上海國際金融中心三塔連體結構廊橋連接形式分析

楊　欽

(華東建筑設計研究院有限公司，上海　200011)

?

上海國際金融中心三塔連體結構廊橋連接形式分析

楊欽

(華東建筑設計研究院有限公司，上海200011)

【摘要】上海國際金融中心由“上海金融交易廣場上交所”、“上海金融交易廣場中金所”和“上海金融交易廣場中國結算”三幢高層塔樓和相連的整體地下層組成的建筑群。塔樓的總高度為220m(上交所)， 200m(中金所)和163m(中結算)。三幢塔樓在7層、8層和9層由三層輕型廊橋連接成整體結構。本文采用通用有限元程序Abaqus對該三塔連體結構進行了罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析，并著重分析對比了塔樓與廊橋不同連接形式對廊橋位移、受力性能的影響，為該結構及其他類似結構的性能設計提供參考。

【關鍵詞】動力彈塑性；三塔連體結構；連接形式；性能設計

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.02.11

1工程概況

上海國際金融中心項目，由“上海金融交易廣場上交所項目”，“上海金融交易廣場中金所項目”，“上海金融交易廣場中國結算項目”三幢高層塔樓和相連的整體地下層組成的建筑群。塔樓的總高度為220m(上交所)， 200m(中金所)和163m(中結算)。塔樓的樓層數分別為38層、36層及28層。塔樓底層L01地下有5層的地下室，層高不等。塔樓平面為矩形，邊長為72m×72m(上交所)， 54m×72m(中金所)和42m×72m(中結算)。外形在塔樓通高保持不變。樓面的形狀和層高均有變化。每個塔樓的水平支撐由兩個對稱的混凝土核心筒組成，核心筒由三對分布在不同高度的鋼結構支撐連接，核心筒貫穿塔樓整個高度。為了增加橫向剛度和減少水平位移，增加設計了聯系兩個核心筒的橫向鋼桁架。三幢塔樓在7層、8層和9層由三層輕型橋連接成整體結構。橋的總跨度超過158m，通過兩個中間電梯井支撐將跨度分割為三跨，兩端37m和中間84m。

三幢塔樓在大多數樓層平面內均有大面積的樓板開洞，屬于平面不規(guī)則結構。主體結構采用框架-核心筒體系，外框架為圓鋼管混凝土柱、鋼框架梁。鋼管混凝土柱截面為Φ1200x1140～Φ900x860。核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻體系，外墻厚750～400mm，內墻厚500～300mm。廊橋采用空腹箱梁附加組合型橋面的設計(箱梁截面尺寸見圖4所示)。每層橋的結構高度大約為3.50m，剩余的橋面之間的凈高度仍然有接近6.50m。廊橋自身通過電梯井與基礎底部固結，并在三個橋面的端部與三幢塔樓連接成整體結構。為了使廊橋和塔樓之間的相互影響達到最小，對塔樓和廊橋的不同連接形式進行分析，研究廊橋與塔樓不同的支座連接形式對廊橋及整體結構的影響，并對其進行評價。

2分析方法

2.1分析軟件

目前常用的彈塑性分析方法從分析理論上分有靜力彈塑性(pushover)和動力彈塑性兩類，從數值積分方法上分有隱式積分和顯式積分兩類。本工程以ABAQUS作為求解器進行彈塑性分析，采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法，這種分析方法未作任何理論的簡化，直接模擬結構在地震力作用下的非線性反應，具有如下優(yōu)越性：

(1)完全的動力時程特性

直接將地震波輸入計算模型進行彈塑性時程分析，可以較好地反映在不同相位差情況下構件的內力分布，尤其是樓板的反復拉壓受力狀態(tài)；

(2)完全的幾何非線性

結構的動力平衡方程建立在結構變形后的幾何狀態(tài)上，可以精確的考慮“P-Δ”效應、非線性屈曲效應、大變形效應等非線性影響因素；

(3)完全的材料非線性

直接在材料應力-應變本構關系的水平上進行模擬，真實的反映了材料在反復地震作用下的受力與損傷情況；

(4)采用顯式積分，可以準確模擬結構的破壞情況直至倒塌形態(tài)。

2.2材料模型

混凝土材料采用彈塑性損傷模型，當混凝土材料進入塑性狀態(tài)后，其拉、壓剛度降低如圖6、7，混凝土受拉、受壓損傷系數分別由dt和dc表示。

反復荷載下材料拉、壓剛度的恢復如圖8，當荷載從受拉變?yōu)槭軌簳r，混凝土材料的裂縫閉合，抗壓剛度恢復至原有的抗壓剛度；當荷載從受壓變?yōu)槭芾瓡r，混凝土材料的抗拉剛度不恢復。

