高層結(jié)構(gòu)振動臺試驗動力模型應(yīng)用研究

趙書寧

0 引言

模擬地震振動臺試驗具有其他抗震動力和靜力試驗不同的特點，振動臺能再現(xiàn)各種形式的地震波，它可以按照人們的要求，借助于地震波的研究及輸入，模擬在任何場地上的地面運動特性，便于進行結(jié)構(gòu)的隨機振動分析。當今針對復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的抗震理論分析研究還不是很充分，不能夠全面認識該種結(jié)構(gòu)的受力性能，而振動臺整體模型試驗是了解和洞察結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機理的最直接、最有力的手段。

廣州某 49層高層建筑，地面以上高度 159.1m，4層設(shè)置型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換層，該結(jié)構(gòu)多處超限[1，2]，屬于超高層復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)。本文通過此結(jié)構(gòu)振動臺試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計及試驗過程，來探討整體高層結(jié)構(gòu)動力模型在振動臺試驗應(yīng)用中的經(jīng)驗及不足。

1 模型設(shè)計

1.1 試驗?zāi)Ｐ瓦x取

當前動力試驗?zāi)Ｐ头譃?全相似模型、人工質(zhì)量模型、忽略重力效應(yīng)模型、混合相似模型。其中混合相似模型原理為采用一定的人工質(zhì)量盡量減少忽略重力效應(yīng)影響的一種模型，其為克服忽略重力效應(yīng)造成模型反應(yīng)失真的情況，通過附加人工質(zhì)量，產(chǎn)生適當?shù)闹亓π?yīng)和慣性作用，但不影響結(jié)構(gòu)的剛度、強度和阻尼特性，許多學(xué)者對此相似模型進行了研究[3，4]。在充分發(fā)揮振動臺承載力和盡量降低加速度相似比的條件下，本次試驗采用了混合相似模型。

1.2 用量綱法求相似系數(shù)

綜合考慮振動臺的性能參數(shù)、試驗室吊車性能參數(shù)和模型材料彈性模量等多方面的因素，首先確定幾何相似比Sl=1/20;在根據(jù)模型施工后的材料彈性模型實測值修正后，材料彈性模量比SE=1/2.38;加速度相似比Sa=1.69，其他未知量的相似常數(shù)根據(jù)各物理量基本量綱的關(guān)系，由線性方程組計算出來。相似關(guān)系見表1。

表1 模型相似關(guān)系表

1.3 模型自重及配重

根據(jù)振動臺的承載能力和模型的實際重量，計算出所需配重。配重采用比重大的鉛塊作為附加質(zhì)量，將其用水泥砂漿粘貼在樓板上。在附加質(zhì)量布置過程中，考慮了偶然偏心影響。模型總高度為8.16m，總重59.9 t，其中模型9.78 t、配重55.9 t。

2 模型制作

2.1 模型選用材料

制作模型采用的材料主要有水泥砂漿、鍍鋅鐵絲及鍍鋅鐵絲網(wǎng)和 Q235鋼板。模型施工時模板采用泡沫板，由于泡沫塑料和砂漿相比，在彈性模量、抗剪模量、密度方面都很小，因此對模型剛度影響較小，而且制作方便。模型配筋按面積相似原則及等強度要求確定配筋量，模型結(jié)構(gòu)根據(jù)實際工程及配筋情況設(shè)計并加工。本試驗主要研究模型在地震作用下的動力性能，設(shè)計時主要考慮抗側(cè)力構(gòu)件的動力相似條件，構(gòu)件正截面承載力按受彎承載力等效、斜截面承載力按受剪等效的原則進行模擬。

2.2 模型的制作

在模型制作之前，首先要制作模型底板。底座上預(yù)留螺栓孔，四角設(shè)起吊用的錨鉤。在模型各層制作過程中，首先制作墻、柱豎向構(gòu)件，然后再制作梁和樓板。當該層鋼筋綁扎完畢之后，用泡沫塑料板為模板，形成梁、板構(gòu)件空間，進行本層水泥砂漿的澆筑工作，邊澆筑邊振搗密實，梁、板一次成型。待形成強度后，進行上一層構(gòu)件配筋和安置模板，重復(fù)以上步驟，直至模型制作完畢。

3 振動臺試驗方案

3.1 試驗設(shè)備

試驗在中國建筑科學(xué)研究院大型高性能空間六自由度模擬地震振動臺上進行。該振動臺為目前我國最大振動臺，臺面尺寸6m×6m，最大載重量為80 t，實驗室吊車起重量為32 t。

3.2 地震波選取

根據(jù)場地地震安全性評價報告，選出引起結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)最大的一條場地波作為試驗用波，另外兩條試驗用波為:EL-CENTRO波、LIVERMOR波。

3.3 傳感器布置

本次試驗共使用了 47個加速度傳感器，其布置情況如下:基座上X，Y向各布置一個(2個);1，4，5，11，17，23，29，35，41，49十層在平面中心及一端X，Y向各布置一個(40個);為觀測結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在 4，11，23，35，49層平面的另一端 Y向布置一個傳感器(5個)，共 47個。為了研究結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力性能，應(yīng)變片主要布置在核心筒剪力墻，鋼管混凝土框支柱及型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁上，共計64片。

