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上海中心大厦结构分析


建筑结构学报  Journal of Building Structures
文章编号 : 1000 26869 ( 2010 ) 06 20122 210

上海中心大厦结构分析中若干关键问题
丁洁民 , 巢   , 赵   , 吴宏磊 斯 昕
1 1 1 1, 2

( 1. 同济大学建筑设计研究院 (集团 )有限公司 , 上海 200092; 2. 同济大学 建筑工程系 , 上海 200092)

摘要 : 上海中心大厦高 632m ,采用了巨型框架 2 心筒 2 臂桁架抗侧力结构体系 ,为钢 2 凝土混合结构 。简要介绍了该结 核 伸 混 构工程的建筑设计 、 结构体系特点以及结构整体设计指标 ,并对计算结果进行分析 。针对结构分析中若干关键问题的分析 结果 : 结合规范与建筑功能布局 ,合理确定了结构活荷载取值 ; 对结构进行了详细的风致响应研究 ,将风洞试验结果与荷载 规范结果进行比较 ,并探讨了两者之间的差异 ; 对结构进行了详细的地震作用反应分析 , 确定了性能化目标和地震动反应 谱 ,得到了结构的抗震可靠度 ; 对巨型柱承载力以及延性进行了详细研究 ,分析了巨型柱钢骨选型的影响因素 ; 对结构用钢 量进行了合理优化 ,并采取了具体的优化措施 ,可节省钢材 12000 t; 罕遇地震作用下弹塑性时程分析表明 , 结构能够满足抗 震性能化目标 ,具有较好的延性 。 关键词 : 超高层建筑 ; 巨型框架 2 心筒 2 臂桁架结构体系 ; 抗震性能化设计 ; 巨型柱 ; 结构优化 核 伸 中图分类号 : TU973114    文献标志码 : A

Critical issues of structural analysis for the Shanghai Center p roject
1 1 1 1, 2

D IN G J iem in , CHAO Si , ZHAO X in , WU Honglei ( 1. A rchitectural Design & Research Institute of Tongji U niversity ( Group ) Co. L td, Shanghai 200092, China; 2. Building Engineering D epartm ent, Tongji U niversity, Shanghai 200092, China)

Abstract: Shanghai Center, which has an architectural height of 632m, adop ts the lateral resisting system of mega frame 2core 2 outrigger structure, and is a steel2concrete hybrid structure. The tower architectural design, structural are p resent The analysis results in reasonable design live load according to the code and architectural layout The . . code for the design of building structures ’( GB 50009 —2001 ) calculations From earthquake response studies, . reliability is set The bearing capacity and ductility of super columns are studies, and steel skeleton selection of the . super column is discussed. M easures of structural steel usage op tim ization result in a reasonably econom ical steel usage Keywords: super high 2rise building; mega frame2core2 outrigger structural system; performance 2based seism ic design; super column; structural op tim ization system, structural design p rincip le and main results are introduced briefly Some critical issues of structural analysis .

基金项目 : 上海市科委科技攻关计划 ( 09dz1207704) 。 作者简介 : 丁洁民 ( 1957 — ) ,男 ,江苏泰兴人 ,工学博士 ,教授 。 E 2 mail: djm @ tjadri1 com 收稿日期 : 2010 年 3 月

wind 2induced structural response is studied, including comparison and discussion of wind tunnel results with ‘Load original targets with good ductility .

performance 2based seism ic design objectives and earthquake response spectrum are obtained, and structural degree of of 12000 t Finally, elasto 2 lastic time history analysis shows that the structural seism ic performance can satisfy the . p

第 31 卷 第 6 期 2010 年 6 月 Vol131 No16 June 2010

015

122

1  工程概况
上海 中 心 大 厦 工 程 位 于 上 海 市 浦 东 银 城 中 路 501号 ,陆家嘴金融中心区 Z3 2 、 2 地块 。与金 1 Z3 2 茂大厦 、 上海环球金融中心组成“ ” 品 字形关系的建 筑群 ,建筑效果如图 1 所示 。该建筑为多功能摩天大 楼 ,主要用途为办公 、 酒店 、 商业 、 观光等公共设施 。 塔楼地上 124 层 ,建筑高度 632m,沿竖向共分为 8 个 区段和 1 个观光层 , 在每个区段的顶部均布置有设 备层和避难层 ,裙房地上 7 层 ,建筑高度为 38m ,地下 室 5 层 ,整个建筑地上总面积约 38 万平方米 ,地下总 面积约 14 万平方米 。该工程竖向建筑功能布置如图 2 所示 。
图 1  上海中心大厦效果图 Fig 1  Rendering of the Shanghai Center . 图 2  上海中心大厦竖向功能布置 Fig 2  Vertical zoning of the Shanghai Center .

