【上海中心大厦输入地震动分析与选用】住在高楼地震怎么办

来源:入团申请书 发布时间:2019-07-11 08:45:15 点击:

第40卷第11期建筑结构2010年11月

上海中心大厦输入地震动分析与选用

赵昕,孙华华,丁洁民,祁晓昱

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海200092)

*

[摘要]对上海中心大厦基于性能的抗震设计所采用的地震波的选用进行了研究。由于上海地区场地特征周期对于自振周期也较长的超高层建筑结构的抗震极为不利。因此,选用合理准确的地震波进行时程分析对于上较长,

海这类软土场地上建设的超高层建筑结构基于性能的抗震设计至关重要。在地震波的选用中综合考虑了场地类地震波数量、频谱特性、有效峰值、持续时间、统计特性、震源机制以及工程判断等方面的要求,同时给出上海中别、

心大厦项目选用地震波的流程。最后,基于所选用的地震波,给出了结构弹性和弹塑性分析的结果。[关键词]地震波选用;基于性能的抗震设计;长周期分量;超高层建筑结构

Ground motion evaluation for performance-based seismic design of Shanghai Tower

Zhao Xin ,Sun Huahua ,Ding Jiemin ,Qi Xiaoyu

(Architectural Design &Research Institute of Tongji University (Group )Co. ,Ltd. ,Shanghai 200092,China )Abstract :The ground motion evaluation procedure for the performance-based seismic design of Shanghai Tower was addressed. The site specific ground motions in Shanghai are characterized by high long period components ,which is a serious disadvantage for super high-rise buildings with long vibration periods. The high quality ground motions are vital for performance-based seismic design of super high-rise buildings in very soft site like Shanghai area. The critical topics for the ground motion evaluation procedure ,including the site effects ,ground motion number ,spectrum characteristics ,effective peak ground motion ,time history scaling ,time duration ,fault mechanism and stochastic characteristics of the structural responses ,were fully discussed. A ground motion evaluation procedure was proposed ,and was applied in Shanghai Tower project to show the effectiveness of the procedure. Finally ,the application method of the selected ground motions in the elastic and elasto-plastic time history analysis of Shanghai Tower was discussed.

Keywords :ground motion evaluation ;performance-based seismic design ;long period component ;super high-rise building

0概述

作为弹性反应谱方法的有益补充,时程分析方法

对上海中心大厦基于性能的抗震设计采用的地震波的选用过程及分析结果进行了讨论。首先介绍了上海中心大厦的项目概况、场地特征及抗震设计采用的(GB50011—反应谱;其次论述了《建筑抗震设计规范》

2001)(以下简称抗震规范)及抗震审查对于输入地震介绍了上海中心大厦项目地震波参数分析波的要求,

及地震波选用结果;最后介绍了时程分析过程中应用地震波的方法以及上海中心大厦弹塑性时程分析的主要结果。1

项目概况

上海中心大厦位于银城中路501号,上海浦东新1,Z3-2地块,区陆家嘴金融中心区Z3-所处地块东至东泰路,南至陆家嘴环路,西到银城中路,北至花园石桥路。它与金茂大厦、环球金融中心共同组成一组三“品”角的字形关系的建筑群。

上海中心大厦工程包括以下组成部分:1)一幢超

有针对性地选允许工程设计人员考虑不同的谱特性、

择特定的地震波,从而观察线弹性结构在不同于设计反应谱特性作用下的时程响应特征。当结构进入较强的弹塑性阶段时,基于模态迭加原理的弹性反应谱分析方法不再适用。基于直接积分法的时程分析方法能较为准确地反映结构的非线性及高阶模态特征,已被广泛地应用于工程结构在地震作用下的弹塑性分析。

上海地区建设超高层建筑应充分考虑长周期地震动的影响。一方面,上海地区位于厚度约300m 的软弱冲积层上,场地特征周期较长,另一方面,超高层建筑对长周期地震动较为敏感。由于传统通常周期较长,