3.4 試驗工況

在模型試驗加載過程中，各試驗階段首先用峰值加速度為0.05g的白噪聲對模型進行 X向、Y向頻譜掃描，得出模型自身特性。各試驗階段試驗完后，觀測模型的破壞情況。然后，用所選用的三條地震波分別進行X向、Y向及EL-CENTRO波雙向輸入。依次進行 7度小震、7度中震、7度大震、8度中震加強、8度大震、8度大震加強、9度大震弱的振動臺試驗。根據(jù)相似關(guān)系比，將輸入的地震波進行調(diào)整，輸入地震波峰值加速度分別為 0.059g，0.169g，0.372g，0.507g，0.676g，0.845g和1.014g。由于振動臺條件限制，實際上共進行了 59個試驗工況。

4 誤差分析

4.1 模型自振誤差分析

采用三維空間有限元程序 SAP2000進行模型結(jié)構(gòu)有限元分析。通過分析，自振頻率計算與試驗結(jié)果對比見表 2。

表2 模型自振頻率對比

從表 2可以看出，模型自振頻率計算值與試驗值誤差為0.41%～13.26%，X方向、Y方向的第一階頻率誤差分別為6.63%和5.81%，X向誤差大于Y向。X向計算頻率均小于試驗值，而Y向兩者基本相同。可以認為試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果的誤差可以接受。

通過理論分析，各層加速度最大值與試驗值的誤差多數(shù)在30%以內(nèi)，多數(shù)工況下各層加速度計算值和試驗值變化規(guī)律相同。誤差產(chǎn)生的主要原因是:

1)計算模型里未考慮構(gòu)件的節(jié)點剛域及核心筒剪力墻端部型鋼，使模型的計算剛度降低;

2)模型的鋼管混凝土柱與型鋼梁的型鋼采用Q 235的鋼板模擬，導(dǎo)致實際構(gòu)件的剛度變大;

3)加大模型配重，尤其在結(jié)構(gòu)底部幾層鉛塊布置過多，樓層間空隙很小，可能使結(jié)構(gòu)剛度變大。

表3 典型高層建筑振動臺試驗誤差分析

4.2 國內(nèi)高層建筑振動臺試驗誤差分析

根據(jù)文獻[5]～[8]，國內(nèi)其他 4棟高層建筑振動臺試驗前四階自振頻率試驗結(jié)果與理論分析誤差如表 3所示，誤差在5.52%～15.23%，誤差是可以接受的?？梢?，目前振動臺試驗對于高層結(jié)構(gòu)抗震性能研究還是一種有效的分析手段。本文平均誤差為6.55%，誤差偏小，可見加大尺寸比，降低加速度比是可以進一步降低試驗誤差的。

5 高層振動臺試驗的一些問題

對于整體動力模型在復(fù)雜高層振動臺試驗，目前在應(yīng)用中還是存在一些局限性:

1)受試驗?zāi)芰Φ南拗疲囼災(zāi)Ｐ捅壤豢赡芎艽?，并且由于輸入地震波頻率按比例放大，振動臺不能完全再現(xiàn)高頻率試驗波，因此加大國內(nèi)大型振動臺的研究開發(fā)是勢在必行的。

2)針對振動臺試驗的模型尺寸效應(yīng)研究不多，此應(yīng)為今后關(guān)于振動臺試驗研究關(guān)注的一個方面。

3)振動臺模型試驗激勵加速度由小至大，試驗中在下一次地震波輸入之前，模型可能已經(jīng)存在一定的損傷，這與實際地震的一次激勵不相符，如何精確考慮模型的已有損傷需進行進一步研究。

4)參照地震工程聯(lián)網(wǎng)試驗[9]，對于大型動力試驗，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動力研究分解為若干可操作的模塊，各個模塊按計劃或進行物理模型的動力試驗或進行有限元模擬的數(shù)值模擬試驗。進行聯(lián)網(wǎng)試驗是未來發(fā)展的方向。

6 結(jié)語

本文針對某復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，通過相似關(guān)系原理，設(shè)計了試驗?zāi)Ｐ?，詳細描述了模型設(shè)計、模型制作、試驗方案及試驗過程。并根據(jù)有限元軟件分析對比了試驗結(jié)果與計算結(jié)果，分析了誤差原因。目前振動臺試驗對于高層結(jié)構(gòu)抗震性能還是一種有效的分析手段。最后提出了高層結(jié)構(gòu)振動臺試驗的一些問題。

[1] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JGJ 3-2002，J 86-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 張敏政，孟慶利，劉曉明.建筑結(jié)構(gòu)的地震模擬試驗研究[J].工程抗震，2003(4):31-35.

[4] 周 穎，盧文勝，呂西林.模擬地震振動臺模型實用設(shè)計方法[J].結(jié)構(gòu)工程師，2003，19(3):30-38.

[5] 武敏剛，呂西林.混合結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗研究與計算分析[J].地震工程與工程振動，2004，24(6):103-108.

[6] 李繼明，金建敏.某高位轉(zhuǎn)換框支剪力墻高層建筑有限元分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2004，26(5):58-60，67.

[7] 沈朝勇，黃襄云.帶SRC桁架轉(zhuǎn)換層及鋼加強層高層建筑抗震性能研究[J].地震工程與工程振動，2004，24(6):83-88.

[8] 朱杰江，呂西林.上海環(huán)球金融中心模型結(jié)構(gòu)振動臺試驗與理論分析的對比研究[J].土木工程學(xué)報，2005，38(10):18-26.

[9] 郭 迅.地震工程試驗聯(lián)網(wǎng)最新進展[J].地震工程與工程振動，2006，26(4):37-41.