側(cè)向剛度不規(guī)則的超高層建筑振動臺試驗(yàn)研究

崔　杰，馬玉宏，何子文，黃襄云，陳建秋，張　扉，竇志明

(1. 廣州大學(xué) 工程抗震研究中心，廣州 510405； 2. 廣州市萬新房地產(chǎn)有限公司，廣州 510405)

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側(cè)向剛度不規(guī)則的超高層建筑振動臺試驗(yàn)研究

崔杰1，馬玉宏1，何子文2，黃襄云1，陳建秋1，張扉1，竇志明1

(1. 廣州大學(xué) 工程抗震研究中心，廣州 510405； 2. 廣州市萬新房地產(chǎn)有限公司，廣州 510405)

一座具有多道加強(qiáng)層的超限高層框架剪力墻住宅建筑，其高度超過了規(guī)范的限值，側(cè)向剛度不規(guī)則。為研究該建筑的抗震性能，對其進(jìn)行了1/30模型的振動臺試驗(yàn)研究，并建模分析了該結(jié)構(gòu)的抗震性能，包括結(jié)構(gòu)的自振特性、加速度反應(yīng)、位移反應(yīng)、扭轉(zhuǎn)作用等。采用試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象、實(shí)測數(shù)據(jù)和有限元軟件等手段分析，結(jié)果表明該超高層結(jié)構(gòu)基本滿足初步設(shè)計(jì)目標(biāo)的抗震設(shè)防要求，建議在弱軸方向予以稍微加強(qiáng)，以提高結(jié)構(gòu)弱軸方向的抗震能力，確保地震安全。

超高層建筑；抗震性能；振動臺試驗(yàn)；剛度不規(guī)則

我國目前不斷涌現(xiàn)大量高層、超高層建筑。對于處于地震區(qū)的超高層建筑來說，由于這類建筑基本未經(jīng)歷過地震考驗(yàn)，因此其抗震安全性引起人們極大的關(guān)注，同時由于使用功能需要，超高層建筑很多都屬于超限結(jié)構(gòu)，特別是不規(guī)則超高層建筑除了理論分析以外，還要進(jìn)行振動臺的試驗(yàn)研究[1-3]。

本工程是一棟超高層住宅樓，結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，形成框架-雙筒體結(jié)構(gòu)體系。28層以下為用作商業(yè)的樓層，29層以上為住宅，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在29層；設(shè)置方式為：底板核心筒上邊緣位置X向設(shè)置兩片墻肢。1—6層柱采用的是型鋼柱，其余層為普通鋼筋混凝土柱。在52層與53層和27層與28層之間均設(shè)置了設(shè)備層。由于上述的設(shè)置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)屬于側(cè)向剛度不規(guī)則的情況——第5、27、29層側(cè)向剛度與相鄰上層的70%或其上相鄰3層平均值的80%比值小于1。該框架-核心筒結(jié)構(gòu)B級工程總高度184.35 m，高寬比8.6，均超過了《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)》[4]表4.2.2-2中關(guān)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系B級高度和高寬比的限制。

為了研究該結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)特性和地震反應(yīng)特性，同時對該結(jié)構(gòu)的總體抗震性能予以評價，對其進(jìn)行了1/30模型的振動臺試驗(yàn)研究和相應(yīng)的分析研究。

1　模型設(shè)計(jì)制作及試驗(yàn)方案

1.1模型設(shè)計(jì)與制作

依據(jù)Buckingham的π定理，取l,E,a為基本量，其余各量均以此為基礎(chǔ)按照量綱分析來表示。首先確定幾何相似比S1=1/30。模型結(jié)構(gòu)的主要相似關(guān)系見表1。依據(jù)抗彎和抗剪能力等效的原則對模型中鋼筋混凝土梁、柱等構(gòu)件層面的設(shè)計(jì)[5]；采用微?；炷?、回火鍍鋅鐵絲和鋼絲網(wǎng)片等材料來制作結(jié)構(gòu)模型；對于1～6層柱的型鋼構(gòu)件，同時考慮剛度等效的原則和強(qiáng)度等效[8-9]。本模型為減小重力效應(yīng)的影響效應(yīng)，通過每層添加配重(人工質(zhì)量)方法實(shí)現(xiàn)考慮人工質(zhì)量的混合相似模型，模型總質(zhì)量16.213 t，配重12.37 t，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D1。

