上海剪力墙筒体结构超高层大厦结构抗震设计研究

1、罢上海中心结构傲抗震设计研究工程介绍办坐落于浦东陆熬家嘴商业中心按区的上海中心暗大厦是一幢综敖合性超高层建颁筑，其功能区般域包括办公、安商业、酒店、霸观光娱乐、会熬议中心和交易吧六大功能区域巴，具体分为大办众商业娱乐区耙域，低、中高版档办公区域，柏企业会馆区域败，精品酒店区鞍域，顶部功能把体验空间等。碍地上可容许建坝筑面积（安FAR吧）大约为扳380艾，拜000盎平米。其中包靶括地上捌120瓣层办公楼层（案塔尖高度为板632凹米，结构高度俺574.6米颁），还包括一隘个芭5斑层的商业裙楼哎用作奢侈品零拔售，办公和酒疤店大堂，饭店笆，会议和宴会叭等。此外，白5肮层地下部分设罢计用作零售、瓣泊车、

2、保养和跋机电功能。筒体结构Zone 8Zone 7Zone 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癌上海中心采用埃中心混凝土剪岸力墙筒体结构艾，通过8个加靶强层，与巨型扮型钢混凝土超傲级柱相连接，扒并同时将整个败建筑沿高度方岸向分为了9个胺区段。（Zo伴ne1 to敖 Zone 稗9）通过筒体岸结构与巨型柱按的共同作用，案承受竖向荷载拜、水平侧向力挨以及地震荷载板。加强层由空办间的外伸臂桁袄架、带状桁架版、以及空间杆胺件体系和楼板隘组成，带状桁捌架将外围的八笆根（上部区域隘四根）巨型柱岸圈成一

3、体，外唉伸臂桁架则将半巨型柱与核心氨筒联系在一起绊，传递水平以败及竖向荷载。挨上海中心结构把体系复杂：挨结构高度及高斑宽比都超过敖高层建筑混凝搬土结构技术规败程（JGJ疤3-2002俺）的规定限值板；伴结构类型为混挨合结构。中心袄为核心筒体，岸与外部四个巨凹型柱以及四个百巨型角柱构成唉结构主体；通捌过外伸臂将核安心筒与巨型柱扒联系在一起；拌通过带状桁架芭将巨型柱围成盎整体；带状桁熬架采用钢桁架氨；巨型柱采用埃型钢混凝土。阿沿结构高度方版向按每一个加耙强层设置一道拜外伸臂桁架。稗伸臂桁架采用昂两层高的钢桁白架。啊沿结构高度方叭向按每一个加霸强层设置一套哀带状桁架，把胺外围柱子的荷颁载传递给巨型啊

4、柱。捌建筑物采用了版多重抗侧力体扒系。坝鉴于此为了确隘保该建筑结构扒的抗震安全性般和可靠性，除白进行常规的计巴算分析、有效哀的设计手段和蔼构造措施外，白应当对该结构伴进行基于性态跋的抗震设计研肮究，通过非线瓣性有限元手段拌，更深入、直摆观、全面地研盎究该结构的抗摆震性能。抗震设防标准疤中国国家标准板建筑抗震设扳计规范（G跋B50011捌-2001）百采用“小震不般坏、中震可修搬、大震不倒”隘的设防目标，捌其对应于“小熬震、中震、大隘震”三个地震碍水准的发生概奥率，50年超阿越概率分别为跋63、10叭和23唉。罢本工程所处地邦区中国上海市哀的抗震设防烈稗度为7度。根蔼据中国国家标芭准建筑抗震疤设

5、防分类标准疤（GB50隘223），该昂建筑物的重要芭性等级为乙类肮，即在地震时邦其使用功能不瓣能中断或需尽板快恢复的建筑捌。因此该建筑把物的地震作用懊按7度考虑，隘抗震构造措施芭按8度考虑。半7度小震、中败震、大震和8半度大震所对应般的地震地面加鞍速度分别为3阿5gal、1败00gal、啊220gal盎、400ga哎l。扒上海属于软土盎地基，场地类坝别为颁奥类，对应的场肮地特征周期为搬0.9摆S叭。肮鉴于该工程的拌重要性和复杂按性，除满足现傲行设计标准外扒，特制定其抗鞍震性能水准如袄下：靶（1）7度小八震和中震作用颁下，结构基本翱处于弹性状态氨，结构完好无败损伤；佰（2）7度大澳震作用下，结皑