结构标准楼层呈圆形 , 圆心沿高度方向对齐 , 半 径逐渐收缩 ; 在设备层处为三角形平面 , 一方面提供

1 11   工程概况

机电设备和避难空间 , 另一方面在设备层顶面布置 休闲层 ,从而在每个区段内均有一高度约 80m 的中 庭 。标准层和设备层平面见图 3 所示 。结构立面共 有两层玻璃幕墙 , 内层玻璃幕墙沿标准层楼板外围 布置呈圆形 ; 外层幕墙平面投影近似为尖角削圆的 等边三角形 ,三角形幕墙从建筑底部扭转直到顶部 , 每层扭转约 1 ° ,总扭转角约 120 ° 左右 。

( a) 标准层平面图

( b) 设备层平面图

图 3  上海中心大厦结构平面图
Fig 3  Structural p lan of the Shanghai Center .

上海中心大厦结构采用了“ 巨型框架 2 心筒 2 核 伸 臂桁架 ” 抗侧力结构体系 。图 4 为该结构体系组成 , 其特点如下 : ( 1 ) 巨型框架结构由 8 根巨型柱 、 根角柱以及 4 8 道位于设备层两个楼层高的箱形空间环带桁架组 成 ,巨型柱和角柱均采用钢骨混凝土柱 , 截面规格见 表 1。巨型柱与角柱平面布置如图 3 所示 。 ( 2 ) 核心筒为钢筋混凝土结构 , 截面平面形式根 据建筑功能布局由低区的方形逐渐过渡到高区的十 字形 , 墙体截面规格见表 1 , 为减小底部墙体的轴压 123

1 12   结构体系特点

表 1  巨型柱 、 核心筒墙体基本参数
区段 编号 8区 7区 6区 5区 4区 3区 2区 1区

比 ,增加墙体的受剪承载力以及延性 , 在地下室以及
1 ~2 区核心筒翼墙和腹墙中设置钢板 , 形成了钢板

组合剪力墙结构 ,墙体中含钢率为 115% ~410% 。 矩中所占的比例 。 及核心筒 。 124

( 3 ) 在初步设计阶段 , 从结构整体受力 、 变形 、 用

钢量以及施工过程等因素综合考虑 , 研究设置 5 道 、 6 道和 8 道伸臂桁架等不同方案对结构的影响 , 最终 确定了沿结构竖向共布置 6 道伸臂桁架 , 分别位于 2 伸臂桁架在加强层处贯穿核心筒的腹墙 , 并与两侧 的巨型柱相连接 , 增加了巨型框架在总体抗倾覆力
( 4 ) 竖向荷载的传递 ,通过每道加强层处的环带

区 、 区 、 ~8 区的加强层 , 结构剖面图见图 5 所示 。 4 5

桁架将周边次框架柱的重力荷载传至巨型柱和角 另外 ,在每个加强层的上部设备层内 , 设置了多道沿 辐射状布置的径向桁架 , 径向桁架不仅承担了设备 层内机电设备以及每区休闲层的竖向荷载 , 而且承 担了外部悬挑端通过拉索悬挂起下部每个区的外部 玻璃幕墙的荷载 , 并将荷载传至环带桁架 、 巨型柱以

柱 ,从而减小了巨型柱由于水平荷载产生的上拔力 。

Ta b le 1  P a ram e te rs o f sup e r co lum n s a nd co re 2tube
巨型柱 截面 /m 119 × 14 2 213 × 13 3 215 × 10 4 216 × 14 4 218 × 16 4 310 × 18 4 314 × 10 5 317 × 13 5

图 4  上海中心大厦结构体系组成 Fig 4  Composite of structural system . of the Shanghai Center

角柱截 巨型柱混凝 核心筒翼 核心筒腹 核心筒墙体 面 /m 土强度等级 墙厚 /m 墙厚 /m 混凝土等级 — C50 016 0150 C60 — C50 016 0150 C60 — C60 016 0160 C60 112 × 15 4 C60 017 0165 C60 115 × 18 4 C60 018 0170 C60 118 × 18 4 C70 110 0180 C60 212 × 10 5 C70 112 0190 C60 214 × 15 5 C70 112 0190 C60

图 5  结构剖面图
Fig 5  Structural p rofile .