表1　 結(jié)構(gòu)模型相似參數(shù)

圖1　結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图坝邢拊Ｐ虵ig.1　Test model fixed on the shaking table and finite element model

1.2模型試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在廣州大學(xué)工程抗震研究中心進(jìn)行，試驗(yàn)振動臺可進(jìn)行6個自由度、臺面尺寸為3m×3m，采用用電液伺服方式通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行加載，并使用模擬和數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)。

根據(jù)2010版建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，本次試驗(yàn)采用1條場地波(由甲方安評報(bào)告提供)和2條真實(shí)強(qiáng)震記錄天然波1(EL-Centro波)、天然波2(Taft波)。按相似系數(shù)換算后，加速度峰值小震0.061g、中震0.18g、大震0.339g。本試驗(yàn)共有29個工況，包括7度小震、中震、大震的單向、雙向、三向。在不同水準(zhǔn)地震波輸入的前后，均對模型輸入一次白噪聲[6]。場地波小震時程曲線、功率譜及加速度反應(yīng)譜見圖2。

本試驗(yàn)設(shè)置41個加速度測點(diǎn)和36個位移測點(diǎn)，其中，18個傳感器為加速度位移轉(zhuǎn)換使用的傳感器。應(yīng)變測點(diǎn)布置在重點(diǎn)觀測的剪力墻、柱等構(gòu)件上，如底層柱底、6層和7層下柱或墻底、28層剪力墻底或柱底等部位，監(jiān)測重點(diǎn)部位的受力情況，主要測點(diǎn)的平面布置見圖3[7]。

圖2　場地波歸一化小震時程曲線、功率譜及加速度反應(yīng)譜Fig. 2　Acceleration time-history, power spectrum and acceleration response spectrum of artificial ground motion

圖3　加速度、位移及應(yīng)變測點(diǎn)平面布置圖Fig.3　Plant layout of measuring point for acceleration, velocity and strain

2　振動臺模型試驗(yàn)結(jié)果

2.1模型結(jié)構(gòu)動力特性

試驗(yàn)對結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的獲得途徑：通過輸入有限帶寬白噪聲激勵信號獲得結(jié)構(gòu)的響應(yīng)輸出信號去估計(jì)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。分析軟件采用丹麥B&K公司的PULSE8.0 operational modal analysis，分析得到試驗(yàn)前模型結(jié)構(gòu)前6階平動和扭轉(zhuǎn)振型見圖4。可見，該結(jié)構(gòu)Y向?yàn)槿踺S方向，前2階振型為平動、第3階振型為整體扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期和平動第1階周期的比值為0.58。

圖4　試驗(yàn)測定地震作用前的模型振型圖Fig.4　Test results of vibration mode of the structure model

在每次輸入地震波前后，對模型輸入頻帶寬為0.1～40 Hz、加速度峰值為 0.05g的白噪聲，以此測定模型結(jié)構(gòu)在地震作用前后動力特性，見表2。由表2可見，在小震作用后，結(jié)構(gòu)的各階頻率與震前相比變化較小，平均下降1.748%；在中震作用后，平均下降12.828%；在大震作用后，平均下降22.558%；隨著地震作用強(qiáng)度的增加，模型結(jié)構(gòu)的各階頻率呈下降趨勢。從頻率變化來看，結(jié)構(gòu)在中、大震作用后估計(jì)有一定的損傷。

