上海环球金融中心大厦基于性能的抗震设计研究

论文摘要

基于性能的抗震设计（PBSD）是90年代初美、日等国家的学者根据震害调查提出的新概念，也是工程抗震发展史上的一个重要里程碑。基于性能的抗震设计的目的是将所设计的结构在指定强度地震下的破损状态及其造成的经济损失、人员伤亡等控制在预期的目标范围内，使结构震后的功能得以延续、维持。建设中的上海环球金融中心大厦101层，结构高度492m，高宽比8.49，拟建成为世界上结构主体最高的建筑物。根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002），该建筑总高超过了型钢混凝土框架—钢筋混凝土筒体最大高度190m的限值，高宽比超过了设防烈度7度地区为7的限值。大厦采用了三重结构体系抵抗水平荷载，它们由巨型框架、钢筋混凝土核心筒及构成核心筒和巨型型钢混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架组成。核心简竖向不连续，由低筒、中筒和上部筒三部分组成。位于结构平面角部的巨型柱B在42层以上开始分叉形成倾斜曲面，巨型斜撑只设置在垂直立面上，且采用单向支撑。本文以该大厦的结构体系为研究对象，采用基于性能的抗震设计思想，在综合考虑场地特征、结构功能与重要性、投资与效益等因素的前提下，提出了抗震性能目标，并通过以下的理论和试验研究检验了大厦的结构体系是否满足性能目标的要求：首先进行了1：50比例的微粒混凝土整体模型的地震模拟振动台试验，分别按照7度多遇、基本、罕遇和8度罕遇的顺序分四个阶段由台面依次输入El Centro波、San Fernando波和SHW2波。地震波持续时间按相似关系压缩为原地震波的1／11.18，输入方向分为双向或单向水平输入。在不同水准地震波输入前后，均对模型进行白噪声扫频，以测量结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特征参数。根据动力相似原理计算出原型结构动力特性和动力反应，整体结构振动台试验研究表明：结构满足抗震性能目标的要求。利用大型通用有限元软件ANSYS进行了整体结构在7度多遇、基本和罕遇地震作用下的数值计算分析，并将理论值和试验数据进行了对比，验证了分析的可靠性。分析得到了各水准地震作用下结构的动力特性、结构的位移反应和核心筒壁的应力分布，计算结果表明结构能够满足抗震设防目标的要求。利用同济大学结构工程与防灾研究所开发的高层结构弹塑性时程软件TBNLDA，进行了该大厦简化计算模型的弹塑性时程分析。首先将振动台试验模型进行了简化，简化模型仅考虑了主要的三重抗侧力结构体系，略去了支撑在巨型框架上的楼面钢柱和钢梁，将振动台试验的简化模型分析结果与试验结果作了对比分析。在此基础上进一步对原型结构进行了弹塑性时程分析，得到了结构在7度多遇、基本和罕遇以及8度罕遇地震作用下结构的动力特性和动力反应，分析结果检验了结构满足抗震设防目标的要求。利用巨型斜撑和带状桁架弦杆的关键节点的试验和计算研究结果，检验了关键节点能够满足抗震设防目标的要求。试件分纯钢骨和钢骨钢筋混凝土二类节点，试验采用静力反复加载，并利用有限元软件ANSYS对试件进行了7度多遇、基本和罕遇地震作用下的静力分析和屈曲分析。利用大型通用有限元软件ANSYS子模型技术，建立了56～61层的局部模型，对低筒向中筒转换进行厚板转换的57～60层进行了精细有限元分析，分析了转换厚楼板和核心筒壁的应力和位移分布特征，检验了结构转换楼层能够满足抗震设防目标的要求。试验与理论分析起到了验证与相互补充的作用。综合研究表明：上海环球金融中心结构能够满足不同地震水准作用下的抗震性能目标。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 基于性能的抗震设计理论的提出
• 1.2.1 震害分析和反思
• 1.2.2 现代抗震设计理论的发展概况
• 1.2.3 基于性能抗震设计理论和方法
• 1.3 上海环球金融中心大厦的工程概况