2  主要分析结果

结构设计抗震设防烈度为 7 度 , 抗震设防类别 为乙类 ,结构分为重要构件和次要构件 , 其中重要构 件包括核心筒 、 巨型柱 、 伸臂桁架 、 环带桁架以及径 向桁架 ,该类构件安全等级为一级 , 重要性系数 111; 次要构件为除重要构件外的其他构件 , 该类构件安 全等级为二级 , 重要性系数 110。 2 12   结构自振周期与振型 结构整体分析采用 ETABS 和 M I AS 程序分别 D 进行计算 。单元选择中 , 考虑到巨型柱截面巨大 , 且 钢骨形状独特 , 故采用了壳单元与梁单元组合的方 式 ,其中 ,壳单元用于模拟混凝土部分 , 梁单元用于 模拟钢骨 ; 核心筒采用壳单元模拟 ; 其他单元均采用 Δ 梁单元模拟 。分析中考虑了 P 2 效应 , 为提高计算 效率 ,对结构标准层楼板布置进行了适当简化 , 着重 关注加强层楼板的布置 。 表 2 给出了结构前 3 阶自振周期 。从结构自振 特性看出 ,结构两个方向的平动振型接近 , 说明两个 方向刚度布置对称 , 扭转振型的周期与平动振型的 周期之比小于 018,表明结构整体抗扭刚度较好 。

2 11   主要设计指标

表 2  结构自振周期
Ta b le 2  N a tu ra l p e rio d o f vib ra tio n
自振周期
ETABS M I AS D
T1 / s T2 / s T3 / s T3 / T1

振型特点

X 向平动

结构自重 (包括地下 1 层以及地上部分 ) 在巨型 框架与核心筒中的分配情况见表 3。上海中心大厦 工程结构自重达到了 7418 万吨 , 每平米重量达到 119 t,自重较大 。从自重分配情况看 , 巨型框架承担 了结构 54%的自重荷载 , 超过了核心筒部分承担的 荷载 。
表 3  结构自重分配
比例 荷载类型 恒荷载 活荷载 总荷载 重量 / t
625000 123000 748000

图 6 给出了结构竖向荷载在巨型框架与核心筒 之间的分配情况 。在结构各标准层 , 巨型框架与核 心筒中的竖向反力均匀增加 , 该部分反力增量主要 为巨型柱与核心筒自重以及部分楼面荷载 , 但在加 强层处 ,巨型框架的竖向反力增幅显著 , 这主要体现 在各加强层处 , 上部一区次框架竖向反力通过环带 桁架传至巨型柱 。因此 , 环带桁架在竖向荷载传递 中相当于转换梁的作用 。另外 , 从图中可见 , 核心筒 在伸臂桁架所在加强层处的竖向反力有所减小 , 产 生上述现象的原因主要是在弹性分析中 , 未考虑伸 臂桁架在施工过程中滞后连接 , 且由于核心筒与外 围巨型框架的竖向弹性压缩量不同 , 核心筒压缩量 大 ,巨型框架压缩量小 , 部分竖向反力通过伸臂桁架 由核心筒传至巨型框架上所致 。

2 13   结构的自重分配

Ta b le 3  S e lf2 e igh t d is tribu tio n w

9105 9105

Y 向平动

图 6  结构竖向荷载分配

Fig 6  Self2 . weight distribution

8315% 1615% 100%

8196 8197

扭转振动

构件类型 巨型框架 核心筒 总荷载

5159 5143

重量 / t
404000 344000 748000

0162 016



比例

54% 46%

100%

作用于结构上的风荷载根据加拿大 RWD I工程 顾问公司对上海中心大厦结构进行的风洞试验结 果 。结构地震反应谱参数选取原则为 : 小震反应谱 采用上海 规程 谱 与安 评 报 告 建 议 50 年 超 越 概 率 10%反应谱并考虑调幅系数 0135 后的包络谱 ,中震 、 [1 ] 大震反应谱采用上海规程反应谱 。 图 7、 分别为风荷载和多遇地震作用下结构楼 8 层剪力和楼层倾覆力矩分布比较 。从反应分布可以 看出 ,设防地震作用下结构承担的侧向力明显大于 风荷载作用下结构承担的侧向力 , 结构抗侧力构件 按中震弹性设计 。图 9 水平荷载作用下结构层间位 移角分布 ,通过风荷载与多遇地震水平作用下结构 层间位移角比较 , 可以发现 , 结构的侧向变形由风荷 载控制 ; 另外 ,合成风荷载作用下结构层间位移角明 显大于单向风荷载作用下的结果 , 结构最大层间位 移角为 1 /505, 出现在结构的 94 层 ; 同时 , 从两个方 向风荷载作用下层间位移角比较来看 , Y 向最大层 间位移角出现在顶层 ( 124 层 ) , 这是因结构以弯曲变 形为主 ,而层间位移角计算中包含弯曲变形成分 , 但 X 向最大层间位移角出现在 94 层 , 其数值明显大于 相同位置处的 Y 向层间位移角 。其原因是核心筒腹 墙在结构第 7 区沿 X 向开洞较多所致 ,见图 10 所示 。
图 7  楼层剪力比较 Fig 7  Comparison of shear force distribution .

