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研究进展: 上海环球金融中心.
 

 

 

 

教育教育部长江学者奖励计划特聘教授吕西林博士,领导他的研究群体承担并完成了上海环球金融中心大厦的一系列抗震试验和理论研究工作。

教育建于上海市陆家嘴金融贸易区的上海环球金融中心大厦(以下简称“环球中心”)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(见下图)。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252,935m2,裙房为33,370m2,地下室为63,751 m2,合计约35万m2。此工程由日本森大厦株式会社一级建筑师事务所(Mori Building Architects & Engineers)负责总设计和审查;由美国KPF(Kohn Pederson Fox Associates)建筑师事务所负责建筑设计;美国赖思里.罗伯逊联合股份有限公司(Leslie E. Robertson Associates)负责结构设计。

教育根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002),其结构高度492m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,同时高宽比8.49超过了设防烈度7度的上海地区高宽比限值为7的要求。

教育环球中心的结构设计以中国规范和部分美国规范为依据。结构采用了钢与混凝土的组合结构,结构体系采用了三重结构体系抵抗水平荷载,它们分别由巨型柱、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组成。虽然作为三重结构体系的巨型支撑体系、钢筋混凝土/钢结构核芯筒和伸臂桁架在工程中都有很多应用实例,如上海金贸大厦、马来西亚石油大厦采用了混凝土核芯筒;美国芝加哥的汉考克大厦、毁于9.11的美国纽约世贸大厦采用的是钢结构的核芯筒;香港的中国银行大厦采用的是巨型支撑体系;既采用混凝土核芯筒又采用伸臂桁架的工程实例有香港国际金融中心等;另外,美国钢材总部大厦采用了钢结构核芯筒和伸臂桁架。但是迄今为止,上海环球金融中心首次将这三部分共同组成的巨型结构运用于一体。

教育环球中心结构体系的复杂性和其独特之处还体现在其一,内部核芯筒由平面形状不同的低筒、中筒和上部筒组成,因此核芯筒竖向不连续,在三部分核芯筒的转换处,对于水平和竖向荷载的传递效果,很难进行准确的理论计算;其二,沿结构一定高度布置的带状桁架和伸臂桁架等加强层,使得环球中心竖向刚度不均匀;再者,由于建筑使用要求的限制,结构竖向所设置的三道伸臂桁架均未在核心筒内贯通,仅在建筑四角联系于巨型柱和核芯筒之间。而根据高层结构理论,伸臂桁架在结构平面内贯通时,才能最大限度发挥作用;此外,在三维巨型框架中仅在垂直立面上设置了单向斜撑,考虑到建筑美观和采光效果的影响,从42层开始二对角的巨型柱分叉所逐渐形成倾斜曲面上,未设置单向支撑,因此,建筑周边的斜撑未形成封闭体系。

教育由于上海环球金融中心结构体系的复杂性、结构高度及体型超限,既无设计规范可遵循,也无工程实践所借鉴。为研究和认识超高层复杂结构的工作性能;在地震作用下的力学机制、变形性能以及破坏机理、评价其抗震性能,并进一步完善高层抗震理论,同济大学土木工程防灾国家重点实验室、土木工程学院受上海环球金融中心有限公司委托,分别进行了模拟地震动的整体结构模型的振动台试验、节点试验以及整体结构的弹塑性动力时程分析等系列研究工作。

教育同济大学进行了1/50缩尺结构模型的振动台试验,获得了结构的动力特性;研究了结构在分别遭受设防多遇、基本、罕遇不同水准地震作用下的反应,检验了结构是否满足我国现行的抗震设防要求;找出了结构可能存在的薄弱部位;在综合分析试验结果的基础上,提出了设计修改建议和改进措施,使结构的安全有了更可靠的保证。

教育除整体结构的振动台试验外,还进行了53~55层的巨型柱、巨型斜撑、伸臂桁架弦杆相关钢结构和型钢混凝土的节点试验,并利用ANSYS软件对相应节点进行了弹性有限元分析。节点试验和振动台试验结果表现出良好的一致性,均反映出结构在多遇和基本地震作用下,结构基本处于弹性阶段。

教育为了进一步研究超高层复杂结构体系的抗震性能、受力机理和破坏模式,在试验研究基础上,对环球中心进行了理论分析。目前,结构弹塑性分析方法可分为静力弹塑性分析和动力弹塑性时程分析两种方法,而后者涉及到地震波的输入、计算模型和恢复力模型的选取等问题,使其具有相当的难度,但相对于静力弹塑性方法,它可以较真实、全面地模拟地震作用全过程。吕西林教授课题研究组利用自己开发编制的软件,对环球中心进行了动力弹塑性时程分析,并在分析中较为精确地考虑了几何非线性的影响。为了验证分析软件的合理性,对结构模型的振动台试验进行了计算,试验值与理论值的一致性,较好地证明了分析软件的可行性。最后对实际工程进行了弹塑性时程分析,为工程设计提供了指导。

教育同济大学土木工程防灾国家重点实验室所进行的上海环球金融中心的抗震性能的研究工作经过了抗震设计专家评审,得到专家们的高度评价,一致认为所完成的研究达到了国际先进水平。

 

 

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