复杂高层建筑的模拟地震振动台试验_季静
第35卷第3期2007年3月
华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology
(NaturalScienceEdition)
Vol.35 No.3
March 2007
文章编号:1000-565X(2007)03-0083-07
复杂高层建筑的模拟地震振动台试验
季 静 赵书宁 韩小雷 郑 宜
(华南理工大学建筑学院,广东广州510640)
＊
摘 要:某49层商住楼采用带转换层的部分框支剪力墙结构,住宅平面主轴与裙房平面主轴相差45°,导致结构采用主次梁转换,其多项指标超限.为了检验该复杂高层建筑的抗震性能,采用1∶20的比例制作了缩尺模型,在中国建筑科学研究院三向六自由度大型模拟地震振动台上进行了试验,研究了模型结构的自振特性、阻尼比、地震反应特征、破坏形态和破坏机理,并分析了原型结构的地震反应.试验结果表明,该结构在7度、8度大震作用下均具有良好的抗震性能.文中还指出了该结构的薄弱部位,并对结构设计提出了改进意见.
关键词:高层建筑;复杂结构;模拟地震;振动台试验;转换层结构中图分类号:TU352.11;TU973 文献标识码:A
+
近年来,在地震区兴建的钢筋混凝土高层建筑商住楼,往往集住宅、商场及停车场等功能于一体,其底部的停车场、商场均需要大跨度的结构布置,而上部住宅由于通风、采光以及景观的要求,其竖向构件除核心筒以外,几乎与下部竖向构件完全不对应.为了满足建筑功能的需要,唯有采用带转换层的部分框支剪力墙这一可能对抗震性能不利的结构形式
[1-4]
相比,该试验可以更准确的预测结构竖向构件抗剪承载能力这一重要的结构抗震指标.
1 工程概况
该工程地下5层,地上49层,地面以上高度为159.1m,建成后将成为目前国内最高的钢筋混凝土结构超高层建筑之一.结构转换层的平面图如图1所示.
.
文中通过对一栋即将建造的钢筋混凝土部分框支剪力墙结构模型的模拟地震振动台试验,研究模型结构的自振特性、阻尼比、地震反应特征、破坏形态和破坏机理,进而推算出原型结构在各级地震作用下的地震反应,评价其抗震性能,同时对结构设计提出改进意见.
试验于2005年12月在中国建筑科学研究院新建的国内最大振动台上完成,其竖向承载力达65t,与国内其他振动台相比有较大的提高.模型自重及底座总重量为59.9t,重力加速度相似比可以降至1.69∶1.与以往的钢筋混凝土高层建筑振动台试验
收稿日期:2006-05-24
＊基金项目:广东省自然科学基金资助项目(031410) 作者简介:季静(1963-),女,副教授,主要从事高层结构
.mail:[email protected]图1 转换层的平面图Fig.1 Planoftransferstorey
结构设计以我国规范和部分美国规范为依据
[5-8]
,采用部分框支剪力墙结构体系.第1～4层
是以钢管混凝土柱及剪力墙核心筒竖向构件为主的,
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土梁式转换,第5～49层为剪力墙结构.设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类. 根据我国规范
[5-7]
2.1.2 模型材料
模型材料主要采用砂浆、镀锌铁丝和Q235钢
板.砂浆用来模拟混凝土,通过降低砂浆的弹性模量,可以满足试验要求.镀锌铁丝用来模拟原型结构的配筋,它便于绑扎、焊接和弯制成任何形状,镀锌铁丝网用作墙、板的分布筋.Q235钢板用来模拟原型型钢.模型模板采用泡沫塑料,这是因为泡沫塑料与砂浆相比,其弹性模量、抗剪模量和密度都很小,因此对模型刚度影响较小,而且制作方便.按面积相似原则及等强度要求确定模型配筋量,模型结构根据实际配筋情况设计并加工.
,该建筑属于复杂高层结构.