混凝土材料軸心抗壓和軸心抗拉強度標準值按《鋼筋混凝土設計規(guī)范》附錄C采用。

鋼材本構采用二折線動力硬化模型模擬鋼材在反復荷載作用下的σ-ε關系，并控制最大塑性應變?yōu)?.025，鋼材的彈性模量為Es，強化段的彈性模量為0.01Es，如圖9所示。程序中考慮了在反復荷載作用下，鋼材的包辛格(Bauschinger)效應。

2.3構件模型

梁、柱、斜撐等線構件，采用截面纖維模型單元B31。并考慮下述條件：

Timoshenko梁，考慮剪切變形；截面剪切剛度計算如下：

Kα3=kGA

采用上述混凝土彈塑性損傷模型本構關系；

轉角和位移分別插值，是C0單元，容易和同樣是C0單元的殼元連接；

采用GREEN應變計算公式。考慮大應變的特點，適合模擬梁柱在大震作用下進入塑性的狀態(tài)。

在梁、柱截面設有多個積分，用于反映截面的應力應變關系，截面積分點可由程序自動設置，也可以由人工自己定義，圖10為幾種標準截面積分點設置情況。對于不規(guī)則截面則按圖11方式定義。

樓板采用ABAQUS中S4R殼單元，可考慮下述條件：

采用彈塑性損傷模型本構關系；

可考慮多層分布鋼筋；

轉角和位移分別插值，是C0單元，與梁單元的連接容易；可模擬大變形、大應變的特點，適合模擬剪力墻在大震作用下進入塑性的狀態(tài)。

2.4分析步驟

考慮到恒荷載是隨著施工過程的進展逐步施加在結構之上，所以首先對結構進行施工過程模擬分析。在分析過程中結構構件隨著施工階段的進行逐步被引入模型，相應的恒荷載也同時被引入計算模型。在施工階段完成之后，再把0.5倍的活荷載施加在整體結構上進行“恒+0.5活”的荷載工況計算。在后續(xù)的地震分析中，重力荷載代表值(恒+0.5活)一直作用在結構上。在本工程的分析中，每個樓層采用1個施工步，另廊橋部分在結構主體施工全部完成后再施工安裝。施工步完成后，對結構進行“恒+0.5活”加載，共有41個加載步。

2.5地震波選取與輸入

本項目位于上海地區(qū)，因此選取上海地區(qū)的5組天然波和2組人工地震波。采用兩向輸入，主次方向和豎向的幅值比值為1： 0.85，每組波交換主次方向進行兩次計算，共計14個地震波輸入工況。地震波的峰值按照項目所在地區(qū)7度區(qū)加速度峰值200cm·s-12選用。計算持續(xù)時間根據地震波的衰減特性取35s～70s，滿足大于結構第一自振周期5至10倍的要求。

3廊橋支座不同連接形式對結構的影響分析

廊橋與塔樓之間的連接形式對整體結構的動力特性和受力性能具有重要影響，因此本文采用通用有限元程序ABAQUS分別對該三塔連體結構和廊橋的不同連接形式進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析。分別分析廊橋與上交所和中結算相連的支座兩端橡膠阻尼、兩端鉸接、兩端剛接、兩端滑動以及廊橋與中金所考慮橡膠阻尼、鉸接、剛接、滑動等不同的連接方式對廊橋及整體結構受力性能的影響，并對其進行評價，為該結構及其他類似結構的性能設計提供參考。上海國際金融中心結構模型見圖12所示。

3.1廊橋支座不同連接方式對結構周期的影響

分析廊橋與主體結構連接的支座分別為橡膠阻尼支座連接、鉸接、剛接和滑動時結構的周期，具體如下。

由表1可以看出，廊橋與上交所和中結算不同連接形式對整體結構周期的影響很小，而廊橋與中金所不同連接形式對中金所單體的周期有一定的影響，但總體影響均很小。因為該連體結構與常規(guī)連體結構有所不同，該連體結構通過廊橋連接，而廊橋自身通過電梯井與基礎底部固結，因此廊橋為自成體系。同時從表2周期可以看出廊橋剛度相對于三個獨立塔樓的剛度大很多，而僅僅通過廊橋與塔樓的6個連接節(jié)點作用，無伸臂桁架或其他加強連接的措施，塔樓之間通過廊橋相互影響就很小，塔樓之間的振型還是相對比較獨立的。因此，僅僅通過廊橋與塔樓之間的連接方式不同對整體結構的影響有限。

