超高层混凝土框架-核心筒结构试验研究

杨远威， 钱德玲， 佟国锋

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥　230009)



超高层混凝土框架-核心筒结构试验研究

杨远威， 钱德玲， 佟国锋

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，合肥230009)

为了研究超高层框架-核心筒结构在地震激励下的动力响应规律和抗震性能，按照动力相似关系设计了一个1/50缩尺模型，并实施了振动台试验。基于试验结果，对不同设防烈度地震作用下的结构自振频率、阻尼比、振型曲线、加速度动力放大系数、层间剪力、应变和位移响应进行了计算与分析。研究结果表明：随着振动次数的增加，结构自振频率降低，阻尼比基本呈增大趋势，振型曲线幅值减小；实验结束后，结构的动力特性变化不大，说明结构的损伤不大；结构的动力响应与地震强度和地震波的波形有关；结构抗震性能能够满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。研究结果可为同类超高层结构的抗震设计提供参考。

超高层；框架核心筒；振动台试验；动力响应；抗震性能

随着社会经济的不断发展，人类对生存空间和生活质量的要求不断提高，超高层建筑已经成为城市发展中必不可少的建筑形式，框架核心筒结构具有良好的受力性能和空间布置而得到广泛应用。由于超高层结构对地震作用较为敏感，震后损失大，所以，对超高层结构的抗震性能研究是很有必要的。基于动力相似理论进行的振动台试验是研究结构抗震性能最直接、最有效的方法，通过试验可直接观察试验模型的破坏过程，计算结构不同地震作用下结构的动力响应，评价结构的抗震性能，为结构的抗震设计提供可靠依据。近年来，许多学者对超高层结构进行了振动台试验研究，其中蒋欢军等[1]设计了上海中心大厦的1/50的缩尺模型，通过振动台试验得到了结构在不同强度地震激励下的动力特性及损伤情况等，其结果表明结构能够满足预先设定的抗震性能目标；朱杰江等[2]对上海环球金融中心1/50缩尺模型进行了振动台试验，研究了结构的动力特性和位移响应等，研究结果表明结构的抗震性能满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防标准。

本文以一幢地上41层框架核心筒超高层结构为原型，按照相似关系设计并制作一个1/50的缩尺试验模型，在上海同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了试验，研究了结构在不同设防水准地震作用前后的动力特性和动力响应规律，并评价了结构的抗震性能。研究结果表明，该结构的抗震性能良好，能够满足“三水准”抗震设防标准。

1　模型的设计和制作

本试验未考虑桩-土-结构相互作用,直接将上部结构嵌固在振动台刚性底座上进行试验。

1.1模型简化

采取适当方法简化模型既能方便模型结构施工，又可以将结构抗侧刚度的误差控制在允许的范围内。根据其他模型试验的经验[3]，本次试验采取以下方法简化了模型的设计和制作：主要的抗侧力构件如外围框架柱和内部核心筒尺寸必须严格满足相似关系，构件节点按设计要求制作以保证结构整体性能相似；忽略楼面次梁、结构周边梁等次要构件，同时对结构部分楼层进行了抽层处理：每隔一层抽去一层楼板，总共抽去21层，抽去楼层的恒、活载由相邻未抽去的楼板均摊。抽层后，按照抗弯刚度和强度等效的原则对模型柱截面和核心筒厚度进行修正。

1.2模型材料的选取

按照材料相似关系，模型材料的密度应尽可能大，弹性模量应尽可能小，同时应力-应变曲线也应尽可能与原型材料相似[4]。微粒混凝土不仅在应力-应变曲线上和原型普通混凝土具有较为一致的相似性[5]，而且二者的施工方法也基本相同。因此，本试验用微粒混凝土模拟原型的普通混凝土，镀锌铁丝模拟原型纵筋，焊接铁丝网模拟原型箍筋，并根据动力相似理论，按照抗弯强度等效原则对正截面进行配筋，由抗剪强度等效原则对斜截面进行配筋[6]。