• 1.3.1 结构体系特点
• 1.3.2 楼板系统
• 1.3.3 主要结构材料
• 1.3.4 结构的超限情况
• 1.4 基于性能抗震设防目标
• 1.5 上海环球金融中心大厦基于性能的抗震设计研究的主要工作
• 第2章 上海环球金融中心抗震性能的振动台试验研究
• 2.1 试验概况
• 2.1.1 试验内容
• 2.1.2 试验设计及材料特性
• 2.1.3 振动台试验方案
• 2.1.4 试验步骤
• 2.2 模型试验结果
• 2.2.1 试验现象
• 2.2.2 模型结构动力特性
• 2.2.3 模型结构动力反应
• 2.3 原型结构抗震性能
• 2.3.1 原型结构动力特性
• 2.3.2 原型结构加速度反应
• 2.3.3 原型结构位移反应
• 2.3.4 原型结构剪力分布
• 2.4 本章小结
• 第3章 上海环球金融中心抗震性能的有限元分析
• 3.1 概述
• 3.2 ANSYS软件简介
• 3.2.1 ANSYS软件的前、后处理
• 3.2.2 ANSYS软件中的单元和材料
• 3.2.3 加载和求解
• 3.3 计算模型
• 3.4 计算与试验结果对比分析
• 3.4.1 自振特性比较
• 3.4.2 位移反应比较
• 3.4.3 剪重比比较
• 3.5 计算结果
• 3.5.1 结构振动特性
• 3.5.2 结构位移
• 3.5.3 桁架应力
• 3.5.4 结构剪重比
• 3.5.5 核心筒应力
• 3.6 本章小结
• 第4章 上海环球金融中心的弹塑性计算分析
• 4.1 概述
• 4.2 材料非线性的梁单元横截面分析
• 4.2.1 条带法
• 4.2.2 材料本构关系
• 4.2.3 横截面线性刚度矩阵
• 4.3 横截面非线性分析
• 4.4 梁单元刚度矩阵
• 4.4.1 梁单元位移形函数
• 4.4.2 梁单元应变与位移之间的关系
• 4.5 墙单元刚度矩阵
• 4.5.1 墙单元的数学模型
• 4.5.2 几何方程
• 4.5.3 线性应变形函数
• 4.5.4 增量非线性应变形函数
• 4.5.5 墙单元切线刚度矩阵
• 4.5.6 墙单元的剪力与剪切变形之间的关系
• 4.6 弹塑性时程分析程序
• 4.6.1 子结构技术
• 4.6.2 刚臂约束
• 4.6.3 结构动力分析
• 4.7 模型结构弹塑性时程分析计算
• 4.7.1 输入地震波
• 4.7.2 模型结构的动力特性试验与计算对比
• 4.7.3 模型结构的位移反应试验与计算对比
• 4.7.4 模型结构开裂和破坏过程的对比分析
• 4.8 原型结构弹塑性时程分析
• 4.8.1 原型结构的动力特性
• 4.8.2 构件开裂及屈服情况
• 4.8.3 原型结构的位移反应
• 4.9 本章小结
• 第5章 上海环球金融中心关键节点的试验与理论研究
• 5.1 概述
• 5.2 节点试验研究
• 5.2.1 试验方案
• 5.2.2 试件设计
• 5.3 试验结果
• 5.3.1 钢骨试件的主要试验结果
• 5.3.2 钢骨钢筋混凝土试件的主要试验结果
• 5.4 有限元计算分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 上海环球金融中心转换层数值计算分析
• 6.1 概述
• 6.2 转换层的有限元分析模型
• 6.2.1 分析思路
• 6.2.2 ANSYS子模型技术
• 6.2.3 环球中心核芯筒转换层的精细有限元模型
• 6.3 计算结果分析
• 6.3.1 转换层楼板竖向位移分布
• 6.3.2 转换层核心筒应力分布
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 7.1 主要结论
• 7.1.1 宏观性能目标研究
• 7.1.2 微观性能目标研究
• 7.1.3 微观性能目标研究
• 7.2 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的论文与研究成果