3.2不同地震響應對廊橋的影響

分析不同的地震響應對廊橋水平位移和豎向位移的影響，以便于設計人員根據不同要求設計不同的支座形式。本節(jié)分析整體結構在X向地震波作用下大震、中震和小震時的時程響應，總結出廊橋與塔樓之間的相對變形情況。廊橋與塔樓采用橡膠阻尼支座，相對X向最大水平位移見表3-4，相對X向水平位移位移曲線見圖16-18。

3.2.1不同地震響應下廊橋與塔樓支座節(jié)點位移

在不同地震相應下分別計算廊橋與塔樓相連處節(jié)點廊橋和塔樓的位移，計算結果見表3。

從表3及圖17-18可以看出，塔樓和廊橋支座處的節(jié)點X向位移均隨著地震力的增加而增大，水平位移基本上與地震力呈線性遞增關系。

3.2.2不同地震響應下廊橋與塔樓支座節(jié)點相對位移

在不同地震相應下分別計算廊橋與塔樓相連處節(jié)點廊橋和塔樓的相對位移，計算結果見表4。

由表4可以看出，分別在小震、中震和大震作用下，隨著地震力的增大，廊橋與中結算相對X向水平最大位移近似滿足線性遞增關系。而廊橋與上交所相對X向水平最大位移中震與小震相差不大，從時程曲線可以看出，廊橋與上交所單體在中震作用下，水平位移振動響應方向相對比較一致，因此，廊橋與上交所單體水平X向位移部分相互抵消，導致中震下X向水平相對位移較小。從以上分析可以看出，廊橋與單塔之間的相對位移并不是隨地震力的增大而呈現規(guī)律性的變化，除跟地震力響應大小有關外，還與單體和廊橋本身的動力特性相關。

3.3廊橋支座不同連接方式對廊橋的影響

3.3.1廊橋與上交所和中結算不同連接形式對廊橋的影響

整體結構在X向地震波作用下分別分析廊橋與塔樓上交所和中結算連接時支座兩端阻尼、兩端鉸接、兩端剛接以及兩端滑動等不同的連接方式對廊橋水平位移和內力的影響，為設計人員在類似工程中提供參考。

(1)廊橋支座不同的連接方式對廊橋位移影響

廊橋支座不同的連接方式下廊橋最大X向水平位移見表5。

由表5可以看出，廊橋與塔樓剛接、鉸接以及滑動連接時，廊橋水平位移相差不大，與通常觀念上連體結構采用滑動連接時連體部分位移較大有所偏差。分析其原因可知，該連接部分與一般連接體不同，該連接部分的廊橋通過兩個電梯井與基礎固結，自成結構體系。因此三個單體及一個廊橋可以各自自成體系，各自抵抗地震響應，對比獨立塔樓與整體剛接模型X向最大基底剪力可以看出(表6)，單體上交所和廊橋的最大基底剪力小于整體剛接模型，單體中結算的最大基底剪力大于整體剛接模型。在整體模型中，單體上交所起“幫扶”廊橋作用，而廊橋對中結算起“幫扶”作用。因此整體上，塔樓與廊橋在地震作用下互相之間作用的影響不大，它們之間的連接方式不同影響有限。當廊橋支座采用阻尼連接方式時，支座起到耗能作用，因此可以適當降低廊橋的水平位移。

由表6-8可以看出，隨著廊橋與塔樓連接方式的減弱，結構整體剛度的減小，因此整體結構的基底剪力也減小，其中廊橋兩端剛接時最大，廊橋兩端滑動時最小。而分析三連體結構中的單塔樓時，各塔樓的基底剪力并不是隨著廊橋連接方式的減弱而減小，恰恰相反，隨著廊橋連接方式的減弱各單塔樓各自的最大基底剪力均有所增加，由于廊橋連接方式的減弱，各塔樓的相互協調幫襯的能力減弱，當出現較大基底剪力時其他塔樓的協調幫襯能力減弱，因此出現了以上情況。

(2)廊橋支座不同的連接方式對廊橋受力影響

分析廊橋兩端阻尼、兩端鉸接、兩端剛接以及兩端滑動等不同的連接方式對廊橋內力的影響，四種連接方式下廊橋鋼構件應力的影響見表9所示。

由表9可以看出，采用不同支座連接方式對廊橋鋼構件應力影響不大。當采用兩端剛接時塔樓對廊橋影響最大，其次是鉸接，最后阻尼和滑動。兩端剛接對鋼構件應力的影響較兩端阻尼大3.00%。由上小節(jié)分析可知，各個塔樓與廊橋不同連接方式下各個塔樓與廊橋的基底剪力變化不大，各個塔樓與廊橋在地震作用下互相之間作用的影響不大，它們之間的連接方式不同影響有限。

