上海国际金融中心三塔连体结构廊桥连接形式分析

上海国际金融中心三塔连体结构廊桥连接形式分析
杨钦
【摘要】上海国际金融中心由“上海金融交易广场上交所”、“上海金融交易广场中金所”和“上海金融交易广场中国结算”三幢高层塔楼和相连的整体地下层组成的建筑群.塔楼的总高度为220m(上交所),200m(中金所)和163m(中结算).三幢塔楼在7层、8层和9层由三层轻型廊桥连接成整体结构.本文采用通用有限元程序Abaqus对该三塔连体结构进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析,并着重分析对比了塔楼与廊桥不同连接形式对廊桥位移、受力性能的影响,为该结构及其他类似结构的性能设计提供参考.
【期刊名称】《土木建筑工程信息技术》
【年(卷),期】2016(008)002
【总页数】11页(P66-76)
【关键词】动力弹塑性;三塔连体结构;连接形式;性能设计
【作者】杨钦
【作者单位】华东建筑设计研究院有限公司,上海 200011
【正文语种】中文
上海国际金融中心项目，由“上海金融交易广场上交所项目”，“上海金融交易广场中金所项目”，“上海金融交易广场中国结算项目”三幢高层塔楼和相连的整体地下层组成的建筑群。

塔楼的总高度为220m(上交所)， 200m(中金所)和
163m(中结算)。

塔楼的楼层数分别为38层、36层及28层。

塔楼底层L01地下
有5层的地下室，层高不等。

塔楼平面为矩形，边长为72m×72m(上交所)，
54m×72m(中金所)和42m×72m(中结算)。

外形在塔楼通高保持不变。

楼面的形
状和层高均有变化。

每个塔楼的水平支撑由两个对称的混凝土核心筒组成，核心筒由三对分布在不同高度的钢结构支撑连接，核心筒贯穿塔楼整个高度。

为了增加横向刚度和减少水平位移，增加设计了联系两个核心筒的横向钢桁架。

三幢塔楼在7层、8层和9层由三层轻型桥连接成整体结构。

桥的总跨度超过158m，通过两个中间电梯井支撑将跨度分割为三跨，两端37m和中间84m。

三幢塔楼在大多数楼层平面内均有大面积的楼板开洞，属于平面不规则结构。

主体结构采用框架-核心筒体系，外框架为圆钢管混凝土柱、钢框架梁。

钢管混凝土柱
截面为Φ1200x1140～Φ900x860。

核心筒采用钢筋混凝土剪力墙体系，外墙厚750～400mm，内墙厚500～300mm。

廊桥采用空腹箱梁附加组合型桥面的设
计(箱梁截面尺寸见图4所示)。

每层桥的结构高度大约为3.50m，剩余的桥面之间的净高度仍然有接近6.50m。

廊桥自身通过电梯井与基础底部固结，并在三个桥
面的端部与三幢塔楼连接成整体结构。

为了使廊桥和塔楼之间的相互影响达到最小，对塔楼和廊桥的不同连接形式进行分析，研究廊桥与塔楼不同的支座连接形式对廊桥及整体结构的影响，并对其进行评价。

目前常用的弹塑性分析方法从分析理论上分有静力弹塑性(pushover)和动力弹塑
性两类，从数值积分方法上分有隐式积分和显式积分两类。

本工程以ABAQUS作为求解器进行弹塑性分析，采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，这种分析方法未作任何理论的简化，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应，具有如下优越性：
(1)完全的动力时程特性
直接将地震波输入计算模型进行弹塑性时程分析，可以较好地反映在不同相位差情况下构件的内力分布，尤其是楼板的反复拉压受力状态；
(2)完全的几何非线性
结构的动力平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，可以精确的考虑“P-Δ”效应、非线性屈曲效应、大变形效应等非线性影响因素；
(3)完全的材料非线性
直接在材料应力-应变本构关系的水平上进行模拟，真实的反映了材料在反复地震
作用下的受力与损伤情况；
(4)采用显式积分，可以准确模拟结构的破坏情况直至倒塌形态。

混凝土材料采用弹塑性损伤模型，当混凝土材料进入塑性状态后，其拉、压刚度降低如图6、7，混凝土受拉、受压损伤系数分别由dt和dc表示。

反复荷载下材料拉、压刚度的恢复如图8，当荷载从受拉变为受压时，混凝土材料的裂缝闭合，抗压刚度恢复至原有的抗压刚度；当荷载从受压变为受拉时，混凝土材料的抗拉刚度不恢复。

混凝土材料轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《钢筋混凝土设计规范》附录C采用。

钢材本构采用二折线动力硬化模型模拟钢材在反复荷载作用下的σ-ε关系，并控
制最大塑性应变为0.025，钢材的弹性模量为Es，强化段的弹性模量为0.01Es，
如图9所示。