地震观测仪器的限制,国内外目前对长周期部分地震观测资料较为缺乏,因此基于实测地震动统计结果的设计反应谱方法往往无法准确反映地震动的长周期分量。选择与建设场地特征类似,且包含较为丰富的长是考察超高周期分量的场地地震记录进行时程分析,层建筑地震响应的重要手段

[1-3]

*上海市科技攻关计划资助(09dz1207704)。

Email :22zx@tjadri. com 。作者简介:赵昕,博士,高级工程师,

40

高层塔楼建筑,塔楼地上124层,建筑高度632m ,结构屋顶高度约580m ;2)一幢7层高的裙房建筑,地上建筑面积约为24600m ;3)一个5层地下室建筑,用作零售、泊车、保养和机电功能。

本项目地上可容许建筑面积约38万m ,地下室面积约14. 3万m 。上海中心塔楼外部幕墙呈三角形内部办公平面由9个圆形建筑彼此叠加旋转上升状,

共分8个区域,各区域含有一个空中花园。楼层构成,

结构平面由底部(第1区)直径83. 6m 逐渐收进并减小到42m (第8区)。中央核心筒底部为30m ˑ 30m 方核心筒四角被削掉,逐形混凝土筒体。从第5区开始,

渐变化为十字形,直至顶部。裙房结构在平面上分为东西两个部分,东裙房结构与塔楼相连,依靠塔楼的抗侧力体系抵抗水平荷载。东裙房与西裙房及塔楼在地地面以下部分不设缝

。面以上部分用防震缝分开,

上海中心大厦采用了巨型框架伸臂核心筒结构体4,5 8区共设置了6系(图1)。沿高度方向在第2,

道两层高的伸臂桁架。此外,各区均设置有两层高的箱形环带桁架。巨柱底部最大截面尺寸为5300mm ˑ 3700mm ,核心筒底部最大厚度为1200mm 。在各个分区的避难层均设置了径向桁架作为幕墙结构的支撑系统。巨型框架由8根巨柱和每个加强层设置的两层高的箱形空间桁架相连而成。

4根角柱在第巨型框架的8根巨柱在第8区终止,

2

2

2

5区终止。在第6区以下沿建筑对角位置布置的4根角柱主要用于减少箱形空间桁架的跨度。箱形空间桁架是抗侧力体系巨型框架的一部分,同时也是建筑周边重力柱的转换桁架。作为巨柱之间的有效连接,箱形空间桁架与巨柱共同形成巨型框架结构体系。核心筒平面形状沿高度根据建筑平面功能作相应调整,底部为29m ˑ 29m 的方形布置,中部为切角方形布置,顶部为十字形布置。在建筑底部,为减小核心筒墙体厚增加底部加强区延性,在核心筒内埋设了钢板。度,

使用ETABS 软件对上海中心大厦整体模型进行8. 96,5. 59s ,分析,得到结构前3阶周期分别为9. 05,Y 向一阶平动和一阶扭转振型分别为X 向一阶平动、振动。结构前3阶振型见图2。2

上海地区场地特征上海地区位于厚度约300m 的软弱冲积层上,属于我国东部地震频率较低、强度弱的地区。项目建设邻近拟场地无断裂带通过,建场地主要分布有三条断裂带,分别为北西向的罗店-周浦断裂带、北西西向的静安寺断裂带、北东向的虹桥-五角场断裂带

[4]

。根

图2

结构前3阶振型

据抗震规范的规定,上海中心大厦的场地类别属于IV

类(抗震规范中IV 类场地土的定义为覆盖层大于50m ,且剪切波速介于140 250m /s 之间,或者覆盖层在15 80m 之间,且剪切波速小于140m /s 的土层)。因此,上海地区场地的特征周期在1s 左右。根据《中(GB18306—2001),国地震动参数区划图》上海市的抗震设防烈度为7度。根据上海中心大厦项目工程场地地震安全性报告,上海地区震源机制以走滑型断层错动方式为主。所选取的地震波应尽量以走滑型断错为数量不足时可以考虑其他震源机制,但应确保为相主,