1.3相似关系的确定与模型制作

对于超高层混凝土结构的小比例试验模型，由于技术和经济等多方面原因，一般很难做到模型与原型完全相似[7]。本试验主要研究结构在地震作用下的动力响应与抗震性能，故主要考虑抗侧力构件的相似关系，综合考虑振动台性能参数和承载力等因素，确定模型的缩尺比例为Sl=1/50(模型/原型，下同)，加速度放大系数为Sa=3.8，并由现场试块试验结果确定弹性模量相似系数为SE=1/3。根据Bockingham π定理[8]，由量纲分析法推导出其他物理量的相似系数见表1。为满足表1中质量密度相似系数Sρ，需要在核心筒外围楼板上配置质量块[9]，根据原型结构楼层质量分布，按照质量相似关系确定模型结构各楼层的配重量。

表1　相似关系(模型/原型)

在模型制作时，内模采用泡沫塑料，泡沫塑料对结构的刚度和质量影响均较小，可不用拆模，外模采用木模板整体滑升。制作完成后的模型如图1所示，结构总高度为3.866 m，其中模型净高3.566 m，底座高0.300 m。

图1　模型全图Fig.1 Panoramic of model

2　振动台试验

2.1试验地震波的选取

振动台试验是一个损伤累积且不可逆的过程，因此，地震波不可能选择很多。通过地震危险性分析，综合考虑试验原型的场地类别和模型结构的动力特性等因素，最终选择两条天然波和一条人工波作为本次试验台面输入地震波，分别为El-centro波(1940，南北分量)、Kobe波和上海人工波(SHW2)。地震波输入方式以X向输入为主，部分为Y向、部分为X向与Z向同时输入，单向地震波加速度时程记录见图2，图中加速度峰值经归一化后被折减为0.1 g(1 g=9.8 m/s2)。

图2　台面波加速度时程Fig.2 Time history of input earthquake wave acceleration

2.2测点布置

根据模型结构的特点，本试验的测试项目包括加速度、位移和应变。在结构不同高度一共布置47个传感器，其中加速度传感器27个，分别布置在模型结构的底座、2层、5层、9层、13层、17层、20层(顶层)；应变片12个，分别布置在模型结构的底层、5层、9层、13层的核心筒、角柱和边柱底部；位移计8个，分别布置在模型结构的1层、5层、13层、20层(顶层)的X、Y向。

2.3试验加载制度

本次试验共进行了4个阶段28个工况，按照加速度峰值由小到大顺序依次对结构的抗震性能进行考核。试验时，每个阶段依次输入EL-Centro波、上海人工波、Kobe波，根据时间相似关系，台面输入地震波的持续时间、时间间隔被压缩为原始地震波的1/13.78，台面输入加速度峰值按照加速度相似关系分别调整为0.133 g，0.38 g，0.76 g和1.14 g，以模拟不同设防水准的地震作用。实测台面三向加速度峰值如表2所示。表中，WN为白噪声、EL为EL-Centro波(X单向)、ELY为EL-Centro波(Y单向)、ELZ为EL-Centro波(X、Z双向)、SH为上海人工波(X单向)、KB为Kobe波(X单向)、KBY为Kobe波(Y单向)、KBZ为Kobe波(X、Z双向)。每次改变加速度峰值前后都用加速度峰值为0.07 g的白噪声对结构进行扫频[10]可得到结构在不同水准地震前后自振频率、阻尼比和振型曲线等动力特性参数的变化情况。

表2　实测加速度峰值

3　自振频率、阻尼比与振型曲线分析

3.1自振频率和阻尼比

通过对WN1、WN12、WN20和WN28工况下加速度测点进行谱分析，由传递函数法得到的结构X、Y向自振频率和阻尼比如表3所示。由表3可知：结构自振频率随着加速度峰值的增大而降低，阻尼比随着结构进入塑形程度的加深而基本呈增大趋势，这一现象揭示了地震作用下，结构动力特性变化的基本规律，产生这一现象的原因是由于加速度峰值的增大，结构逐渐产生裂缝，刚度退化，结构逐渐进入非线性；结构X向阻尼比比Y向大，说明结构X向对地震波的耗散能力比Y向强，抗震性能较Y向好；七度地震结束后，结构X向频率降低了10.34%，Y向频率降低了12.12%，说明结构内部已经产生肉眼观察不到的细微裂缝；试验结束后，相对于初始状态，结构的X向频率降低37.93%，Y向频率降低27.27%，结构X向刚度下降了61.47%，Y向刚度下降了47.10%，试验时，结构并未发生倒塌，说明结构具有较好的延性，抗震性能良好。