程序中考虑了在反复荷载作用下，钢材的包辛格(Bauschinger)效应。

梁、柱、斜撑等线构件，采用截面纤维模型单元B31。

并考虑下述条件：Timoshenko梁，考虑剪切变形；截面剪切刚度计算如下：
Kα3=kGA
采用上述混凝土弹塑性损伤模型本构关系；
转角和位移分别插值，是C0单元，容易和同样是C0单元的壳元连接；
采用GREEN应变计算公式。

考虑大应变的特点，适合模拟梁柱在大震作用下进入塑性的状态。

在梁、柱截面设有多个积分，用于反映截面的应力应变关系，截面积分点可由程序自动设置，也可以由人工自己定义，图10为几种标准截面积分点设置情况。

对于不规则截面则按图11方式定义。

楼板采用ABAQUS中S4R壳单元，可考虑下述条件：
采用弹塑性损伤模型本构关系；
可考虑多层分布钢筋；
转角和位移分别插值，是C0单元，与梁单元的连接容易；可模拟大变形、大应变的特点，适合模拟剪力墙在大震作用下进入塑性的状态。

考虑到恒荷载是随着施工过程的进展逐步施加在结构之上，所以首先对结构进行施工过程模拟分析。

在分析过程中结构构件随着施工阶段的进行逐步被引入模型，相应的恒荷载也同时被引入计算模型。

在施工阶段完成之后，再把0.5倍的活荷载施加在整体结构上进行“恒+0.5活”的荷载工况计算。

在后续的地震分析中，重力荷载代表值(恒+0.5活)一直作用在结构上。

在本工程的分析中，每个楼层采用1个施工步，另廊桥部分在结构主体施工全部完成后再施工安装。

施工步完成后，对结构进行“恒+0.5活”加载，共有41个加载步。

本项目位于上海地区，因此选取上海地区的5组天然波和2组人工地震波。

采用两向输入，主次方向和竖向的幅值比值为1： 0.85，每组波交换主次方向进行两次计算，共计14个地震波输入工况。

地震波的峰值按照项目所在地区7度区加速度峰值200cm·s-12选用。

计算持续时间根据地震波的衰减特性取35s～70s，满足大于结构第一自振周期5至10倍的要求。

廊桥与塔楼之间的连接形式对整体结构的动力特性和受力性能具有重要影响，因此本文采用通用有限元程序ABAQUS分别对该三塔连体结构和廊桥的不同连接形式进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。

分别分析廊桥与上交所和中结算相连的支座两端橡胶阻尼、两端铰接、两端刚接、两端滑动以及廊桥与中金所考虑橡胶
阻尼、铰接、刚接、滑动等不同的连接方式对廊桥及整体结构受力性能的影响，并对其进行评价，为该结构及其他类似结构的性能设计提供参考。

上海国际金融中心结构模型见图12所示。

分析廊桥与主体结构连接的支座分别为橡胶阻尼支座连接、铰接、刚接和滑动时结构的周期，具体如下。

由表1可以看出，廊桥与上交所和中结算不同连接形式对整体结构周期的影响很小，而廊桥与中金所不同连接形式对中金所单体的周期有一定的影响，但总体影响均很小。

因为该连体结构与常规连体结构有所不同，该连体结构通过廊桥连接，而廊桥自身通过电梯井与基础底部固结，因此廊桥为自成体系。

同时从表2周期可以看出廊桥刚度相对于三个独立塔楼的刚度大很多，而仅仅通过廊桥与塔楼的6个连接节点作用，无伸臂桁架或其他加强连接的措施，塔楼之间通过廊桥相互影响就很小，塔楼之间的振型还是相对比较独立的。

因此，仅仅通过廊桥与塔楼之间的连接方式不同对整体结构的影响有限。

分析不同的地震响应对廊桥水平位移和竖向位移的影响，以便于设计人员根据不同要求设计不同的支座形式。

本节分析整体结构在X向地震波作用下大震、中震和小震时的时程响应，总结出廊桥与塔楼之间的相对变形情况。

廊桥与塔楼采用橡胶阻尼支座，相对X向最大水平位移见表3-4，相对X向水平位移位移曲线见图
16-18。

在不同地震相应下分别计算廊桥与塔楼相连处节点廊桥和塔楼的位移，计算结果见表3。

从表3及图17-18可以看出，塔楼和廊桥支座处的节点X向位移均随着地震力的增加而增大，水平位移基本上与地震力呈线性递增关系。

在不同地震相应下分别计算廊桥与塔楼相连处节点廊桥和塔楼的相对位移，计算结果见表4。

由表4可以看出，分别在小震、中震和大震作用下，随着地震力的增大，廊桥与
中结算相对X向水平最大位移近似满足线性递增关系。

而廊桥与上交所相对X向
水平最大位移中震与小震相差不大，从时程曲线可以看出，廊桥与上交所单体在中震作用下，水平位移振动响应方向相对比较一致，因此，廊桥与上交所单体水平X 向位移部分相互抵消，导致中震下X向水平相对位移较小。