这是因为:(1)该建筑的高度超过规范中B级钢筋
[5]
混凝土框支剪力墙结构120m的高度限值;(2)该建筑的高宽比为7.9∶1,超过规范中7∶1的限值;(3)第4层为转换层,竖向抗侧力构件不连续;(4)转换层抗侧力构件的层间受剪承载力小于上一层的75%,楼层抗剪承载力突变;(5)平面布置凹凸不规则,塔楼标准层平面凹进的一侧为相应投影方向总尺寸的35%,超过规范中30%的允许值.
2 模型的振动台试验
2.1 模型设计及制作
试验模型见图2.模型总高度为8.16m,总质量为59.9t,其中模型及配重为55.9t,底板为4t
.
2.2 地震波选择
根据规范要求
[5-8]
,选用两条实际强震地震波
EL-CENTRO波和LIVERMOR波及一条由该工程场地地震安全性评价报告提供的人工波作为振动台输
入的台面激励.首先进行水平单向试验,每条地震波在两个水平方向分别输入;再进行EL-CENTRO波双向输入,两方向加速度峰值比为1∶0.85
[9]
.
2.3 测量方案
试验中共布置47个加速度传感器来测量模型的加速度响应.其中,在台面x、y向各布置一个,用于测量振动台面的加速度;在第1、4、5、11、17、23、29、35、41和49层的结构平面刚度中心及左端各设置两个(共40个);在第4、11、23、35和49层的平面右端y向各设置一个(共5个).
应变片布置在核心筒剪力墙、钢管混凝土框支
图2 试验模型Fig.2 Testmodel
柱及型钢混凝土转换梁等关键构件上,共计64片.
2.4 试验工况
对试验模型,各试验阶段首先用峰值为0.05g的x、y向白噪声对模型进行频谱扫描,以得到各阶段的自振频率、振型和阻尼比等结构自身的动力特征参数,并观测模型的破坏情况.然后,用所选用的3条地震波分别进行x向、y向及EL-CENTRO波双向输入.依次进行7度小震、7度中震、7度大震、8度中震加强、8度大震、8度大震加强和9度大震的振动台试验,峰值加速度根据加速度相似比进行调整
[10]
2.1.1 相似关系
根据动力相似理论进行模型设计,采用考虑人工质量的混合相似模型,通过设置配重来满足质量和活荷载的相似关系,以长度、质量密度、混凝土弹性模量为基本相似系数,由此得到反映相似模型整个物理过程的其他相似条件见表1.
表1 模型的相似关系
Table1 Similituderelationshipsofthemodel
[7]
.试验所用相似关系
.由于试验条件限制,9度大震只进行了EL-
x向的试验.
,模型表面未出现裂缝.通过白,
第3期季 静等:复杂高层建筑的模拟地震振动台试验
表2 模型结构的自振频率及阻尼比
85
可以认为结构完全处于弹性状态.
7度中震作用后,在转换层以上的个别楼层(第5、6和10层),剪力墙根部出现细微水平裂缝,南立面一根转换梁端部出现微小裂缝,通过白噪声扫描发现模型自振频率与7度小震后相同.可见结构的整体刚度并没有降低,结构基本处于弹性工作阶段.
7度大震作用后,第10层南立面一处剪力墙的根部出现水平裂缝,第5、6、8、9、13和14层等的南立面的部分连梁端部出现竖向裂缝.框支柱应变均较小,说明其受力较小.由于核心筒在结构内部,无法直接观察到其是否遭到破坏.通过白噪声扫描发现结构的自振频率有所下降,但是下降幅度不大,说明裂缝有所发展,但结构的整体刚度下降不大.