表2　模型結(jié)構(gòu)不同強(qiáng)度地震作用前后自振頻率變化情況

2.2模型加速度反應(yīng)分析

通過對采集到的各測點(diǎn)加速度反應(yīng)時程對比分析，得到模型結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)最大值，三水準(zhǔn)地震對應(yīng)的X、Y方向最大加速度包絡(luò)圖見圖5，其中，最不利地震波是EL-Centro波。根據(jù)2010年新《抗震規(guī)范》的規(guī)定，以下分析中，最終結(jié)果取3條地震波的最大值而非平均值。由圖5可見，不同水準(zhǔn)地震作用下，結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)基本是隨高度逐漸增大，水箱頂面有較明顯的鞭端效應(yīng)；小震時天面層加速度放大系數(shù)在3左右，水箱頂放大系數(shù)大于3；在中、大震時，天面層和水箱頂加速度放大系數(shù)均在3以內(nèi)。

圖5　三水準(zhǔn)地震作用下最大加速度包絡(luò)圖Fig.5　Test results of maximum acceleration under three level earthquakes

2.3模型位移反應(yīng)分析

通過對振動臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位移傳感器獲得模型結(jié)構(gòu)的相對位移最大值。三水準(zhǔn)地震3種地震波作用下，模型結(jié)構(gòu)最大相對位移包絡(luò)圖見圖6。由圖6可見，相對位移發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂層，形狀基本為倒三角形，結(jié)構(gòu)變形較均勻；在多向地震作用下結(jié)構(gòu)變形與單向地震作用下相差不大；試驗(yàn)所得模型相對位移反應(yīng)與圖4模態(tài)測試一階平動振型類似，說明模型第1振型反應(yīng)占了較大比例。

在三水準(zhǔn)地震(多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震)作用下，單向或多向輸入時，結(jié)構(gòu)層間位移最大值大多出現(xiàn)在40層，28層和46層的層間位移也較大，出現(xiàn)的規(guī)律基本相同；在多遇地震和設(shè)防烈度地震單向作用下，各條波X向?qū)娱g位移角的最大值分別為1/928(46層，場地波)、1/378(46層，天然波1)；各條波Y向?qū)娱g位移角的最大值分別為1/654(40層，場地波)、1/293(40層，天然波2)；在罕遇地震最不利地震波單向作用下，X、Y向?qū)娱g位移角的最大值分別為1/201(46層)、1/190(40層)，基本滿足設(shè)計(jì)院提供的抗震性能目標(biāo)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定(多遇、設(shè)防烈度和罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角限值分別為1/665、1/220及1/110)。

2.4模型扭轉(zhuǎn)反應(yīng)分析

試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。模型結(jié)構(gòu)在第6、21、 53層出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)較大。多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震單向作用下得到模型結(jié)構(gòu)在3種地震波作用下扭轉(zhuǎn)角的最大值分別為2.1×10-3rad、4.4×10-3rad和8.7×10-3rad。多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震雙向作用下扭轉(zhuǎn)角的最大值分別為2.5×10-3rad、5.1×10-3rad和6.1×10-3rad；罕遇地震三向作用下扭轉(zhuǎn)角的最大值達(dá)13.2×10-3rad?？梢?，雙向和三向作用下的扭轉(zhuǎn)比單向作用嚴(yán)重。結(jié)構(gòu)在地震作用下樓層最大水平位移(邊緣點(diǎn))與該樓層位移平均值(質(zhì)心點(diǎn))的比值，見表3。

由表3可見，分別輸入單向多遇地震、設(shè)防烈度地震、罕遇地震時，結(jié)構(gòu)X向和Y向的位移比值的最大值分別為(1.31，1.07)、(1.34，1.10)、(1.26，1.11)。這數(shù)據(jù)說明結(jié)構(gòu)在X向扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯、Y向不明顯。同時，多向作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)稍大于單向作用下的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

圖6　大中小震下相對位移包絡(luò)圖Fig.6　Test result of maximum relative displacement under three level earthquakes