从以上分析可以看出，廊桥与单塔之间的相对位移并不是随地震力的增大而呈现规律性的变化，除跟地震力响应大小有关外，还与单体和廊桥本身的动力特性相关。

整体结构在X向地震波作用下分别分析廊桥与塔楼上交所和中结算连接时支座两
端阻尼、两端铰接、两端刚接以及两端滑动等不同的连接方式对廊桥水平位移和内力的影响，为设计人员在类似工程中提供参考。

(1)廊桥支座不同的连接方式对廊桥位移影响
廊桥支座不同的连接方式下廊桥最大X向水平位移见表5。

由表5可以看出，廊桥与塔楼刚接、铰接以及滑动连接时，廊桥水平位移相差不大，与通常观念上连体结构采用滑动连接时连体部分位移较大有所偏差。

分析其原因可知，该连接部分与一般连接体不同，该连接部分的廊桥通过两个电梯井与基础固结，自成结构体系。

因此三个单体及一个廊桥可以各自自成体系，各自抵抗地震响应，对比独立塔楼与整体刚接模型X向最大基底剪力可以看出(表6)，单体上交所和廊桥的最大基底剪力小于整体刚接模型，单体中结算的最大基底剪力大于整体刚接模型。

在整体模型中，单体上交所起“帮扶”廊桥作用，而廊桥对中结算起“帮扶”作用。

因此整体上，塔楼与廊桥在地震作用下互相之间作用的影响不大，它们之间的连接方式不同影响有限。

当廊桥支座采用阻尼连接方式时，支座起到耗能作用，因此可以适当降低廊桥的水平位移。

由表6-8可以看出，随着廊桥与塔楼连接方式的减弱，结构整体刚度的减小，因
此整体结构的基底剪力也减小，其中廊桥两端刚接时最大，廊桥两端滑动时最小。

而分析三连体结构中的单塔楼时，各塔楼的基底剪力并不是随着廊桥连接方式的减弱而减小，恰恰相反，随着廊桥连接方式的减弱各单塔楼各自的最大基底剪力均有所增加，由于廊桥连接方式的减弱，各塔楼的相互协调帮衬的能力减弱，当出现较大基底剪力时其他塔楼的协调帮衬能力减弱，因此出现了以上情况。

(2)廊桥支座不同的连接方式对廊桥受力影响
分析廊桥两端阻尼、两端铰接、两端刚接以及两端滑动等不同的连接方式对廊桥内力的影响，四种连接方式下廊桥钢构件应力的影响见表9所示。

由表9可以看出，采用不同支座连接方式对廊桥钢构件应力影响不大。

当采用两
端刚接时塔楼对廊桥影响最大，其次是铰接，最后阻尼和滑动。

两端刚接对钢构件应力的影响较两端阻尼大3.00%。

由上小节分析可知，各个塔楼与廊桥不同连接
方式下各个塔楼与廊桥的基底剪力变化不大，各个塔楼与廊桥在地震作用下互相之间作用的影响不大，它们之间的连接方式不同影响有限。

