。 （）在度大震作用下，节点仍能维持良好的工作性态，整体振动台模型试验表明：结构在 第层出现了严重开裂，局部混凝土被压碎，但结构的其它区域仍未发生明显的破坏迹象， 能维持结构不倒塌的工作状态，满足度大震的结构性能目标。 参考文献 同济大学土木工程防灾图家重点实验室（吕西林，卢文胜。邹昀等）上海环球金融中心大厦结构模型模拟

20、地震振动台试 验研究报告】上海：同济大学 ¨济人譬结构工程防灾研究所吕两林畿江等）两环球金融中心结构抗震强分折报六：海：阍济人学， （）¨ 同济大学结构工程与防灾研究所吕两林，未杰江等）：海环球金融巾心人厦结构弹塑性榉分折研究报告【】，：海； 同济大学， ： ， 吕西棒。金图芳。吴晓涵，钢筋混凝土结构非线性有艰元理论与应用【川，上海：同济大学出版社， 同济大学土木工程防灾国家重点实验室（沈祖炎陈以一等），上海环球金融中心大厦节点试验研究报告】，上海：同 济大学 朱杰江，吕西林复杂体型高层结构的推覆分析方法和应用】地震工程与工程振动，（）： 吕西林。朱杰江。刘捷上海环球金融中

21、心结构简化弹塑性时程分析及试验验证【】地震工程与工程振动。 （）： 上海环球金融中心结构基于性态的抗震设计研究 作者： 作者单位： 吕西林， 朱杰江， 邹昀 同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092 相似文献(10条 1.期刊论文 朱杰江.吕西林.邹昀.Zhu Jiejiang.Lu Xilin.Zou Yun 上海环球金融中心模型结构振动台试验与理论 分析的对比研究 -土木工程学报2005,38(10 建设中的上海环球金融中心是目前世界上主体结构最高的建筑物.对该建筑进行了1:50比例的微粒混凝土整体模型的地震模拟振动台试验.采用自编 的高层钢筋混凝土结构弹塑性时程分析程序(T

22、BNLDA对振动台模型结构进行了弹塑性时程分析,并和试验数据进行了对比分析.研究了模型结构的动力特 性,以及在7度多遇、7度基本、7度罕遇和8度罕遇地震烈度作用下的结构位移反应,研究了模型结构的地震剪力系数,以及模型结构的破坏型式.试验与理 论分析取得了基本一致的结果,起到了相互验证的作用并为该建筑物原型结构的弹塑性时程分析提供了参考.初步研究结果表明该结构能够满足小震不坏 、中震可修、大震不倒的抗震设防要求. 2.期刊论文 吕西林.龚治国.L(U Xi-lin.GONG Zhi-guo 某复杂高层建筑结构弹塑性时程分析及抗震性能评估 -西 安建筑科技大学学报（自然科学版）2006,38(5

23、近年来框架-核心筒结构在高层建筑中广泛应用,并且由于建筑功能的多样化使得结构体型越来越复杂,因此这就对复杂高层建筑结构分析和设计提出 了新的要求.以上海世茂国际广场大楼这一实际工程为背景,对其开展弹塑性时程分析,探究该结构体系在各级地震作用下的抗震性能.首先建立了结构简 化分析模型,选择了结构材料应力-应变关系和分析参数;接下来利用CANNY2005程序对模型振动台试验进行模拟计算,考察所采用的力学分析模型和计算参 数的正确性,结果表明这些模型和参数能比较准确模拟框架-核心筒结构在地震作用下的变形特征;然后最后对原型结构在各级烈度地震作用下的变形进行 分析,具体研究了该结构的层间位移角分布、典

24、型构件变形模式;最后从整体上对结构的抗震性能做出相应的评价.目前该高层建筑业已竣工投入使用. 3.期刊论文 吕西林.孟春光.田野.Lü Xilin.Meng Chunguang.Tian Ye 消能减震高层方钢管混凝土框架结构振动台 试验研究和弹塑性时程分析 -地震工程与工程振动2006,26(4 本文首先介绍了一幢安装了粘滞阻尼器的复杂体型高层方钢管混凝土框架结构的1/15缩尺模型的模拟地震振动台试验结果;在此基础上,建立了梁、 柱构件的多弹簧模型并组建了整体结构的计算分析模型,运用此计算模型首先对试验模型结构进行了动力弹塑性时程分析,计算结果和试验结果吻合较好 ,验证了计算模型的

25、正确性;最后,以同样方法对原型结构进行了计算分析,并结合试验结果研究探讨了此结构的抗震性能和阻尼器的消能减震效果.结果表 明:该结构未出现明显的薄弱层,能够满足规范的抗震设防要求,阻尼器发挥了一定的消能减震效果,进一步提高了结构的抗震性能. 4.期刊论文 郭健.刘伟庆.霍瑞丽.臧亚明.GUO Jian.LIU Wei-qing.HUO Rui-li.ZANG Ya-ming 异形柱框架-抗震墙 结构振动台试验与理论分析 -江苏大学学报(自然科学版2008,29(4 通过12层钢筋混凝土异形柱框架-抗震墙结构模型的模拟地震振动台试验及弹塑性理论分析,研究了该结构体系的动力特性、不同烈度地震作用下