同時從表10也可以看出，隨著塔樓與廊橋的連接節(jié)點的增強，塔樓與廊橋相互作用的最大水平地震力也增大。兩端剛接時塔樓與廊橋相互作用力最大，其次是鉸接，最后阻尼。

支座不同連接方式塔樓與廊橋地震下相互作用的最大水平地震力如表10所示。

3.3.2廊橋與中金所不同連接方式對廊橋的影響

整體結構在Y向地震波作用下分析廊橋與中金所連接時支座阻尼、鉸接、剛接以及滑動等不同的連接方式對廊橋水平位移和內力的影響，為設計人員在類似工程中提供參考。

(1)廊橋支座不同的連接方式對廊橋位移影響

廊橋支座不同的連接方式下廊橋最大Y向水平位移見表11。

由表11可以看出，廊橋與塔樓剛接、鉸接、阻尼以及滑動連接時，隨著連接剛度的逐漸減弱，廊橋水平位移逐漸增大，與X向作用相應不一致。分析其原因可知，在X向上，各個塔樓與廊橋不同連接方式下塔樓與廊橋的基底剪力變化不大，它們相互之間作用影響很小。而在Y向上，從表12可以看出，隨著廊橋連接剛度的逐漸減弱，廊橋承擔的基底剪力逐漸增大，而與之相連的中金所相應減小。因此可以推出，在Y向上中金所對廊橋起到“幫扶”作用。同時，隨著廊橋與塔樓連接方式的減弱，結構整體剛度的減小，因此整體結構的基底剪力也減小，其中廊橋剛接時最大，廊橋阻尼時最小。

(2)廊橋支座不同的連接方式對廊橋受力影響

分析廊橋阻尼、鉸接、剛接以及滑動等不同的連接方式對廊橋內力的影響，四種連接方式下廊橋鋼構件應力的影響見表15所示。

由表15可以看出，采用不同支座連接方式對廊橋鋼構件應力影響較大。當采用兩端滑動連接時塔樓對廊橋內力影響最大，其次是阻尼，最后鉸接和剛接。兩端滑動對鋼構件應力的影響較兩端阻尼大3.05%，兩端剛接對鋼構件應力的影響較兩端阻尼小36.9%。由上小節(jié)分析可知，在Y向上中金所對廊橋起到“幫扶”作用，中金所與廊橋的連接節(jié)點越強，塔樓對廊橋起到“幫扶”作用越大，因此滑動時廊橋鋼構件應力最大，剛接時最小。

同時從表16也可以看出，隨著塔樓與廊橋的連接節(jié)點的增強，塔樓與廊橋相互作用的最大水平地震力也增大。兩端剛接時塔樓與廊橋相互作用力最大，其次是鉸接，最后阻尼。

支座不同連接方式塔樓與廊橋地震下相互作用的最大水平地震力如表16所示。

4結論

本文分別分析了廊橋與上交所和中結算相連的支座兩端橡膠阻尼、兩端鉸接、兩端剛接、兩端滑動以及廊橋與中金所考慮橡膠阻尼、鉸接、剛接、滑動等不同的連接方式對廊橋及整體結構動力性能的影響。總結如下：

(1)廊橋與上交所和中結算不同連接形式對整體結構周期的影響很小，而相比于廊橋與中金所不同連接形式對單體中金所的周期有一定的影響，但總體影響均很小。因為該連體結構通過廊橋連接，而廊橋自身通過電梯井與基礎底部固結，因此廊橋為自成體系。同時廊橋剛度相對于三個獨立塔樓的剛度大很多，而僅僅通過廊橋與塔樓的6個連接節(jié)點作用，無伸臂桁架或其他加強連接的措施，塔樓之間通過廊橋相互影響就很小，塔樓之間的振型還是相對比較獨立的。因此，僅僅通過廊橋與塔樓之間的連接方式不同對整體結構的影響有限。