2.5應(yīng)變反應(yīng)分析

模型是采用混合相似建成的，這樣忽略了重力效應(yīng)的影響。只能定性地從應(yīng)變相對值的變化情況判斷結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況。模型在小震作用下，結(jié)構(gòu)受力較大的區(qū)域?yàn)槭讓愉摻罨炷良袅Φ撞浚淅瓚?yīng)變最大值為349.691 με，壓應(yīng)變最大值為-378.890 με，測點(diǎn)的應(yīng)變時程曲線拉壓應(yīng)變基本對稱，結(jié)構(gòu)應(yīng)變接近開裂應(yīng)變；在中震作用下，混凝土結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)細(xì)微裂縫，部分混凝土測點(diǎn)應(yīng)變開始出現(xiàn)拉壓應(yīng)變分布不對稱現(xiàn)象?；炷两Y(jié)構(gòu)可能局部出現(xiàn)細(xì)微裂縫。觀測到應(yīng)變最大值出現(xiàn)的位置與多遇烈度地震作用下相同?；炷良袅Φ睦瓚?yīng)變最大值為953.456 με，壓應(yīng)變最大值為-865.791 με。此時，結(jié)構(gòu)觀測應(yīng)變超過開裂應(yīng)變；在大震作用下，結(jié)構(gòu)受力較大的區(qū)域與設(shè)防烈度地震作用下相同。混凝土剪力墻拉應(yīng)變最大值為1 656.85 με，壓應(yīng)變最大值為-1 158.389 με。觀測應(yīng)變值遠(yuǎn)大于開裂應(yīng)變，結(jié)構(gòu)內(nèi)部有微裂縫產(chǎn)生，但由于裂縫細(xì)微，無法用肉眼觀察到。在小震、中震、大震下首層底混凝土剪力墻應(yīng)變時程曲線見圖7。

表3　地震作用下結(jié)構(gòu)最大水平位移與平均位移比值的最大值

圖7　首層底剪力墻豎向應(yīng)變時程曲線Fig.7　Vertical strain history-time curve of shear wall at the 1th floor

3　試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算對比

采用ETABS軟件進(jìn)行有限元分析與試驗(yàn)對比，建立3維模型(圖1)進(jìn)行動力時程分析，輸入與試驗(yàn)相同的3種地震波和小震加速度幅值。分析結(jié)果與對比見表4。由表4可見，振型周期與試驗(yàn)周期誤差基本控制在10%以內(nèi)，前2階周期的誤差非常小，說明用ETABS軟件對縮尺模型模擬的效果較好。

表4　前10階模態(tài)周期試驗(yàn)值與計(jì)算值對比

小震作用下各層最大加速度和相對位移的對比見圖8。由圖8可見，試驗(yàn)數(shù)值與有限元計(jì)算值的趨勢基本一致， 變化規(guī)律基本相同； 加速度和位移的計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均誤差在 20%左右，結(jié)果吻合較好。

圖8　小震作用下各層最大加速度、相對位移計(jì)算值與試驗(yàn)值對比Fig.8　Comparison of maximal acceleration, relative displacement between measured and calculation values under usually ocurred earthquake

4　結(jié)論和設(shè)計(jì)建議

本文針對一座側(cè)向剛度不規(guī)則、高度超限的框架剪力墻住宅建筑進(jìn)行模擬地震振動臺試驗(yàn)，采用1/30縮尺模型，并利用ETABS軟件進(jìn)行分析并與振動臺試驗(yàn)對比，得出以下結(jié)論：

1)在多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下，試驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)測數(shù)據(jù)都表明結(jié)構(gòu)總體上滿足初步設(shè)計(jì)目標(biāo)的抗震設(shè)防要求。

2)在經(jīng)歷小震、中震及大震作用后，模型結(jié)構(gòu)各階頻率與震前相比平均分別下降1.748%、12.828%和22.558%。從頻率變化來推測，結(jié)構(gòu)在地震作用下有一定的損傷。