8度大震作用后,模型的位移反应很明显,能够听到铅块的撞击声.第2层南立面和西立面的两片落地剪力墙出现贯通的水平裂缝,通过白噪声扫描发现,结构的自振频率继续下降,与震前相比,下降约20%左右,说明已经有部分构件发生严重破坏.9度大震作用后,剪力墙及连梁的裂缝发展比较充分.底层、第2层和第4层均有部分落地剪力墙根部出现明显的水平裂缝,在第5层(转换层的上一层),外围剪力墙根部有水平裂缝出现,且开裂明显.第5～49层的大部分连梁端部均有明显的竖向裂缝出现.第44和49层东南角部的剪力墙出现水平裂缝和从洞口角部延伸出来的斜裂缝,说明结构顶部鞭梢效应明显.最后通过白噪声扫描发现,结构的自振频率继续下降,与震前相比,下降约30%,说明结构的裂缝已经发展得比较充分.
Table2 Naturalfrequenciesanddampingradiosofmodel
structure
自振频率/Hz
工况
一阶x向
试验前7度小震7度中震7度大震
1.661.721.721.50
y向1.721.751.721.631.531.471.411.38
二阶x向6.266.186.065.375.124.854.484.37
y向
三阶x向
y向
阻尼比/%x向y向
7.28.07.77.78.98.99.0
7.3811.6414.696.57.1911.6714.377.46.9711.3813.917.66.7910.2213.347.86.276.065.715.55
9.7512.647.99.2512.258.48.6711.609.0
8度中震加强1.418度大震
1.34
8度大震加强1.259度大震
1.22
8.4911.7211.710.4
3.3 模型结构的动力反应
3.3.1 模型结构的加速度反应
根据各楼层加速度反应时程得到模型结构的加速度反应最大值.试验中测量的台面加速度与输入的地震加速度基本一致.图3～6为7度小震和7度大震作用下x、y向的加速度放大系数包络图.由图中可以看出,在x向地震波输入时,3条波中人工波反应最小,而在y向地震波输入时,人工波反应最大.最大加速度反应都发生在结构的顶层,且比下面楼层大很多,说明模型结构的反应以第一振型为主,由于高阶振型有所影响,因此有一定的鞭梢效应.在同级地震波输入下,模型结构顶层以下楼层的x向加速度反应比y向的大,但在高烈度地震时结构顶层的y向加速度放大系数比x向的大.随着地震波烈度的提高,加速度放大系数有所下降,说明结构逐步进入非线性阶段,结构的刚度逐步下降
.
3.2 模型结构的动力特性
为分析模型结构在不同阶段的动力特性及其变化规律,在试验前及每阶段试验后,分别对模型输入x和y向的白噪声进行扫频,通过模态分析得到不同试验阶段后x和y向的自振频率、振型和阻尼比.经过8次白噪声激振后所得自振频率及阻尼比见表2. 由表2可以看出:(1)模型结构x向的前二阶自振频率分别为1.66和6.26Hz,y向的前二阶自振频率分别为1.72和7.38Hz,可见y向的自振频率略大于x向,y向刚度也略大于x向;(2)模型结构的第一振型为x向平动,第二振型为y向平动;(3)模型结构的自振频率随地震烈度的提高而降低,而阻尼比则随结构破坏的加剧而提高,振型形态没有根本变化;(4)从自振频率的变化可知,结构的最终整体等效抗侧刚度为开裂前的46%.
图3 7度小震作用下各层的x向加速度放大系数包络图Fig.3 Envelopediagramsofaccelerationamplificationfactorat
eachfloorundertheactionof7frequently-earthquakeinxdirection
86华南理工大学学报(自然科学版)第35卷
向地震波输入时,EL-CENTRO波的位移反应明显大于其他两条波.7度小震作用下,侧移曲线有凹凸,但位移较小,说明结构有足够的抗侧移刚度;7度大震作用下,侧移曲线形状趋于平缓,模型结构的位移明显变大,说明部分构件已经出现严重破坏,结构的总体抗侧移刚度下降明显.变形曲线总趋势为弯剪型变形,说明原型结构核心筒与其他剪力墙具有良好的协同工作性能.