上海中心大厦竖向荷载包括恒荷载和活荷载两 部分 ,其中活荷载分为可折减活荷载和不可折减活 荷载 。一方面 , 考虑到活载满布的可能性较小 , 在进 行墙 、 、 柱 基础设计时 , 根据荷载规范对该类活荷载 进行折减 ; 另一方面 , 考虑到设备在实际结构中的布 置情况 ,对设备层及普通层的机电设备类活荷载不 予以折减 。对于高层建筑 , 由于楼层数较多 , 在进行 125

2 14   水平荷载作用下结构受力分析 3 11   竖向荷载

3  结构分析中若干关键问题

图 8  楼层倾覆力矩比较
Fig 8  Comparison of moment distribution .

结构整体响应或指标分析时 , 考虑楼面上的活荷载 不可能以标准值同时满布所有楼层的工况 , 对活荷 载进 行 适 当 折 减 。根 据 国 际 标 准 ISO 2103 的 规 [2] 定 , 在进行柱 、 墙和基础设计时采用的对住宅 、 办 公楼等房屋楼层折减系数 λ为 : λ = 013 + 016 / n ( 1) 其中 , n为楼层数 。对公共建筑 , 楼层折减系数 λ为 : 126

λ = 015 + 016 / n ( 2) (   GB 50009 —2001 建筑结构荷载规范 》 2006 年 《 ) 对上述公式进行了简化 ,统一采用式 ( 3 ) 确定 。 版

图 9  水平荷载作用下结构层间位移角分布 Fig 9   Inter2story drift ratio distribution . under horizontal load 图 10   结构 7 区核心筒开洞
Fig 10  Core 2tube opening of seven level .

λ = 014 + 016 / n ( 3)    考虑上海中心大厦楼层数为 124 层 ,对应的折减 系数 λ为 0146。典型区域楼面活荷载取值见表 4。
表 4  典型楼面荷载取值
局部楼面梁板分析

Ta b le 4  Typ ica l flo o r l a d va lue s o
活荷载 / kN ?m - 2 315 ( 3m 走道 : 810) 410 ( 3m 走道 : 510) 510 1215

功能

附加恒载
115 118 410 219

墙、 柱及整体分析

/ kN ?m - 2

办公 酒店 商务休闲 设备

上海中心大厦高度 632m、 高宽比达到 7, 结构自 振周期大于 9 s, 风荷载的取值将决定该工程的安全 性和经济性 。为了保证抗风设计的可靠性及准确 性 ,加拿大 RWD I顾问公司对上海中心大厦结构进 行了风致响应试验研究以确定结构设计风荷载 , 有 关风洞试验结果的可靠性论证由加拿大西安大略 ( UWO ) 进行审核 。 上海中心大厦结构风致响应研究主要有下列三 [3 ] 个部分组成 : ( 1 ) 风气候分析 。确定设计风速与风向分布 , 并 据此分析风洞试验数据以求出不同重现期下的风致 响应 。 ( 2 ) 空气动力学优化研究 。通过修改结构外形 使风致响应达到最小 。 ( 3 ) 风洞试验研究 。通过详细的风洞试验考察 一般风洞试验中可能包含的不确定因素和过于保守 的部分 ,以此进一步提高对风致响应预计的精确度 。 研究结果表明 : RWD I所采用的风气候模型合 理 。通过修改结构外形 , 与最初的设计相比 , 结构设 计风荷载降低约 25% ,与传统的方形截面结构相比 , 设计风荷载仅为方形截面结构的 60% 。 表 5 为采用 GB 50009 —2001 《建筑结构荷载规 ( 范 》以下简称荷载规范 ) 方法计算的结构基底剪力 和倾覆力矩与风洞试验结果的比较 。从表中可见 , 荷载规范结果与风洞试验结果在顺风向相差很小 , 而在横风向相差较大 , 引起误差的原因主要由两个 : 一是荷载规范中参数取值的假设引起的误差 , 如体 型系数 、 横风向动力荷载计算公式以及斯托罗哈数 等 ; 二是风洞试验中考虑顺风向响应与横风向响应 之间的相关性 , 而荷载规范建议顺风向响应与横风 向响应按矢量和进行组合 , 由此造成风洞试验得到 的风荷载合力比规范计算值进一步降低 。 3 13   地震工程研究 31311   基于性能的抗震设计 上海中心大厦采用了重点设防类别 (乙类 ) 的抗