同时从表10也可以看出，随着塔楼与廊桥的连接节点的增强，塔楼与廊桥相互作用的最大水平地震力也增大。

两端刚接时塔楼与廊桥相互作用力最大，其次是铰接，最后阻尼。

支座不同连接方式塔楼与廊桥地震下相互作用的最大水平地震力如表10所示。

整体结构在Y向地震波作用下分析廊桥与中金所连接时支座阻尼、铰接、刚接以
及滑动等不同的连接方式对廊桥水平位移和内力的影响，为设计人员在类似工程中提供参考。

(1)廊桥支座不同的连接方式对廊桥位移影响
廊桥支座不同的连接方式下廊桥最大Y向水平位移见表11。

由表11可以看出，廊桥与塔楼刚接、铰接、阻尼以及滑动连接时，随着连接刚度的逐渐减弱，廊桥水平位移逐渐增大，与X向作用相应不一致。

分析其原因可知，在X向上，各个塔楼与廊桥不同连接方式下塔楼与廊桥的基底剪力变化不大，它
们相互之间作用影响很小。

而在Y向上，从表12可以看出，随着廊桥连接刚度的逐渐减弱，廊桥承担的基底剪力逐渐增大，而与之相连的中金所相应减小。

因此可以推出，在Y向上中金所对廊桥起到“帮扶”作用。

同时，随着廊桥与塔楼连接
方式的减弱，结构整体刚度的减小，因此整体结构的基底剪力也减小，其中廊桥刚接时最大，廊桥阻尼时最小。

(2)廊桥支座不同的连接方式对廊桥受力影响
分析廊桥阻尼、铰接、刚接以及滑动等不同的连接方式对廊桥内力的影响，四种连接方式下廊桥钢构件应力的影响见表15所示。

由表15可以看出，采用不同支座连接方式对廊桥钢构件应力影响较大。

当采用两端滑动连接时塔楼对廊桥内力影响最大，其次是阻尼，最后铰接和刚接。

两端滑动对钢构件应力的影响较两端阻尼大3.05%，两端刚接对钢构件应力的影响较两端
阻尼小36.9%。

由上小节分析可知，在Y向上中金所对廊桥起到“帮扶”作用，
中金所与廊桥的连接节点越强，塔楼对廊桥起到“帮扶”作用越大，因此滑动时廊桥钢构件应力最大，刚接时最小。

同时从表16也可以看出，随着塔楼与廊桥的连接节点的增强，塔楼与廊桥相互作用的最大水平地震力也增大。

两端刚接时塔楼与廊桥相互作用力最大，其次是铰接，最后阻尼。

支座不同连接方式塔楼与廊桥地震下相互作用的最大水平地震力如表16所示。

本文分别分析了廊桥与上交所和中结算相连的支座两端橡胶阻尼、两端铰接、两端刚接、两端滑动以及廊桥与中金所考虑橡胶阻尼、铰接、刚接、滑动等不同的连接方式对廊桥及整体结构动力性能的影响。

总结如下：
(1)廊桥与上交所和中结算不同连接形式对整体结构周期的影响很小，而相比于廊
桥与中金所不同连接形式对单体中金所的周期有一定的影响，但总体影响均很小。

因为该连体结构通过廊桥连接，而廊桥自身通过电梯井与基础底部固结，因此廊桥
为自成体系。

同时廊桥刚度相对于三个独立塔楼的刚度大很多，而仅仅通过廊桥与塔楼的6个连接节点作用，无伸臂桁架或其他加强连接的措施，塔楼之间通过廊
桥相互影响就很小，塔楼之间的振型还是相对比较独立的。

因此，仅仅通过廊桥与塔楼之间的连接方式不同对整体结构的影响有限。

(2)廊桥与单塔之间的相对位移并不是随地震力的增大而呈现规律性的变化，除跟
地震力响应大小有关外，还与单体和廊桥本身的动力特性相关。

(3)在X方向上，廊桥与塔楼刚接、铰接以及滑动连接时，廊桥水平位移相差不大，与通常观念上连体结构采用滑动连接时连体部分位移较大有所偏差。

分析其原因可知，该连接部分与一般连接体不同，该连接部分的廊桥通过两个电梯井与基础固结，自成结构体系。

三个单体及一个廊桥可以各自自成体系，各自抵抗地震响应。

在整体模型中，单体上交所起“帮扶”廊桥作用，而廊桥对中结算起“帮扶”作用。

因此整体上，塔楼与廊桥在地震作用下互相之间作用的影响不大，它们之间的连接方式不同影响有限。

当廊桥支座采用阻尼连接方式时，支座起到耗能作用，因此可以适当降低廊桥的水平位移。

(4)在X方向上，随着廊桥与塔楼连接方式的减弱，结构整体刚度的减小，整体结
构的基底剪力也减小，其中廊桥两端刚接时最大，廊桥两端滑动时最小。

分析三连体结构中的单塔楼时，各塔楼的基底剪力并不是随着廊桥连接方式的减弱而减小，恰恰相反，随着廊桥连接方式的减弱各单塔楼各自的最大基底剪力均有所增加，由于廊桥连接方式的减弱，各塔楼的相互协调帮衬的能力减弱，当出现较大基底剪力时其他塔楼的协调帮衬能力减弱。

(5)在X方向上，采用不同支座连接方式对廊桥钢构件应力影响不大。

(6)在Y方向上，廊桥与塔楼刚接、铰接、阻尼以及滑动连接时，随着连接刚度的
逐渐减弱，廊桥水平位移逐渐增大，与X向作用相应不一致。

由于在X向上，各
个塔楼与廊桥不同连接方式下各个塔楼与廊桥的基底剪力变化不大，它们相互之间
的作用很小。

而在Y向上，随着廊桥连接刚度的逐渐减弱，廊桥承担的基底剪力
逐渐增大，而与之相连的中金所相应减小。

即在Y向上中金所对廊桥起到“帮扶”作用。

同时，随着廊桥与塔楼连接方式的减弱，结构整体刚度的减小，因此整体结构的基底剪力也减小，其中廊桥刚接时最大，廊桥阻尼时最小。

(7)在Y方向上，采用不同支座连接方式对廊桥钢构件应力影响较大。

其中，采用
两端滑动连接时塔楼对廊桥应力影响最大，其次是阻尼，最后铰接和刚接。