图4 7度大震作用下各层的x向加速度放大系数包络图Fig.4 Envelopediagramsofaccelerationamplificationfactorat
eachfloorundertheactionof7rare-occurredearthquakeinxdirectio
n
图7 7度小震作用下x向各层的侧向位移包络图Fig.7 Envelopediagramsofsidedisplacementateachfloorun-dertheactionof7frequently-earthquakeinxdirection
通过布置在模型第4、11、23、35和49层平面两
图5 7度小震作用下各层的y向加速度放大系数包络图Fig.5 Envelopediagramsofaccelerationamplificationfactorat
eachfloorundertheactionof7frequently-earthquakeinydirectio
n
端的y向加速度传感器测得模型结构的加速度反应,积分求得位移,根据位移差可以求出结构的扭转位移角.试验结果表明,结构的扭转效应不明显,即使输入双向地震波,扭转位移角也较小,说明模型结构的扭转变形较小,抗扭刚度良好.
3.4 模型结构的应变反应
3.4.1 核心剪力墙的应变反应
底层核心剪力墙在7度小震和7度中震作用下的应变比较小,均没有超过1.50×10.在7度大震作用下,布置在底层剪力墙端部的应变片在x向人工波作用下的应变达到了3.58×10,之后应变随着地震作用的增大而减小,说明该部位在7度大震作用下已经开裂.与底层核心剪力墙相比,第4层
图6 7度大震作用下各层的y向加速度放大系数包络图Fig.6 Envelopediagramsofaccelerationamplificationfactorfor
eachfloorundertheactionof7rare-occurredearthquakeinydirection
-4-4
核心剪力墙在同等地震作用下的反应小,破坏程度较轻,最大应变仅3.23×10.第5层核心剪力墙的反应值随地震作用增加而增加,且该层的应变比第4层的应变大,在7度大震作用下,核心剪力墙应变在EL-CENTRO波双向输入时达到了3.58×10,其后随地震等级提高,仍然持续增大,说明此处剪力墙还能继续工作.试验结果还表明,核心剪力墙在底层和第5层(转换层的上一层)破坏较大,与-4
-4
3.3.2 模型结构的位移反应
图7～10为输入7度小震和7度大震作用下x、y向的侧向位移包络图.从图中可以看出,随着台面地震波加速度峰值的提高,模型结构的位移逐渐增
大,
第3期季 静等:复杂高层建筑的模拟地震振动台试验87
较小.其中布置在型钢上的应变片的最大应变仅为1.60×10;布置在转换梁上下混凝土表面的应变片的应变大于型钢梁上的应变,其最大值在8度大震加强人工波x向工况下达到了2.96×10.
-4
-4
4 原型结构的抗震性能分析
根据模型结构与原型结构之间的各种相似关系,可以由模型结构的反应推算出原型结构的各种
图8 7度大震作用下x向各层的侧向位移包络图Fig.8 Envelopediagramsofsidedisplacementateachfloorun-dertheactionof7rare-occurredearthquakeinxdirectio
n
反应.
4.1 原型结构的动力特性
根据相似关系,推算出原型结构的自振频率及周期,原型结构的x向第一、二阶自振频率分别是0.2857和1.077Hz,对应的周期分别为3.500和0.928s,结构的y向第一、二阶自振频率分别为0.296和1.270Hz,对应的周期分别为3.378和0.787s.从试验结果还可以看出,结构的自振频率随着输入地震波峰值的加大而下降,阻尼比则逐步提高,说明结构逐步进入非线性阶段.
4.2 原型结构的位移反应
表3列出了原型结构顶点在不同地震作用下的
图9 7度小震作用下y向各层的侧向位移包络图Fig.9 Envelopediagramsofsidedisplacementateachfloorun-dertheactionof7-frequentlyearthquakeinydirectio
n
最大位移和位移角.由表3可见,7度小震作用下,结构x、y向的顶点最大位移分别为36.67和27.33mm,对应的位移角分别为1/4339和1/5821;7度大震作用下,结构x、y向的顶点最大位移分别为162.00和219.30mm,对应的位移角分别为1/982和1/925.