3 12   风工程研究

活荷载 / kN ?m - 2 310 410 315 710

剪力取大震时的弹性地震作用力标准值 , 材料 强度取标准值 ,不考虑抗震承载力调整系数 , 验 co de a nd w ind e ng ine e ring s tudy 算按受剪截面控制条件 ( V k < 0115 fck bh0 ) , 验 顺风向 横风向 风荷载作用下合力 算巨型柱和核心筒的极限受剪承载力 。不同构 计算方法 基底剪力 倾覆力矩 基底剪力 倾覆力矩 基底剪力 倾覆力矩 件类型对应的设计控制指标见表 6。 /MN /MN ?m /MN /MN ?m /MN /MN ?m 31312   地震设计反应谱选取 风洞试验 5715 20800 9711 35900 103 38000 荷载规范 6016 21000 1311 56500 144 60200 根据 GB 18306 —2001 《中国地震动参数区 规范 /试验 1105 1101 1135 1157 1140 1158 划图 》上海市的抗震设防烈度为 7 度 。用于超 , 高层建筑抗震设计和分析的地震作用通常采用 震性能目标 ,即在多遇地震 、 设防地震和罕遇地震作 为两种方式 ,即设计反应谱和地震动时程 。上海中 用下的抗震性能水准分别为完全可使用 、 基本可使 心大厦多遇地震反应谱取上海抗震规程反应谱和安 [1] 用和生命安全 。在多遇地震作用下 , 结构完好 , 处于 评建议反应谱的包络谱 , 设防地震和罕遇地震反 弹性状态 。在设防地震作用下 , 结构基本完好 , 基本 应谱均取上海抗震规程反应谱 。抗震分析时多遇地 处于弹性状态 。地震作用后的结构动力特性与弹性 震、 防 地 震 和 罕 遇 地 震 采 用 的 阻 尼 比 分 别 为 设 状态的动力特性基本一致 , 巨型柱 、 核心筒墙体及外 410% 、 10%和 510% , 对应的周期折减系数分别为 4 伸臂桁架等主要结构构件和节点处于弹性状态 , 框 0190、 195 和 1100,相关的反应谱图形见图 11 ~12。 0 架梁 、 连梁等次要构件轻微开裂 。部分减振耗能元
Ta b le 5  Com p a riso n o f w ind lo a d s a cco rd ing to lo a d

表 5  荷载规范取值与风洞试验结果比较

件进入屈服 。在罕遇地震作用下 , 结构严重破坏但 主要节点不发生断裂 , 结构不发生局部或整体倒塌 , 墙体不发生剪切破坏 。 主要抗侧力构件巨型柱 、 钢骨混凝土角柱和核心筒 与抗震性能目标相对应 , 确定不同设防地震水

平下的结构设计控制指标 。在多遇地震作用下 , 控 制最大层间位移角不大于 1 /500, 底层层间位移角不 大于 1 /2000。在设防地震作用下 , 控制最大层间位 移角不大于 1 /250,取不考虑构件内力调整和风荷载 的中震组合内力设计值及材料强度设计值对巨型 柱、 钢骨混凝土角柱 、 核心筒墙体及外伸桁架等主要 结构构件和节点的抗震承载力进行验算 , 框架梁 、 连 梁等次要构件中的钢筋或钢材应力不超过屈服强度 的 85% 。罕遇地震作用下 , 最大层间位移角不大于
1 /100,框架梁 、 连梁等次要构件可出现塑性铰 , 但塑

图 11   上海中心大厦多遇地震设计反应谱
of the Shanghai Center

Fig 11  Design spectrum for m inor earthquake .

加组合的超高层建筑 , 结构体系复杂 、 环境荷载多 样 。配合结构初步设计及超限和抗震审查 , 有必要 对该大型复杂结构体系的抗震可靠性深入研究 。采

性铰的转角不大于 1 /50。主要节点中钢筋或钢材应 力可以超过屈服强度 , 但不能超过极限强度 。地震

表 6  不同设防地震水平下构件设计控制指标

Ta b le 6  D e s ign c rite ria o f s truc tu ra l m em be rs fo r d iffe re n t de s ign e a rthqua ke le ve ls

构件类型 核心筒 连梁

多遇地震 保持弹性 保持弹性 保持弹性 保持弹性 保持弹性 保持弹性 保持弹性

巨型柱

环带空间桁架 伸臂桁架 塔冠 节点

设计控制指标 设防地震 罕遇地震 底部加强区 、 加强层及加强层上下各一层核心 底部加强区 、 加强层及加强层上下各一层核心筒满足大震下 筒保持弹性 ,其它区域核心筒保持不屈服 受剪截面控制条件 ,验算极限受剪承载力 可出现塑性铰 ,但塑性铰的转角不大于 1 /50, 钢筋应力可超 保持不屈服 ,钢筋应力不超过屈服强度 过屈服强度 ,但不能超过极限强度 满足大震下受剪截面控制条件 。验算极限受剪承载力 。钢 保持弹性 筋应力可超过屈服强度 ,但不能超过极限强度 保持弹性 保持不屈服 ,钢材应力不超过屈服强度的 85% 保持不屈服 ,钢材应力不超过屈服强度 钢材应力可超过屈服强度 ,但不能超过极限强度 保持弹性 钢材应力可超过屈服强度 ,但不能超过极限强度 保持弹性 保持不屈服 ,钢筋或钢材应力不超过屈服强度的 85%