同的场地类别。

由于面波的平面衰减特征,远程地震对上海地区的影响以长周期为主。距汶川地区约2200km 的上海上海张地区在汶川地震中记录到明显的长周期面波,江地区记录的土层响应10s 反应谱可达5gal 左右,已且已经接近50年超越概率63%达到可以感觉的程度,

水平向的场地反应谱。根据新闻报道,在汶川地震中,包括金茂大厦在内的高层、超高层建筑震感强烈。3

图1

上海中心大厦结构体系构成

设计反应谱

建筑结构的设计基准期通常为50年。在不同的

41

设计基准期下,可以设定三种设计地震水平,即多遇地震、设防地震和罕遇地震。抗震规范规定在给定的设多遇地震的超越概率为63. 2%,设防地计基准期下,

震的超越概率为10%,罕遇地震的超越概率为2% 3%。不同的设计基准期下,多遇地震、设防地震和罕遇地震对应的重现期见表1。上海中心大厦项目进行抗震设计采用了50年设计基准期。

不同设计使用年限与各地震水平相对应的重现期/年表1

设计基准期

50100

多遇地震

50100

设防地震475950

罕遇地震19753950

地震波的持续时间不应小于结构自振周期义上相符,

的5 10倍。上海地区加速度时程的最大值可按表2采用。

上海地区不同地震水平下的地震加速度最大值/cm /s 表2

地震水平多遇地震设防地震罕遇地震

6度1850100

7度35100200

8度70200400

2

考虑弹性分析方法,每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。对于双向地震动输入的情况,上述统计特性要求仅针对水平主方向。在底部剪力比较时,单向地震动输入的时程分析结果与单向反应谱分析结果进行对比,双向地震动输入的时程分析结果与双向反应谱分析结果进行对比。

对于特别重要的项目,在抗震审查时专家通常要求进行多于3组地震波输入的时程分析结果。上海中心大厦的时程分析中考虑了7组地震波输入。当仅有3组地震波输入时,控制指标通常取3组地震波分析结果的最大值;当取7组地震波输入时,控制指标取所有7组地震波分析结果的平均值。上海中心大厦项目最终考察了7组地震波分析结果的平均值。

实测的地震动记录通常存在不同程度的噪声分量。噪声分量可以分为两类,一类是由于强震仪自身产生的,可以通过与所用强震仪相匹配的仪器校正方法进行消除;另一类是测量记录的随机噪声,可以通过带通滤波的方法进行消除。

在进行随机噪声消除时,所采用的带通滤波器的截止频率选取将对地震波的适用性产生影响。通常根据谱变换或者时程积分后的波形确定地震记录存在较大噪声的频率范围,继而选择相应的高频和低频截止频率。对于长周期结构而言,低频截止频率的设定有可能滤除与结构低阶模态对应的频率成分

[5]

用于超高层建筑抗震设计和分析的地震作用通常表现为两种方式,即设计反应谱和地震动时程。对已厂矿和小区,可按批准的进行过抗震设防区划的地区、

抗震设防烈度或设计地震动参数确定地震作用。对已进行过场地地震安全性评价的工程项目,可以根据设计地震水平的不同分别确定地震作用。对于多遇地可根据安评结果和规范结果采用两者的较大值,设震,