表3 原型结构顶点的最大位移及位移角
Table3 Maximumdisplacementsanddriftanglesofprototype
structureroof
工况
最大位移/mmx向36.6778.67162.00
y向27.3385.33219.30
最大位移角x向1/43391/20221/982
y向1/58211/18651/925
图10 7度大震作用下y向各层的侧向位移包络图Fig.10 Envelopediagramsofsidedisplacementateachfloor
undertheactionof7rare-occurredearthquakeinydi-rection
7度小震7度中震7度大震
3.4.2 钢管混凝土框支柱的应变反应
钢管混凝土框支柱在各级地震作用下的应力较小.底层框支柱的应变在7度大震作用下为2.61×10
-4
表4为不同烈度地震作用下原型结构各层的最大层间位移角.由表4可见,7度小震作用下,x、y向的层间最大位移角分别为1/1410和1/1700,均小于1/1000,满足规范要求的弹性层间位移角的限值
[4-5]
,在EL-CENTRO波8度大震强y向地震作用输
-4
-4
入时仅为3.49×10;第4层框支柱的最大应变为2.52×10.
3.4.3 型钢混凝土转换梁的应变反应
要求;7度大震作用下,x、y向的层间最大位
[4-5]
移角分别为1/381和1/261,均小于1/120,满足规范要求的层间弹塑性位移角限值
要求.7度小震
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1/1720和1/1730;7度大震作用下则分别为1/888和1/261,与相邻楼层相比,没有明显突变.可见,原型结构的位移反应良好,没有明显的薄弱部位,没有倒塌趋势.
表4 原型结构的层间最大位移角
Table4 Maximumstorydriftanglesofprototypestructure
层间最大位移角
层号
7度小震x向
[**************]
1/15501/14101/17801/15201/16201/23201/28181/1720
y向1/21901/22001/22101/18601/21101/17001/27391/1730
7度中震x向1/7871/7321/8821/10301/10001/13301/13691/1080
y向1/9151/9051/10501/10501/14201/15201/19101/1200
7度大震x向1/4441/3811/5091/5241/5151/6481/6711/888
y向1/3481/3981/4271/5351/5831/5511/4461/261
用下均较小,最大仅为33.6MPa;转换梁上下混凝土表面的最大应力为10.56MPa;转换梁跨中截面底部的应力明显大于上部,说明转换大梁在地震作用下的受力性能还是以受弯为主.可见,采用型钢后,转换梁的承载力提高明显,具有足够的安全储备,在地震作用下的工作性能良好.
5 结论
通过对拟建造工程进行模拟振动台试验并分析试验现象及数据,可得出以下结论:
(1)在各级地震作用输入过程中,结构裂缝开裂不明显,裂缝宽度较小,除第5层以下的个别剪力墙外,结构无明显的薄弱部位.
(2)结构的自振频率随输入地震加速度幅值的增大而减小,阻尼比随结构破坏的加剧而提高.7度小震和7度中震作用下,结构基本处于弹性状态;7度大震作用下,结构的自振频率开始下降,进入弹塑性阶段;8度大震作用下,部分构件受到破坏,刚度下降明显;9度大震作用下,结构裂缝充分展开,刚度降幅加大,但没有倒塌趋势.
(3)就结构的加速度反应而言,x向输入时人工波的反应最小,y向输入时人工波的反应最大.结构以第一振型为主,存在高阶振型的影响,有一定的鞭梢效应.
(4)在7度小震和7度大震作用下结构的水平侧向位移和层间位移角均满足规范要求.7度大震作用下,转换层的层间位移角与相邻层相比变化不明显,其值满足规范要求.结构在各级地震作用下没有明显的扭转效应,抗扭刚度大.