31313   抗震可靠度分析

上海中心大厦结构是巨型框架 2 核心筒 2 伸臂横 127

图 12   上海中心大厦设防地震设计反应谱 Fig 12  Design spectrum for moderate earthquake . of the Shanghai Center

用概率密度演化方法 , 结合随机地震动的正交展开 , 进行多遇地震作用下结构抗震可靠度分析 。 根据结构抗震可靠度分析原理和工程的实际情 况 ,基本分析步骤是 : ( 1 ) 根据前述随机地震动模型 , 确定代表点和赋 得概率 ,生成 7 度多遇及基本烈度地震作用下符合 场地条件的代表性地震动加速度时程 。 ( 2 ) 以每一条具有代表性的地震动加速度时程 作为地震动输入 ,进行确定性地震反应分析 。 ( 3 ) 求解广义概率密度演化方程 , 获得各层间位 移的概率密度函数及其演化过程 , 同时获得各层间 位移反应的标准差过程 。 ( 4 ) 基于极值分布和等价极值事件原理 , 获得以 各层层间位移角限值为准则的结构地震动力可靠度 和以任意层层间位移角均不超出限值为准则的结构 体系抗震可靠度 。 分析结果表明 : 在 7 度多遇和基本烈度地震作 用下 ,结构整体可靠度分别为 0199987 和 0199957, 结构各层可靠度均接近 1。 3 14   巨型柱设计分析与研究 巨型柱是上海中心大厦结构体系中的重要组成 部分 ,其自身受力状态关系到整个结构的竖向荷载 和水平荷载的传递以及结构刚度控制 , 因此设计中 对巨型柱截面选型 、 承载能力 、 延性作了详细分析与 研究 。 31411   钢骨形式比选 上海中心大厦巨型柱采用型钢混凝土组合结 构 ,针对钢骨布置 , 分别比较了格构式 (图 13a ) 和实 腹式 (图 13b ) 两种结构形式 : ( 1 ) 从受力角度 , 格构式与实腹式钢骨布置方 案均能较好地抵抗轴向力作用 , 但考虑巨型柱作为 巨型框架的一部分 , 需承担较大的剪力和弯矩作用 , 因此 ,选择实腹式钢骨布置更有利于抵抗水平荷载 。 ( 2 ) 从施工角度 , 格构式方案由于钢骨和缀条 128

数量巨大 ,导致现场施工定位复杂 , 现场焊接工作量 巨大 ,施工周期增加 , 施工质量不易保证 ; 实腹式方 案形成整体后的“ ” 王 字形钢骨可以在工厂中直接焊 接完成 ,工地现场仅需要拼接焊 , 焊接工作量减小 , 施工质量高 。 ( 3 ) 从节点域整体性分析 , 格构式方案中 , 在加 强层节点区 , 伸臂桁架仅能通过连接板和缀板与中 间 3 个钢骨直接连接 , 而两侧 6 个钢骨无法直接参与 受力 ,因此 ,巨型柱在与伸臂桁架节点连接区实际上 不能全截面参与工作 ; 实腹式方案中 , 伸臂桁架与环 带桁架均直接与“ ” 王 字形型钢相连 , 传力直接 , 从而 使整个巨型柱截面均能参与受力 。 基于以 上 分 析 , 上 海 中 心 巨 型 柱 最 终 采 用 了 “ ” 王 字形实腹式 SRC 组合柱 , 在结构 7 ~8 区 , 考虑 到巨型柱尺寸较小 , 对钢骨形式进行了简化 , 形成了 “ ” 日 字形实腹式 SRC 组合柱 ,见图 13c。

图 13   巨型柱钢骨截面图 Fig 13  Steel skeleton section of super column .

采用纤维单元法对巨型柱进行了承载力分析 , 巨型柱纤维单元模型如图 14a 所示 。将巨型柱的空 间屈服面与其所承受的荷载绘制在同一坐标系下进 行比较 。当巨型柱承受的荷载对应的空间点落在空 间屈服曲面内时 , 则可以判定该巨型柱满足承载力 要求 。图 14b 为结构 1 区巨型柱在多遇地震 、 设防地 震组合下的承载力相关曲线 , 根据以上判定原则 , 可 知巨型柱的承载力能够满足中震弹性的要求 。 31413   延性分析 上海中心大厦巨型柱的延性对整体结构的抗震

