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

Zone 9 Zone 8

Zone 7 巨型柱 Zone 6

Zone 5 Zone 4 Zone 3 Zone 2 Zone 1 Basement 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

加强层 筒体结构 巨型柱 核心筒 巨型角柱

外伸臂桁架 带状桁架 根）巨型柱圈成一体，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。

地震烈度 频遇地震 （小震） 设防烈度地震 （中震） 罕遇地震 （大震） 性能水平定性描 述 不损坏 可修复损坏 无倒塌

结构工作特性 弹性 不屈服，允许少数次要或 耗能构件屈服 允许进入塑性，

控制薄弱层位移 层间位移角限值 h/500 h/200 h/100

构件 性能

核心筒墙 按规范要求设计，

保持弹性 压弯验算按中震不屈服， 剪力验算按中震弹性，整 体受剪保持弹性 允许进入塑性，

控制塑性变形， 底部加强区不进 入塑性 巨柱 按规范要求设计， 保持弹性 验算按中震弹性，整体受 剪保持弹性 允许进入塑性，

严格控制塑性变 形 环形桁架 按规范要求设计， 保持弹性 验算按中震弹性，整体受

剪保持弹性 允许进入塑性，

严格控制塑性变 形 连梁 按规范要求设计， 保持弹性 允许进入塑性即截面弯曲 屈服，吸收部分地震能量， 但不允许剪切破坏。 （αmax=0.24 的地震作用下 连梁不屈服，αmax=0.32 的 地震作用下，连梁不发生 剪切破坏)* 允许进入塑性， 控制塑性变形， 不得脱落，最大 塑性角小于 1/50 ， 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。Perform3D 模型中简化后保留的楼层如下： 区段 楼层 中部楼层 结构加强层 MEP

Zone 1 2, 3, 4, 5 6, 7, 8 Zone 2 14 20, 21, 22 Zone 3 29 35, 36, 37 Zone 4 44 50, 51, 52 Zone 5 57，62 66, 67, 68 Zone 6 75 82, 83, 84 Zone 7 92 99, 100, 101 Zone 8 109 116, 117, 118 Zone 9 120, 123, 125b, 126 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 1.0

(f c、N/mm ) 而变化，计算式如下：

c (700 172 f c * )

10 6

0.5

* 0.785 a 2.4 0.0125 f

d 0.157( f

c

c * 0.905 /

u c

1

2 d

(1 2d 1 4d) ，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：

F=stress D=strain FU

FR K0 DL DR DX 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： Ec / Mpa fcu / Mpa DL DR DX C35 3.15e4 23.4 0.00160863 0.00408494 0.00449344 C50 3.45e4 32.4 0.00176299 0.00371658 0.00408824 C60 3.6e4 38.5 0.00185559 0.0036276 0.00399036 C70 3.7e4 44.5 0.00193975 0.00358982 0.0039488 C80 3.8e4 50.2 0.00201459 0.00357902 0.00393692

* 2 ) * u c