6、构构件允许开办裂，但开裂程拜度控制在可修奥复的范围内，扮开裂部位在可案控制的范围内芭，主要抗侧力稗体系（巨型框扮架，巨型斜撑俺）在按标准强奥度计算时不屈八服。按（3）在8度把大震作用下，氨结构可能出现蔼严重的破坏，熬但不能倒塌。柏拔借助非线性有翱限元分析软件碍Perfor霸m-3D对建昂筑的主体结构拜进行推覆分析般、地震作用下胺的时程分析，拌从而实现对结吧构抗震性能的把分析。结构性能目标扮（1）7度小蔼震和中震下的矮结构弹性状态耙层间位移角不稗大于1/50啊0，理论分析耙和模型试验中瓣结构不出现裂隘缝，钢筋应力斑不超过屈服强昂度，混凝土压笆应力不超过抗奥压强度的1/绊3，在地震作靶用后结构变形

7、埃基本恢复，节隘点处在弹性状哀态，地震作用笆后的结构动力哀特性与弹性状袄态的动力特性鞍基本一致。艾（2）7度大坝震下结构开裂皑程度和范围的瓣控制班层间弹塑性位鞍移角不大于1笆/100，巨瓣型框架、斜撑巴、伸臂等主要败抗侧力结构出按现轻微损坏和捌轻微裂缝，局八部区域允许构澳件内钢筋屈服昂；R.C.核颁心筒允许开裂瓣，但开裂处钢伴筋不屈服，按拔材料强度标准哎值计算的R.八C.核心筒的爸受剪承载力大挨于7度大震的绊弹性地震剪力疤；楼层梁端可疤以出现塑性铰绊，拉区钢筋屈扳服但未进入强唉化阶段，压区颁混凝土应变小笆于极限压应变蔼；主要抗侧力搬构件的节点未芭出现明显开裂矮且应力未达到袄屈服状态。白（3）8

8、度大按震下结构不发巴生倒塌耙主要抗侧力构按件开裂严重，敖压区和拉区钢白筋基本屈服，敖有一些已进入癌强化阶段，压哀区混凝土应变拌接近其极限压敖应变；主要节耙点进入屈服状袄态但不脱落。罢地震烈度吧频遇地震傲（小震）奥设防烈度地震碍（中震）拌罕遇地震阿（大震）矮性能水平定性扮描述版不损坏吧可修复损坏拌无倒塌疤结构工作特性佰弹性敖不屈服，允许跋少数次要把或耗能肮构件屈服懊允许进入塑性颁，控制薄弱层癌位移版层间位移角限百值佰h/5耙00半h/吧200敖h/100绊构件性能俺核心筒墙般按规范要求设跋计，保持弹性爸压弯验算按中澳震不屈服，剪巴力验算按中震霸弹性，整体受摆剪保持弹性啊允许进入塑性翱，控制塑性变

9、绊形扒，底部加强区拜不进入塑性凹巨叭柱邦按规范要求设瓣计，保持弹性捌验算按中震弹敖性，整体受剪哀保持弹性澳允许进入塑性埃，严格控制塑岸性变形暗环形桁架板按规范要求设哎计，保持弹性稗验算按中震弹坝性，整体受剪半保持弹性办允许进入塑性罢，严格控制塑爸性变形罢连梁拌按规范要求设瓣计，保持弹性板允许进入塑性隘即截面弯曲屈拌服，吸收部分鞍地震能量，但罢不允许剪切破案坏。鞍（百扮m靶ax=奥0.24的地拜震作用下，连白梁不屈服，八俺m懊ax=扒0.32的地矮震作用下，连板梁不发生扳剪切破坏瓣)*耙允许进入塑性斑，控制塑性变罢形，不得脱落靶，最大塑性角艾小于1/50结构模型信息跋4.1 结构办总模型信息佰上

10、海中心原有斑设计为地面以昂上9个区块，艾共计126层肮。由于结构非拜线性分析耗费扮大量的计算机敖时间。因此对瓣将对主体结构白进行一定的简哀化，从而完成案结构的非线性柏推覆以及时程鞍分析。Per敖form3D巴模型中简化后暗保留的楼层如盎下：阿区段扳 哀 拌 搬楼层百中部楼层跋结构加强层M哀EP挨Zone 1斑2, 3, 胺4, 5隘6, 7, 鞍8靶Zone 2盎14跋20, 21氨, 22癌Zone 3跋29百35, 36懊, 37皑Zone 4皑44按50, 51伴, 52熬Zone 5稗57，62百66, 67安, 68艾Zone 6哎75蔼82, 83笆, 84巴Zone 7哎92败9

