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
坐落于浦东陆家嘴商业中心区的上海中心大厦是一幢综合性超高层建筑，其功能区域包括办公、商业、酒店、观光娱乐、会议中心和交易六大功能区域，具体分为大众商业娱乐区域，低、中高档办公区域，企业会馆区域，精品酒店区域，顶部功能体验空间等。

地上可容许建筑面积（FAR ）大约为380，000平米。

其中包括地上120层办公楼层（塔尖高度为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，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
筒体结构
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
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Ⅳ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坏和轻微裂缝，局部区域允许构件内钢筋屈服；R.C.核心筒允许开裂，但开裂处钢筋不屈服，按材料强度标准值计算的R.C.核心筒的受剪承载力大于7度大震的弹性地震剪力；楼层梁端可以出现塑性铰，拉区钢筋屈服但未进入强化阶段，压区混凝土应变小于极限压应变；主要抗侧力构件的节点未出现明显开裂且应力未达到屈服状态。

（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。

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。

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）、非线性自定义截面型钢构件（梁、柱）、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：
H1
H2
4.2 材料信息
混凝土
根据《混凝土结构设计规范》条文说明-附录C.2所规定的混凝土非线性应力应变关系，如图1 所示，其中曲线的参数值，即峰值压应变 (εc ) 、上升段和下降段参数(αa 、αd ) 、下降段应
变 (εu ) 等都随混凝土的单轴抗压强度值(f *c 、N/mm 2
) 而变化，计算式如下：
6
*
10
)172700(-⨯+=c c f ε
*
0125.04.2c a f -=α
905.0)
(157.0785
.0*
-=c d f α
)4121(21d d d
c
u
αααεε+++=
，本文中f *
c 取混凝土抗压强度的标准值。

Perform3D 中对混凝土的本构曲线采用如下形式：
取FR / FU = 0.4, DR= εu , DL= (1+5%)εc , DX=(1+10%)εu , 由式1可得到不同标号混凝土的对应参数：
钢
统一采用Q345钢，E=2.1e8 kN/m 2，f y =7.83 kN/m 2，w=76.8 kN/m 3，泊松比=0.3。

4.3 截面信息
本文中采用非线性推覆及时程分析软件Perform3D 对结构进行非线性分析，结构构件均采用非线性单元：型钢结构杆件（梁、柱）均采用相同截面的非线性型钢梁、柱单元，材料受力
FR
FU
DL DR DX
K0
F=stress D=strain
过程中不发生屈曲；混凝土梁单元（连梁）采用分层纤维条带模型，混凝土超级柱单元则采用等效钢筋位置和面积的纤维模型，混凝土剪力墙采用纤维条带模型。

具体截面信息如下：
巨型柱的型钢的等效原则遵循：等效前后钢面积相等，相对于两轴极惯性矩相等。

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行了三维推覆模拟。

推覆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按照结构自振模态分配，该比例在推覆过程中保持不变。

结构的模态周期如下：
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-Δ效应。

结构的相对位移-底部剪力图如下图所示：
等效钢筋条带
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定而协调。

然而在结构超过其极限状态后，结构变形突然增大，下降段的位移增长剧烈，反映在推覆的时程过程中表现为在有限次荷载增长步内出现巨大的结构变形和位移。

结构在第五区与第六区交界处，第六区内出现较大的层间位移以及层间位移角，结构最终也是在第六区内产生破坏。

在该区域第五区的交界处，结构的刚度突变较为明显。

整
体变形出现不协调。

结构在H2方向的推覆表现出相似的结果，变形较大的薄弱层亦出现在
第六区，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突变，极限状态以后变形的增长也比较缓慢平稳。

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：
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。

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
时程分析所选用的地震波，根据规范关于输入地震波的选用要求
建筑抗震设计规程（DGJ08‐9‐2003），建筑抗震设计规范（GB50011‐2001，2008 版）场地类别要求：上海地区为IV 类场地，设计地震分组为第一组。

数量：不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线。

频谱特性：由设计反应谱曲线表征，根据场地类别和设计地震分组确定。

有效峰值：多遇地震取为35cm/s2，罕遇地震取为220cm/s2。

持时要求：结构周期的5~10 倍。

统计特性：每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

震源机制：根据上海中心大厦项目工程场地地震安全性报告，上海地区震源机制以走滑型断层错动方式为主。

所选取的地震波尽量应以走滑型断错为主，数量不足时可以考虑其他震源机制，但应确保相同的场地类别。

推荐选取地震波为：
7．结果对比
SHW4地震分析结果：
SHW3 分析结果：
TCU056_N 分析结果：
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。