31412   承载力分析

( 1 ) 适当增加结构周期 , 但结构核心筒剪切位移

角不超过 1 /2000。 ( 2 ) 巨型柱含钢率考虑不同楼层受力情况的差 异 ,在结构 1 区和加强层及其上下一层巨型柱含钢 率取 5% , 标准层取 4% 。 ( 3 ) 结合结构抗侧刚度 ,减小伸臂桁架用钢量 。 ( 4 ) 在保证设计合理 、 安全的前提下 , 通过一系 列有效措施 (主要包括 : 组合钢板剪力墙最小钢板厚
( a) 巨型柱纤维单元模型

度调整 、 翼墙抗震等级调节 、 钢筋及钢板受剪承载力 比例调整 、 翼墙刚度折减 ) , 核心筒钢板用量得到有 效降低 。 ( 5 ) 筏板分析合理考虑上部结构刚度贡献 , 降低 底板弯矩最大值 , 同时 , 筏板配筋分区由优化前 3 个 区细化为 6 个区 , 从而降低钢筋用钢量 。 上海中心大厦结构钢板和钢筋优化前 、 后用钢 量见表 7, 结构各组成部分钢板和钢筋用量见图 16 所示 。从钢板用钢量分布可见 , 巨型柱用钢量占到 了结构总钢板用钢量的 41% , 远超过其他组成部分 。 这主要是由于 : 一方面在上海中心结构体系中巨型 柱的轴向刚度与结构的抗弯刚度密切相关 ; 另一方 面由于上海中心大厦总高度及高宽比均较大 , 结构 以刚度控制为主 , 对巨型柱的轴向刚度提出了较高 的要求 。而巨型柱含钢率对巨型柱的轴向刚度和延 性影响明显 ,为了满足抗侧的要求 , 导致巨型柱部分 用钢量较大 。 结构优化后的钢板 、 钢筋用钢量见表 7。通过以 上措施 ,可节约钢材约 12000 t,经济效益明显 。
表 7  结构用钢量优化
Ta b le 7  O p ti iza ti n o f s te e l u sa ge m o
构件类型 巨型柱 核心筒 ,翼墙 伸臂 ,环带桁架 筏板 其他 总计 钢板 / t 钢筋 / t 优化前 优化后 优化量 优化前 优化后 优化量
41607 33363 11489 10612 13293 12293 - 8244 - 1000 9195 8087 15125 - 1108 - 877 14579

( b) 巨型柱承载力相关曲线

图 14   巨型柱承载力分析 Fig 14  Bearing capacity analysis of super column .

性能至关重要 。选择多遇地震组合下轴压比最大的 巨型柱 ,采用 ABAQUS实体单元进行了有限元分析 , 轴向力为多遇地震组合下的内力并保持不变 , 得到 了巨型柱沿强轴的弯矩 2 转角曲线 , 见图 15 所示 , 巨 型柱的延性系数达到 2181。极限状态时 , 钢骨周边 混凝土由于箍筋进入屈服 , 不能提供更多的约束作 用 ,混凝土压应力降低明显 , 表明周边混凝土已经处 于压碎状态 ,而钢骨内部混凝土三向约束效果明显 , 压应力较高 ; 钢骨 、 纵筋塑性发展较充分 , 巨型柱具 有较好的耗能能力 。 措施对结构用钢量进行优化 :
3 15   结构用钢量优化分析
图 15   巨型柱弯矩 2 角曲线 转 Fig 15  Moment2rotation angle curve of super column .


11431


10290

  546 —
- 1141


33846

— —

— —




33502


- 1703

100235 88714 - 11521 35205

注 : 优化量一列中 ,负号表示用钢量减小 。

在保证结构安全 、 变形合理的前提下 , 采用以下

结合上海中心大厦抗震超限审查专家的意见以 及抗震性能化目标的要求 , 采用弹塑性时程分析方 法 ,对结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行了详 细分析 。分别采用了 ABAQUS、 ANSYS、 PERFORM 2 3D 进行建模分析 , 图 17 为 ABAQUS 弹塑性分析模 型 。表 8 为三种软件分析结构自振周期与 ETABS结 果的比较 ,可以看出 , 除了第 3 阶扭转振型周期有较 小差别外 ,三种软件的分析结果与 ETABS软件吻合 , 从而验证了弹塑性模型的准确性 。 129

3 16   罕遇地震作用下结构弹塑性时程分析

钢板未出现塑性变形 。另外 , 结构高区核心筒墙体 损伤程度明显高于低区 , 说明高阶振型的影响显著 ; ③ 伸臂桁架在第 4、 区进入塑性 , 塑性应变较小 , 不 5 会发生破坏 ; ④ 环带桁架基本保持弹性 ; ⑤巨型柱内 钢骨未出现塑性变形 , 达到了大震弹性的性能 。上 述分析表明 ,结构具有较好的抗震性能 , 满足抗震性 能化目标的要求 。
( a) 钢板用钢量分布

表 8  不同分析软件自振周期比较
Ta b le 8  Com p a riso n o f na tu ra l p e rio d by d iffe re n t so ft a re w
自振周期
T1 / s T2 / s T3 / s T4 / s T5 / s T6 / s

ETABS

ABAQUS

ANSYS

( b) 钢筋用钢量分布

图 16   用钢量分布
Fig 16  D istribution of steel usage .