11、9, 10埃0, 101埃Zone 8蔼109坝116, 1敖17, 11稗8扒Zone 9奥120, 1按23, 12绊5b, 12奥6埃水平面上假定俺楼板刚度无穷俺大，并且将荷坝载全部导算至叭节点处。因此巴建模过程中不翱考虑楼板以及氨相应的次梁，搬仅对主要构件昂进行建模以及阿定义。简化后啊模型拥有40白层，节点40柏54个，构件把种类包括：非半线性条带混凝颁土梁构件、非耙线性条带混凝扳土柱构件、非办线性已有截面爸型钢构件（梁按、柱）、非线隘性自定义截面胺型钢构件（梁般、柱）、非线案性条带剪力墙皑构件等；材料耙种类包括：混吧凝土(C35扳, C50,般 C60, 罢C70, C百80)，以及

12、拌钢 Q345案。Perfo敖rm3D 模摆型结构如图1背所示：H1H2颁4.2 材料凹信息混凝土0.51.0氨根据混凝土半结构设计规范挨条文说明-安附录C.2所斑规定的混凝土八非线性应力应暗变关系，如图肮1 所示，其啊中笆曲线的参数值霸，即峰值压应柏变 (俺c跋) 、上升段佰和下降段参数斑(矮a蔼、办d敖) 、下降段捌应变 (唉u靶) 等都随混耙凝土的单轴抗吧压强度值(霸f靶*芭c斑、N/mm版2凹) 而变化，白计算式如下：艾，本文中碍f邦*胺c矮取混凝土抗压癌强度的标准值凹。摆Perfor袄m3D中对混吧凝土的本构曲挨线采用如下形癌式：FRFUDLDRDXK0F=stress D=stra

13、in跋取FR / 肮FU = 0板.4, DR哎= 安扒u板 扳, DL= 挨(1+5%)艾蔼c澳, DX=(扒1+10%)澳吧u翱 把, 由式1可阿得到不同标号佰混凝土的对应败参数： 翱Ec / 案Mpa敖f哀cu扒 拔/ 背Mpa拌DL百DR搬DX碍C35跋3.15e4霸23.4板0.0016半0863拌0.0040版8494岸0.0044安9344唉C50耙3.45e4疤32.4芭0.0017肮6299背0.0037疤1658唉0.0040搬8824哀C60把3.6e4爸38.5啊0.0018半5559扒0.0036办276摆0.0039扳9036跋C70拔3.7e4澳44.5罢0.00

14、19拜3975俺0.0035凹8982澳0.0039跋488捌C80般3.8e4叭50.2跋0.0020拜1459柏0.0035氨7902斑0.0039隘3692钢瓣统一采用Q3俺45钢，E=拔2.1e8 暗kN/m班2岸，氨f隘y扒=7.83 跋kN/m耙2艾，般w=搬76.8 k暗N/m蔼3板，泊松比=0罢.3。百4.3 截面傲信息埃本文中采用非稗线性推覆及时半程分析软件P半erform绊3D对结构进拌行非线性分析扳，结构构件均敖采用非线性单八元：型钢结构斑杆件（梁、柱稗）均采用相同把截面的非线性版型钢梁、柱单唉元，材料受力搬过程中不发生氨屈曲；混凝土鞍梁单元（连梁哎）采用分层纤半维条带模

15、型，白混凝土超级柱癌单元则采用等芭效钢筋位置和皑面积的纤维模绊型，混凝土剪俺力墙采用纤维败条带模型。具芭体截面信息如靶下：败钢筋条数唉混凝土行八混凝土列阿总条带数叭配筋率胺连梁胺2扳5癌1矮7安3%跋混凝土墙柏3芭1埃5艾8昂1%霸超级角柱扳16肮8绊4氨48哀4%板超级柱癌16八8绊5跋56昂6%，8%钢筋条带混凝土条带等效钢筋条带混凝土条带等效跋巨型柱的型钢芭的等效原则遵蔼循：等效前后邦钢面积相等，拌相对于两轴极耙惯性矩相等。安结构非线性有邦限元推覆分析芭本文采用Pe绊rform3熬D三维非线性摆分析程序对上澳海中心结构模背型进行了三维背推覆模拟。推懊覆力分布于每霸一简化后的结半构层面，不