表3结构X、Y向自振频率和阻尼比

Tab.3 Natural frequencies and damping ratios of structure in X and Y direction

3.2振型曲线

振型曲线是评价结构抗震性能的一个重要指标。本试验模型X和Y向的振型形状基本相同，因此本文只列出了X向前两阶振型如图3所示。由图3可知：结构X向第一振型呈弯剪型，这是因为在侧向力作用下，框架结构侧向位移呈剪切型，剪力墙结构呈弯曲型，框架核心筒结构的侧向位移是由框架与剪力墙共同控制，振型曲线呈弯剪型是框架与内部核心筒共同作用的结果；第二振型的幅值随着台面输入地震波加速度峰值的增大而逐渐减小，产生这一现象的主要原因由于加速度峰值的增大，结构逐渐产生裂缝、结构刚度退化并进入非线性，阻尼比增大，结构的耗能增加；结构在不同设防水准地震前后的振型曲线变化不大，说明结构损伤不大，这与试验现象是吻合的。

图3　结构X向振型Fig.3 Vibration mode curves of structure in X direction

4　结构动力响应分析

4.1加速度动力放大系数

同一加速度峰值作用下，将结构不同高度处加速度计测得的加速度最大值分别与底座上相应方向加速度计的实测峰值相比，即可得到该工况下结构对应楼层加速度动力放大系数[11]。图4(a)～(c)分别是结构在不同加速度峰值的EL-Centro波、上海人工波和Kobe波作用下结构X向加速度动力放大系数沿楼层方向分布图。由图4可知：同种地震波作用下，随着台面输入加速度峰值的增大，结构逐渐产生裂缝、结构刚度退化并逐渐进入非线性，结构自振频率减小，阻尼比增大，同一楼层处的加速度动力放大系数呈减小趋势；不同试验工况下，加速度放大系数最大值均出现在结构顶层，其主要原因是结构顶部的柱截面相对较小，抗侧刚度和质量均较小，结构顶部产生明显的鞭梢效应，使得顶部加速度增加较快；当加速度峰值较小时EL-Centro波或Kobe波作用下的结构加速度反应与上海人工波作用下的相差不大，而加速度峰值较大时，多以上海人工波(SHW2)作用下的加速度放大系数较大，这是因为上海人工波的低频成分非常丰富，与结构的自振频率比较接近，这也说明结构的加速度响应不仅取决于输入地震波加速度峰值的大小，还取决于地震波的频谱特性与结构自振频率的关系。

图4　结构加速度放大系数包络图Fig.4 Amplification factors envelops of model structure acceleration

4.2层间剪力

结构的层间剪力主要与层间刚度有关，层间剪力的变化可以反应层间刚度的变化情况。根据模型结构的楼层质量分布和试验得到的各楼层绝对加速度反应，可以得到相应楼层惯性力，进而可以计算出不同水准地震作用下结构的层间剪力。图5为结构在EL-Centro波、上海人工波2波和Kobe波作用下，X向层间剪力沿楼层的分布图。由图5可知：同种地震波作用下，同一楼层处的剪力随着台面输入加速度峰值的增大而增大；相同加速度峰值、不同波形的地震波作用下的层间剪力不同，说明层间剪力还与地震波的波形有关；不同工况下，结构的层间剪力沿楼层从上到下逐渐增大，大致呈三角形分布，最大值出现在底层；在不同设防水准地震作用下，模型结构底层最小剪力为3.74 kN,计算得到剪重比最小值为9.70%，满足要求。