(5)核心剪力墙、钢管混凝土柱和型钢混凝土转换梁等重要构件的工作性能良好,基本达到了既定的设计目标.
(6)对原型结构设计的建议:①适当加强结构核心剪力墙底层和第5层的配筋;②改善第5、6层东北角剪力墙的承载力和延性;③加强第5～15层西南角两片剪力墙的刚度;④适当改善第5层以上南立面中部连梁的设计;⑤适当加强顶部结构的强度和延性.
总之,该工程的结构型式布置恰当,设计合理,具有足够的刚度.在地震作用下,结构的工作性能良好,位移反应小,扭转效应不明显,变形符合现行规范的要求,完全达到了“小震不坏,中震可修,大震4.3 原型结构的应力反应
4.3.1 核心剪力墙的应力反应
7度小震和7度中震作用下,底层核心剪力墙的应力较小,均小于5.29MPa,第4和第5层剪力墙的应力反应更小.7度大震作用下,底层核心剪力墙的应力达12.63MPa,剪力墙出现裂缝;第4和第5层剪力墙的最大应力分别为7.58和12.63MPa,均没有裂缝出现.8度大震作用下,底层剪力墙局部已经破坏;第4层剪力墙的最大应力达10.83MPa,第5层剪力墙的最大应力达15.55MPa;在随后更大的地震作用下,应力继续增大,说明剪力墙还能继续工作.核心剪力墙受力大小(破坏程度)的顺序是底层※第5层※第4层.试验表明,核心剪力墙在底层和第5层(转换层上一层)的受力较大,属于薄弱部位.4.3.2 钢管混凝土框支柱的应力反应
7度小震和7度中震作用下,底层和第4层框支柱的应力均小于24.9MPa;7度大震作用下,底层框支柱的最大应力为53.7MPa,第4层框支柱的最大应力为37.4MPa;8度大震作用下,底层和第4层框支柱的最大应力分别为69.5和43.8MPa.可见,底层框支柱的应力水平大于第4层,但所有框支柱在各级地震作用下的应力均较小,说明框支柱没有受到破坏,也说明由于采用了钢管混凝土,框支柱的承载力及延性都得到了改善.4.3.3 型钢混凝土转换梁的应力反应
第3期季 静等:复杂高层建筑的模拟地震振动台试验89
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SimulatedEarthquakeInvestigationof
ComplexHigh-RiseBuildingbyShaking-TableTest
JiJing ZhaoShu-ning HanXiao-lei ZhengYi
(SchoolofArchitectureandCivilEngineering,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,Guangdong,China)
Abstract:Thepartialframe-supportedshearwallwithtransferstoreyisappliedtoa49-storeyapartmentbuilding.Asthedifferenceinanglebetweenthemainaxisoftheupperstoreysandthatofthepodiumis45°,agirdertrans-ferstructureisadopted,whichresultsintheexceedingofseveralstructuralindexesfromthelimitationofcurrentdesigncodes.Inordertoinvestigatetheaseismicperformanceofthiscomplexhigh-risebuilding,amodelwithascaleof1∶20isfabricatedandtestedonthelarge-scaleshaking-tablewith3dimensionsand6degreesoffreedomintheChineseAcademyofBuildingResearch.Basedonthetest,theself-shakingproperties,dampingratios,seismicresponses,damagefeaturesandmechanismofthemodelprototypeareresearched,andtheseismicresponseoftheprototypestructureisanalyzed,indicatingthatthestructureexhibitssatisfactoryaseismicperformanceundertheac-tionofthe7-and8-occurredearthquakes.Moreover,thefeeblepartsinthestructurearepresented.Severalsug-gestionsarefinallyofferedtoimprovetheaseismicperformanceofthebuilding.
Keywords:high-risebuilding;complexstructure;simulatedearthquake;shaking-tabletest;transfer-storeystruc-ture