16、同埃层间的推覆力袄大小比例按照摆结构自振模态案分配，该比例拌在推覆过程中蔼保持不变。版结构的模态周艾期如下：阿Mode 1扒Mode 2暗Mode 3扳Mode 4碍Mode 5佰Mode 6拜周期/s鞍8.641拔8.351哀6.31碍3.184扒2.975般2.759肮推覆取用第一盎、第二模态作办为荷载加载依半据，水平推覆八荷载将按照模暗态形状分布。版采取按照模态昂形状加载的方艾法可以更加有哎效地寻找沿结扒构竖向的薄弱百层，使得推覆拜荷载分布更加颁合理。推覆采扳用50步分布耙加载，单步相佰对位移取值为瓣1/50的界绊限位移，界限稗位移取为7%叭，即单步相对奥位移取为0.昂14%。推覆阿过程

17、中考虑结案构的P-稗效应。结构巴的相对位移-稗底部剪力图如敖下图所示：拔结构在H1方摆向的推覆达到稗结构极限状态隘的过程中表现霸出较大的刚度俺和较好的抗震皑性能，结构的奥整体的变形稳氨定而协调。然把而在结构超过袄其极限状态后碍，结构变形突半然增大，下降澳段的位移增长般剧烈，反映在暗推覆的时程过蔼程中表现为在邦有限次荷载增唉长步内出现巨凹大的结构变形按和位移。结构肮在第五区与第扮六区交界处，挨第六区内出现摆较大的层间位哀移以及层间位绊移角，结构最岸终也是在第六把区内产生破坏版。在该区域第耙五区的交界处翱，结构的刚度岸突变较为明显吧。整体变形出白现不协调。结碍构在H2方向疤的推覆表现出绊相似的结果

18、，傲变形较大的薄岸弱层亦出现在把第六区，只不凹过H2方向的罢推覆较H1方安向更为稳定，按没有出现时程跋描述中的突变邦，极限状态以笆后变形的增长半也比较缓慢平暗稳。白结构的非线性埃性能评价：把通过结构的非柏线性推覆分析胺，我们可以评叭定出结构的整罢体抗震性能，安即推测出结构摆能够承受多剧隘烈的地震。根岸据Perfo疤rm3D的推懊覆结果，我们败可以通过绘制碍需求曲线（D氨emand 爸Curve）阿，通过换算不背同推覆荷载步癌（周期）下的巴结构基地剪力按，以及绘制基盎于我国规范的肮影响系数谱，颁了解结构在抵懊御不同地震和氨在作用下的响胺应情况。地震癌响应谱选取的敖是220ga盎l地震作用下鞍基于

19、FEMA颁356的地震拌响应谱，以及疤我国大震作用白下的地震影响坝系数谱。沿H懊1方向的推覆百分析结果如下拔图所示：袄基于我国抗震扒规范规定，可盎以看出结构H俺1方向，H2阿方向的性能曲扳线与地震影响昂系数需求曲线颁相交于12.胺4s、12.氨2s左右，说肮明结构具有在挨大震作用下抵拌抗地震的能力碍。瓣而基于FEM肮A356规范捌的性能反应谱斑曲线反应出结笆构能够在11澳.8s周期内拜穿越大振作用白下的反应谱曲拔线，能够满足拔多遇以及罕遇捌地震下的结构凹变形要求。啊针对结构在推拔覆和在作用下癌所显现出来的坝结构水平向位碍移的突变，可瓣能原子结构本跋身沿竖向的刚瓣度的突变。结皑构的2类巨型佰柱S

20、UPER袄 COLUM稗N 2截止于斑第五区顶层，俺自第六区向上氨巨型柱的数量佰减少为8根，凹并且截面面积版逐层减小；核搬心筒剪力墙的佰截面厚度也随班区域高度的增班加逐区减少，笆使得在第五区凹与第六区的交隘界处，结构刚柏度发生明显变艾化，有效抗侧碍力体系急剧减柏弱。并最终导把致推覆荷载作扮用下结构在该坝区域发生破坏碍。蔼结构非线性有胺限元时程分析隘时程分析所选唉用的地震波，昂根据安规范关于输入奥地震波的选用俺要求哎建筑抗震设计鞍规程（巴DGJ08半92003办），建筑抗震稗设计规范（拜GB5001办12001背，俺2008 稗版）碍场地类别要求按：上海地区为袄IV 矮类场地，设计哀地震分组为第岸一组。八数量：不少于八二组的实际强俺震记录和一组拔人