26、的 反应及破坏形式.结果表明该结构体系拥有优越的建筑功能,在地震作用下呈弯剪型变形特征,传力明确,受力合理,具有良好的抗震性能和较强的抵御罕遇 地震的能力,满足了小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设防要求,适于在中高层住宅中应用. 5.期刊论文 郭健.刘伟庆.GUO Jian.LIU Wei-qing 钢筋混凝土异形柱框架-短肢剪力墙结构振动台试验与理论分析 -西安建筑科技大学学报（自然科学版）2007,39(5 异形柱框架-短肢剪力墙结构是一种新型结构体系.文中通过12层钢筋混凝土异形柱框架-短肢剪力墙结构模型的模拟地震振动台试验以及弹塑性理论 分析,研究了该结构体系的动力特性、不同烈度地震

27、作用下的反应及破坏形式.结果显示,该体系拥有优越的建筑功能同时,在结构上传力明确,受力合理 ,满足了小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设防要求,适用于小高层住宅. 6.会议论文 田春雨.肖从真.曹进哲 万科中心模型振动台试验研究及弹塑性时程分析 2008 万科中心为体型复杂的筒体拉索混合结构体系，具有平面不规则、扭转不规则、较大的跨度和悬挑、竖向构件不连续等多种抗震不利因素，为研 究结构的抗震性能，对其进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析和1:25的模型模拟地震振动台试验研究。结果表明万科中心结构可以满足抗震规范中 规定的三个阶段的设防要求，并满足本结构设计过程中提出的性能要求，结构具有良好的

28、延性和耗能能力。结构弹性及弹塑性分析结果与模型测试结果 基本吻合，说明模型测试结果能够代表原型结构的性能;也说明分析结果是可信的。 7.期刊论文 吕西林.卢文生 R.C.框架结构的振动台试验和面向设计的时程分析方法 -地震工程与工程振动 1998,18(2 钢筋混凝土框架结构的弹塑性时程反应分析是抗震设计规范所要求的一项重要内容,但目前还没有比较简单实用且计算可靠的方法.本文进行了两个 六层钢筋混凝土框架结构模型的地震模拟振动台试验,通过分析试验模型的自振特性、变形型式、加速度反应、位移反应和破坏形态以及钢筋混凝土框架 结构的实际震害,建立了面向设计的钢筋混凝土框架结构弹塑性时程反应分析的计算

29、方法.在这一方法中,对钢筋混凝土框架整体结构采用层间剪切模型 ,对钢筋混凝土柱采用四线型恢复力模型,恢复力模型的控制点参数可以按本文给出的方法来确定.通过与振动台试验结果的对比,表明按本文提出的方法 计算的钢筋混凝土框架结构的弹塑性地震反应与试验值符合较好,且本文方法简单易行,便于在工程设计中应用. 8.期刊论文 韩小雷.陈学伟.郑宜.彭樵斌.HAN Xiaolei.CHEN Xuewei.Jack CHEANG.PENG Qiaobin 足尺钢框架振动 台试验及动力弹塑性数值模拟 -地震工程与工程振动2008,28(6 本文通过有限元分析程序OpenSees对一足尺四层钢框架结构进行静力及动

30、力弹塑性分析,结构构件采用自由度较少的纤维模型模拟.在振动台试验之 前,预测足尺钢框架结构连续在小震、中震及大震作用下的响应,将预测分析结果与振动台试验结果进行对比,结果显示该数值模拟方法能很好地反映结构 的弹塑性行为及破坏机制,准确预测结构的地震响应及大震下结构倒塌时间.这进一步说明基于纤维模型的整体结构弹塑性分析方法,由于自由度数少,适 用于整体结构抗震分析. 9.学位论文 陈建斌 高层建筑方钢管混凝土组合结构非线性地震反应分析理论与试验研究 2005 目前，国内方钢管混凝土结构应用于高层建筑的工程实例并不多。但由于其节点连接简单、施工方便和外形规则的特点，正越来越受到重视。高层 建筑外形

31、日趋新颖，体系渐为复杂。而方钢管混凝土高层建筑，在大震下的非线性地震响应情况还并不为人们所熟知。在大震没有到来之前，计算和考 察其整体以及局部的动力反应，预估失效模式和破坏状况，提出补强措施，确定经济合理的设计目标和方法，无疑是有意义的。 本文总结了结构 分析的单元模型和整体计算模型；钢和混凝土的单轴和多轴本构关系。随后在钢管混凝土统一理论的基础上，提出了简化的三线型随动强化滞回模型 ，采用三维空间杆系建立结构的整体计算模型。 首先完成了结构在小震状态下的静力和反应谱计算。对于这种平面为“L”型并且沿楼层高度不断 旋转布置的复杂结构体系，给出了解决扭转效应的方案，提出了合理的刚度布置措施。在此基础上，采用通用非线性有限元方法，考虑材料非线性，根 据简化的方钢管混凝土三线型随动强化模型，生成三种新材料，用以模拟三种截面的钢管混凝土柱，进行了结构整体的弹性和弹塑性时程分析。计算表 明，弹性时程分析结果大致与反应谱结果成正比；弹性阶段结构的响应大致与