计反应谱可以取规范反应谱及安评建议反应谱的包络谱。对于设防地震和罕遇地震,地震作用的取值一般可以按规范参数采用,也可以根据经济条件取大于规范值的安评参数。

上海中心大厦多遇地震反应谱取上海抗震规范反设防地震和罕遇地应谱和安评建议反应谱的包络谱,

震反应谱均取上海抗震规范反应谱。抗震分析时多遇地震、设防地震和罕遇地震采用的阻尼比分别为4. 0%,4. 0%和5. 0%,对应的周期折减系

数分别为0. 90,0. 95和1. 00,相关的反应谱图形见图3。

。以上海

中心大厦为例,结构的第1阶周期为9. 05s ,对应的频

图3

上海中心大厦地震设计反应谱

率为0. 11Hz 。如果带通滤波的低通截止频率大于0. 11Hz ,输入地震动中与结构第1阶振型对应的频率分量将严重失真。

环球金融中心时程分析采用的地震波之一的PMN000是美国加州地区1992年6月28日发生的Landers 地震中记录的地震波。该记录的震级7. 28为走滑型震源机制,高通截止频率为0. 12Hz ,低通截止频率为23. 0Hz 。地震波时程曲线和反应谱见图4。高通截止频率对应的周期约为8. 3s ,表明地震记录中高于8. 3s 的频率成分有较高的噪声分量。根据实测结

4输入地震波要求

抗震规范规定,特别不规则的建筑和高度较高的

高层建筑应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。进行强度设计时,可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

采用时程分析法时应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线,其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意

42

果,环球金融中心的第1阶周期约为6. 5s ,因此该地震波用于环球金融中心是可行的,不会存在频率成分缺失的情况

[6]

上海中心大厦项目选用的地震波

编号1

名称US256

US257

US258US334US335US336US724US725US726US1213US1214US1215MEX006MEX007MEX008S79010S79011S79012L7111L7112L7113

方向N83W S07W UP N04W S86W UP North East UP UP North East N00E N90E UP ——————

地震名称

洛杉矶地震

发生时间1971年2月9日

发生城市

表3

。但对于上海中心大厦而言,由于结构第

1阶周期高达9. 05s ,已超出该地震波的频率范围,因此不能直接应用该地震波进行时程分析

VERNON ,CMD BLDG. ,CAL.

2博雷戈山地震1968年4月8日

ENG. BLDG. ,SANTA ANA ,

ORANGE COUNTY ,CAL. 5260CENTUARY BOULEVARD ,1ST FLOOR ,L. A. ,CAL. HOLLYWOOD STORAGE ,

PENTHOUSE ,LOS ANGELES ,CAL. GUERRERO ARRAY ,VILE ,MEXICO

3洛杉矶地震1971年2月9日

4

图4

1992年美国Landers 地震波时程曲线及反应谱

5

博雷戈山地震1968年4月8日

在地震波选用中考虑了场地类别、地震波数量、频谱特性、有效峰值、持续时间、统计特性、震源机制以及工程判断8个方面的要求。

地震波的选用共分为三步:根据场地类别、持时要求以及震源机制确定第一组地震波备选集;在第一组地震波的基础上,进行反应谱分析,校核频谱特性,确对定第二组地震波备选集;在第二组地震波的基础上,不同的地震波组合进行进一步的统计特性分析,确定最终用于抗震分析的地震波。流程见图5

墨西哥城地震1985年9月19日

6人工波(7度小震)——

7人工波(7度大震)——

图5地震波选用流程

图6

1985年墨西哥地震波时程曲线及反应谱

5地震波选择结果

根据上节提到的地震波选用流程,最终选择了7

组地震波作为弹塑性动力分析的输入地震动时程(表3)。其中两条地震波时程曲线和反应谱见图6,7。6

时程分析方法

选用的自然波每组应包括三向水平实测记录(通N-S 南北向以及U-D 竖向)。对于常为E-W 东西向、

每组自然波,定义峰值最大的方向为主方向,另外一个方向为次方向。主方向自然波应整体缩放,以满足加速度时程峰值的要求,次方向自然波应整体缩放,以满足加速度时程峰值为主方向加速度时程峰值85%的整体缩放后的主方向自然波峰值应为200cm /s ,要求,

整体缩放后的次方向自然波峰值应为170cm /s 。如果同时考虑竖向(U-D )地震记录,竖向自然波应整体缩放,以满足加速度时程峰值为水平主方向加速度时程峰值65%的要求。以7度罕遇地震为例,整体缩放后的竖向自然波峰值应为130cm /s 。