(2)廊橋與單塔之間的相對位移并不是隨地震力的增大而呈現規(guī)律性的變化，除跟地震力響應大小有關外，還與單體和廊橋本身的動力特性相關。

(3)在X方向上，廊橋與塔樓剛接、鉸接以及滑動連接時，廊橋水平位移相差不大，與通常觀念上連體結構采用滑動連接時連體部分位移較大有所偏差。分析其原因可知，該連接部分與一般連接體不同，該連接部分的廊橋通過兩個電梯井與基礎固結，自成結構體系。三個單體及一個廊橋可以各自自成體系，各自抵抗地震響應。在整體模型中，單體上交所起“幫扶”廊橋作用，而廊橋對中結算起“幫扶”作用。因此整體上，塔樓與廊橋在地震作用下互相之間作用的影響不大，它們之間的連接方式不同影響有限。當廊橋支座采用阻尼連接方式時，支座起到耗能作用，因此可以適當降低廊橋的水平位移。

(4)在X方向上，隨著廊橋與塔樓連接方式的減弱，結構整體剛度的減小，整體結構的基底剪力也減小，其中廊橋兩端剛接時最大，廊橋兩端滑動時最小。分析三連體結構中的單塔樓時，各塔樓的基底剪力并不是隨著廊橋連接方式的減弱而減小，恰恰相反，隨著廊橋連接方式的減弱各單塔樓各自的最大基底剪力均有所增加，由于廊橋連接方式的減弱，各塔樓的相互協調幫襯的能力減弱，當出現較大基底剪力時其他塔樓的協調幫襯能力減弱。

(5)在X方向上，采用不同支座連接方式對廊橋鋼構件應力影響不大。

(6)在Y方向上，廊橋與塔樓剛接、鉸接、阻尼以及滑動連接時，隨著連接剛度的逐漸減弱，廊橋水平位移逐漸增大，與X向作用相應不一致。由于在X向上，各個塔樓與廊橋不同連接方式下各個塔樓與廊橋的基底剪力變化不大，它們相互之間的作用很小。而在Y向上，隨著廊橋連接剛度的逐漸減弱，廊橋承擔的基底剪力逐漸增大，而與之相連的中金所相應減小。即在Y向上中金所對廊橋起到“幫扶”作用。同時，隨著廊橋與塔樓連接方式的減弱，結構整體剛度的減小，因此整體結構的基底剪力也減小，其中廊橋剛接時最大，廊橋阻尼時最小。

(7)在Y方向上，采用不同支座連接方式對廊橋鋼構件應力影響較大。其中，采用兩端滑動連接時塔樓對廊橋應力影響最大，其次是阻尼，最后鉸接和剛接。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2010.

[3]徐培福， 傅學怡，王翠坤，肖從真.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2005.

[4]儲德文， 梁博，王明貴.鋼框架-混凝土筒體混合結構抗震性能振動臺試驗研究[J].建筑結構， 2005， 35(8)： 69-72.

[5]安東亞. 超高層框架-核心筒結構抗震防線與破壞機制研究[D].同濟大學土木工程學院.上海： 2015.

[6]王潔， 安東亞.常州潤華環(huán)球中心主塔樓結構抗震彈塑性分析研究[J].結構工程師， 2013(8)V29，No.4.

[7]汪夢甫， 周錫元.高層建筑結構抗震彈塑性分析方法及抗震性能評估的研究.土木工程學報， 2003,36(11)： 44-49.

[8]李志山，容柏生.高層建筑結構在罕遇地震影響下的彈塑性時程分析研究.建筑結構， 2006 21(3)： 42-48.

Analysis on Influences of Different Connection Forms of Corridor Bridge on the Mechanical Performance of Shanghai International Financial Center

Yang Qin

(EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.，Ltd.，Shanghai200041,China)

Key Words：Elasto-plastic Dynamic; Three Towers Connected Structure; Different Connection Form; Mechanical Behavior

Abstract:The Shanghai International Financial Center Project consists of three parts, namely Shanghai Stock Exchange (SSE), China Financial Futures Exchange (CFFEX) and China Securities Depository and Clearing Corporation Ltd (CSDCC). The towers with respective heights of 220m, 200m and 163m are connected by a light bridge construction at floors 07, 08 and 09. Elastoplastic dynamic analyses under rare occurred earthquake are conducted by the Abaqus software. Structural performance of the displacement and mechanical behavior are evaluated during analysis on different connection forms of the corridor bridge. The methods and results presented in this article offer reference to the design of this project and can also be used for other similar structural designs.

【基金項目】上海市科委支撐計劃課題“上海國際金融中心建設關鍵設計技術研究與應用”(編號：13231201002)

【作者簡介】楊欽(1984-)，男，工學碩士，工程師，主要研究方向：復雜結構分析與設計。

【中圖分類號】

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)02-0066-11