3)結(jié)構(gòu)頂部有明顯的鞭端效應(yīng)，加速度最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂部，加速度放大系數(shù)最大值在多遇地震時大于3；在設(shè)防烈度地震和罕遇地震時，由于結(jié)構(gòu)有微裂縫出現(xiàn)，有一定塑性變形，因而加速度放大系數(shù)的最大值小于3。

4)結(jié)構(gòu)層間位移最大值大多出現(xiàn)在40層，28層和46層；在小震和大震單向作用下，層間位移角最大值分別為1/654和1/190，小震單向作用下Y向?qū)娱g位移角最大值(1/654)稍微超過限值(1/665)，建議加強(qiáng)以提高結(jié)構(gòu)Y向抗震能力，確保地震安全。

5)在三水準(zhǔn)地震單向作用下，模型結(jié)構(gòu)在第6層、第21層扭轉(zhuǎn)較大，試驗(yàn)測得結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期和平動第一階周期的比值為0.580；結(jié)構(gòu)樓層最大位移與平均位移之比(扭轉(zhuǎn)比)最大值在1.3左右，X向扭轉(zhuǎn)反應(yīng)略大于Y向，雙向和三向作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)明顯大于單向作用，總體來看，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯。

[1]唐興榮, 王恒光, 王燕,等. 帶疊層桁架轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)整體模型振動臺試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2011, 32(6):18-26.

[2]周穎, 于健, 呂西林,等. 高層鋼框架-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)研究[J]. 地震工程與工程振動, 2012, 32(2):98-105.

[3]丁鯤, 呂西林, 蘇寧粉,等. 某立面收進(jìn)超高層結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2009, 25(2):128-133.

[4]JGJ3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5]呂西林.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[6]JGJ101—96,建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S].

[7]馬玉宏，崔杰，譚平等.底層大空間高位轉(zhuǎn)換高層建筑振動臺試驗(yàn)研究[J]. 廣州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，8(5):74-79.

[8]呂西林，鄒昀，盧文勝,等. 上海環(huán)球金融中心大廈結(jié)構(gòu)模型振動臺抗震試驗(yàn)[J].地震工程與工程振動，2004，24(3): 57-63.

[9]黃襄云, 周福霖, 金建敏,等. 廣州新電視塔結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2010(8):21-29.

Earthquake simulation with shaking table test of a super high-rise building with irregular horizontal stiffness

CUI Jie1, MA Yu-Hong1, HE Zi-Wen2, HUANG Xiang-Yun1, CHEN Jian-Qiu1,ZHANG Fei1, DOU Zhi-Ming1

(1.EarthquakeEngineeringResearch&TestCenter,GuangzhouUniversity,Guangzhou510405,China; 2.GuangzhouVankeRealEstateCo.,Ltd.,Guangzhou510405,China)

A super high-rise RC frame-shearwall building with irregular horizontal stiffness is researched. Height of the building and horizontal stiffness are not satisfied with request of the Code for Seismic Design of Building. In order to study seismic behavior of the building, a 1/30 scale model is constructed and shaking table test is completed, and the corresponding finite-element model is established. The natural characteristics, acceleration, displacement and rotation of the model on/under three level earthquake are studied throught test and calculation in detail. The results of test indicate that seismic behaviors of the buildings is basically satisfied with request of the code for seismic design of the building,the same as the result finite element analysis of the model. But the seismic ability of the building in Y direction should be strengthed so as to avoid potential seismic safety risk.

super high-rise building; seismic behavior; shaking table test; irregular horizontal stiffness

10.13524/j.2095-008x.2016.02.018

2016-04-20

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2011CB013606);國家自然基金會重點(diǎn)項(xiàng)目(51438004)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51578167)

崔杰(1962-)，男，黑龍江哈爾濱人，研究員,博士研究生導(dǎo)師，博士，研究方向：隔震及結(jié)構(gòu)地震災(zāi)害風(fēng)險分析，E-mail:jcui2009@hotmail.com。

TU352

A

2095-008X(2016)02-0001-08