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上海环球金融中心工程结构分析 上海中华金融中心大楼（以下简称“耀石中心”）由日本森大楼（以下简称“耀石中心”）一级建筑部门设计和审查，日本森耀石学会（konperdsonyampf）负责整个项目的设计和审查。美国kpf（konperdsonastat）建筑公司负责建筑设计。美国赖斯利罗伯斯有限公司（lessel.罗伯特asstat）负责结构设计。受上海环球金融中心有限公司委托,同济大学土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室对上海环球金融中心进行了模拟地震动的振动台模型、节点试验及弹塑性时程分析等研究,本文主要介绍振动台模型试验的研究。 这是一幢以办公为主,集商贸、宾馆、观光、展览及其他公共设施于一体的大型超高层建筑。主楼地下3层,地上101层,地面以上高度492m,拟建成目前世界上结构主体最高的建筑物。建筑平面为57.95m×57.95m的正方形,大楼建筑面积为252 935 m2,裙房为33 370 m2,地下室为63 751 m2,合计约35万m2,标准层结构平面如图1所示。 环球中心的结构设计以中国规范和部分美国规范为依据。结构采用钢与混凝土的混合结构,结构体系的主要特点有:(1)采用三重结构体系抵抗水平荷载,它们分别是由巨型柱、巨型斜撑以及带状桁架构成的三维巨型框架结构、钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂钢桁架,这三重结构体系位置关系见图2;(2)核心筒沿高度方向不连续,在57层～60层及78层～79层楼层处核心筒进行了二次转换,连接部分构造复杂,见图3;(3)沿结构高度设置的3道伸臂桁架均未在核心筒内贯通;(4)三维巨型框架采用了单向斜撑,巨型柱B在42层以上分叉后形成的倾斜面上未设置斜撑。因此,周边巨型框架未形成闭合体系。 根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002),该建筑总高超过了钢框架-钢筋混凝土筒体结构最大高度160m的和型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体最大高度190m的限值,同时高宽比超过了设防烈度7°地区为7的限值,均超过了我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)的限值。鉴于环球中心结构体系的复杂性、结构高度及体型超限,对环球中心进行了缩尺模型的振动台试验,研究该结构在地震作用下的动力特性和结构的动力反应,评价其抗震性能。 1 模型结构简化和振动测试应用 根据结构的具体特点、模型制作和试验条件,首先确定几何相似比为1/50;考虑到振动台噪声、台面承载力和振动台性能参数等因素将加速度相似比定为2.5;试验室可以实现的混凝土弹性模量相似比一般为1/5～1/3,进行模型设计时初步确定混凝土弹性模量相似比为0.2,钢材的弹性模量相似比为0.5。在模型施工完成后,对模拟钢材的紫铜和施工过程中同步制作的混凝土试块进行了材性试验,得到了实测的混凝土平均弹性模量相似比为0.26,钢材与铜材的弹性模量比为0.53,考虑到该结构是钢-混凝土组合结构,试验最终确定的弹性模量相似比确定为0.32,模型结构的主要相似关系见表1。钢构件的截面尺寸和混凝土构件配筋根据等强设计要求确定。 环球中心采用了三重结构体系抵抗水平荷载——巨型框架、核心筒和伸臂桁架,因此,楼板对整个结构的抗侧刚度贡献很小。为解决小比例模型的施工问题,本试验对结构模型进行了部分简化,在模型设计时,每隔一层标准层抽除一层楼板,将被抽除楼板的恒、活载均平分至该楼层的上、下邻层,并根据抗弯刚度和强度等效的原则修正楼面钢梁和钢柱。结构加强层和核心筒转换处等特殊楼层不作简化。全结构共抽除27层楼板。 在模型设计简化前,利用有限元软件ANSYS对该结构进行了两种对比计算,一是计算原结构,二是计算抽去部分标准层楼板后的简化结构。计算结果表明,简化前、后结构自振周期的最大差异是2.33%;不同地震作用下的动力反应差异不大,如抽层后结构各层位移最大增加5.59%;层间位移角最大增加8.15%,结构层间位移角曲线分布的特征无显著改变。这一结果表明,抽去模型结构的部分标准层楼板是可行的,按抽层模型结构进行抗震试验分析是偏于安全的。 根据相似关系的要求,模型材料采用微粒混凝土、镀锌铁丝和紫铜。微粒混凝土用来模拟混凝土,以较大粒径的砂砾为粗骨料,以较小粒径的砂砾为细骨料。它的施工方法、振捣方式、养护条件以及材料性能都与普通混凝土十分相似,在动力特性上与原型混凝土有良好的相似关系,可以通过调整配合比,满足降低弹性模量的要求。采用紫铜模拟钢材,紫铜可根据需要进行裁剪、拼接、弯制或焊制成各种截面形式。镀锌铁丝用来模拟钢筋,它可以绑扎、焊接或搭接并弯制成任何形状,还可利用铁丝网作为墙、板分布筋。模型的外模采用有机玻璃,这样模型表面平整光滑,可及时发现浇筑过程中的问题。内模采用泡沫塑料,即使局部内模不能拆除,由于泡沫塑料和混凝土相比,在