采用选用的自然波进行水平地震动分析时,每组自然波应进行两次时程分析。第一次分析时自然波的

2

2

2

图71971年美国旧金山地震波时程曲线及反应谱

主方向作用在建筑的X 方向,同时自然波的次方向作用在建筑的Y 方向;第二次分析时自然波的主方向作同时自然波的次方向作用在建筑用在建筑的Y 方向,

的X 方向。尽管人工波无法区分双向,在采用人工波进行时程分析时,考虑两个方向作用不同的人工波。每组人工波应进行两次时程分析。第一次分析时考虑主方向人工波作用在建筑的X 方向,第二次分析时考虑主方向人工波作用在建筑的Y 方向。基于选出的地震波进行上海中心大厦项目的弹塑性时程分析,基底

43

5和图8。各条反力及层间位移角的分析结果见表4,

波计算得出最大层间位移角均小于1/100,满足规范要求。最大层间位移角出现在层92 94(第7区的中间层)或层106 109(第8区的中间层)。

大震弹塑性时程分析底部反力

主震方向为X 向

地震波US257US335US725US1214MEX006S79010L7111平均值

基底剪力

V x /kN [***********][***********][1**********]2

倾覆弯矩M y /kN ·m [***********][***********][***********]00

主震方向为Y 向基底剪力V y /kN [***********][***********][1**********]9

倾覆弯矩M x /kN ·m [***********][***********][***********]00

超高层建筑结构,且场地较为软弱,上海中心大厦输入地震波应充分考虑长周期的影响。在地震波选取的过需要考虑多方面的影响,包括场地类别、地震波程中,

数量、频谱特征、有效峰值、持续时间、统计特性和震源机制等。根据考虑参数的不同,地震波的选用可以分为3个步骤进行。通过对不同数据库地震记录的分确定了几组长周期分量较为显著的地震动记录作析,

为上海中心大厦时程分析的输入时程。罕遇地震下的弹塑性时程分析表明,上海中心大厦的设计能够满足相应的抗震性能目标。

地震动观测是获取地震过程中的振动强度、频率掌握地震和超高层建筑的动特征和持续时间等信息,

力特性的重要方法。在进一步的设计中,上海中心大厦将考虑设置地震观测系统。获得的地震动记录一方面可以用于超高层建筑的抗震设计研究,另一方面也可以结合地震动测试结果,进行上海中心大厦性态监强震预警和震害评估等多方面工作。测、

致谢:感谢丁兆东对于本文分析工作的帮助,同时感谢沈祖炎教授、吕西林教授、王亚勇教授、胡绍隆总工程师和陈宗梁总工程师提出的宝贵建议。

表4

大震弹塑性时程分析最大位移及层间位移角

地震波

US257

US335

US725

US1214MEX006S79010

表5

L7111

[***********]5118861928最大位移/mm

主震方向

最大层间位移角1/1771/1701/1871/1871/1161/1461/133

为X 向

(楼层)(层93)(层94)(层94)(层93)(层92)(层92)(层92)主震方向

最大层间位移角1/2031/1791/2021/1641/1501/1721/150

为Y 向

(楼层)(层109)(层109)(层92)(层109)(层93)(层94)层106)

最大位移/mm

1183

1088

1285

1664

2526

1953

2280

[1]吴迪,. 地震研罗奇峰,罗永峰. 长周期地震波的研究进展[J ]

2007,30(3):296-302. 究,

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图8

大震弹塑性时程分析主方向层间位移角

稿”或直接登陆www. buildingstructure. cn /tougao /login. asp 即可。

此投稿系统已取代传统投稿方式,成为本刊接受投稿的唯一方式。

7结语

对上海中心大厦基于性能抗震设计中所采用的地

震波选取过程进行了详细介绍。由于上海中心大厦为

44

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