4  结论

( 1 ) 上海中心大厦超高层建筑采用了“ 巨型框

选择了 7 组 (包含三方向分量 ) 地震记录 , 采用 主、 次方向输入 (即 X、 方向依次作为主 、 Y 次方向 ) 三 方向输入峰值加速度比为 1 ∶185 ∶165 (主方向 : 次 0 0 ) ,根据上海抗震规程 , 主方向波峰值加速 方向 : 竖向 度取为 200gal。 分析表明 ,罕遇地震作用下结构沿 X 向最大层 间位移角为 1 /116,出现在 92 层 , 沿 Y 向最大层间位 移角为 1 /150,出现在 106 层 , 均小于抗震性能化目 标中 1 /100 的要求 。分析结果表明 : ① 核心筒连梁大 部分出现了塑性铰 , 符合屈服耗能机制 ; ② 核心筒墙 体塑性损伤主要集中于伸臂桁架与筒体连接的角部 以及核心筒墙体变截面处 , 低区钢板组合剪力墙中 130

图 17   上海中心大厦结构弹塑性分析模型 Fig 17  Elasto 2 lastic model of structure . p

架 2 心筒 2 臂桁架 ” 核 伸 抗侧力结构体系 , 主要抗侧力 构件中采用钢 、 钢骨混凝土以及钢板组合剪力墙等 延性较好的材料 , 提高了结构耗能能力 。结构整体 分析表明 ,塔楼抗侧刚度和承载力均满足相关规范 以及抗震超限审查会专家提出的要求 。
( 2 ) 上海中心大厦综合考虑了建筑场地特征 、 结

构功能与重要性 、 投资与效益 , 并按照相关规范的要 求 ,明确制定了抗震性能化目标 , 对结构的抗震设计 具有重要意义 。 ( 3 ) 结构整体分析表明 , 结构承载力主要由中震 控制 ,侧向变形主要由风荷载控制 。对结构的风工 程、 地震工程进行了细致研究 , 所得结论对类似超高 层建筑具有一定的借鉴作用 。 ( 4 ) 巨型柱自身受力的合理性是保证结构完整 性以及充分发挥抗侧力结构体系特点的关键 。通过 对巨型柱钢骨布置 、 承载力以及延性的分析与比较 , 确保巨型柱的安全性 。核心筒是整个结构最重要的 抗震防线 ,其底部加强区的安全关系到整个结构体 系的安全性 。 ( 5 ) 超高层建筑结构用钢量是影响结构造价的 一个关键因素 。上海中心大厦结构设计中 , 通过细 化钢材用量分布 , 并结合结构整体受力特点 , 从结构 分析 、 结构构造以及对相关规范深入理解等方面入 手 ,合理地降低了材料用量 ,经济效益明显 。 ( 6 ) 弹塑性时程分析表明 , 超高层建筑应重视高

模型 9105 8196 5159 3127 3114 2161

模型 9110 9104 4111 3109 3105 1197

模型 9107 9101 4161 3113 3109 1168

PERFORM 2 3D

模型 9130 9120 5159 — — —

阶振型的影响 , 对加强层以及竖向构件刚度突变部 位的延性应引起重视 。弹塑性分析结果有助于结构 的抗震深化设计 , 从而对结构抗震薄弱部位进行有 效加强 。 两点说明 : ①由于本工程施工图设计仍在进行 中 ,随着结构设计的深入进行 , 会对上述分析结果作 相应调整 ; ②本工程建筑和结构设计工作是由下列 三个设计公司完成 , 即美国 GENSLER 建筑师事务 所、 同济大学建筑设计研究院 (集团 ) 有限公司和美 国 Thornton Tomasetti结构事务所 ,华东建筑设计研究 院为结构咨询单位 。

参      考 文 献
[ 1 ]  Thornton Tomasetti, exam ination of earthquake fortification in p relim inary design of the Shanghai Center [ R ]. Shanghai: A rchitectural Design & Reaearch Institute of Tongji University ( Group ) Co. L td, 2009. [ 2 ]   ISO 2103   Loads due to use and occupancy in residential and public buildings[ S ]. 1986. [ 3 ]  RWD I Report on w ind 2induced structural response . studies of the Shanghai Center[ R ]. Guelph, Canada: Rowan W illiam s Davies & Ir in Inc. , 2009. w TJADR I1 Report on special

131


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