图5　地震作用下的层间剪力Fig.5 Inter-story shear force under earthquake

4.3位移响应

通过布置在结构部分楼层处位移计测得的绝对位移和振动台内置位移计给出的台面位移，可以得到各工况下结构各楼层相对台面的位移。在EL-Centro波和上海人工波作用下结构X向相对台面的最大位移图如图6所示。由图6可知：结构的最大相对位移随着台面输入加速度峰值的增大而不断增大，产生这一现象的原因是随着加速度峰值的增大，结构逐渐产生裂缝并开展，使结构的抗侧刚度减小，位移反应增大；结构在相同加速度峰值、不同波形的地震作用下的位移响应有一定差别，说明结构的位移响应与地震波的波形有关。台面输入加速度峰值较小时，结构相对台面的位移较小，最大位移曲线呈弯剪型，说明结构的外围框架柱与核心筒之间有良好的协同工作能力；加速度峰值较大时，结构顶层有明显的位移反应，且鞭梢效应明显，最大位移曲线趋于弯曲型，说明核心筒对侧向位移影响较大，核心筒分担的水平力也在不断增大。在9度罕遇地震作用下，结构顶点最大位移和结构高度的比值为1/223,试验时，并未观察到结构出现明显的倾斜，说明结构具有良好的延性，能够保持较好的整体性。

图6　结构X向最大位移Fig.6 Maximum displacement of structure in X direction

4.4动应变响应

试验得到的应变反应值是一次加载工况过程的应变变化值，图7为EL-Centro波和上海人工波激励下，核心筒和角柱应变沿楼层方向分布图。由图7可知：核心筒底部的应变幅值沿楼层从上到下基本呈增大趋势且随着加速度峰值的增加而增大；结构在相同加速度峰值、不同波形的地震波作用下的应变反应不一，说明结构的应变反应与地震波的波形有关；在同种地震波作用下，底层核心筒底部应变大于底层角柱处应变，说明核心筒在地震作用下分担了较大的水平力，承担较大的弯矩；在EL4和SH4工况下，结构主要受到第二振型的影响，应变曲线与第二振型曲线相似；核心筒应变最大值出现在底层，角柱应变最大值出现在结构第5层，说明该层处的角柱变形较大，设计时应予以加强。

图7　EL-Centro和上海人工波作用下的应变幅值Fig.7 Maximum strain of structure under EL-Centro and Shanghai wave

5　结　论

本文对一幢超高层框架-核心筒结构的1/50缩尺模型实施了振动台试验，得到了丰富的试验数据，通过对模型结构在不同水准地震前后的动力特性变化情况和动力响应的研究，得到以下结论：

(1) 随着台面输入地震波加速度峰值的增大，结构的自振频率逐渐减小、阻尼比基本呈增大趋势，振型曲线的幅值逐渐减小，这一现象揭示了地震作用下结构动力特性变化的基本规律。试验结束后，结构的动力特性变化不大，表明结构的损伤不大，结构具有一定的安全储备。

(2) 底层核心筒的应变比外围角柱的大，表明结构在地震作用下，内部核心筒分担了较大部分的水平力，承担了较大的弯矩；大震作用下，受到二阶振型的影响，结构应变曲线与第二振型曲线相似；角柱应变最大值出现在变截面(第5层)处，变形较大。

(3) 结构在大震作用下最大位移曲线呈弯剪型，说明结构外围框架和核心筒之间有良好的协同作用；顶层最大位移达到结构高度的1/223,结构并未发生明显的破坏，说明结构具有良好的延性，能够满足“三水准”的抗震设防标准。

[1] 蒋欢军，和留生，吕西林，等. 上海中心大厦抗震性能分析和振动台试验研究[J]. 建筑结构学报，2011,32(11):55-63.

JIANG Huanjun, HE Liusheng, LÜ Xilin,et al. Analysis of seismic performance and shaking table tests of the Shanghai Tower [J]. Journal of Building Structures, 2011, 32(11): 55-63.

[2] 朱杰江，吕西林，邹昀. 上海环球金融中心模型结构振动台试验与理论分析的对比研究[J]. 土木工程学报，2005, 38(10): 18-26.

ZHU Jiejiang, LÜ Xilin, ZOU Yun. Shake-table test and theoretical analysis for shanghai world financial center scale model [J]. China Civil Engineering Journal,2005,38(10):18-26.

[3] 邹昀，吕西林，卢文胜，等.上海环球金融中心大厦整体结构振动台试验设计[J]. 地震工程与工程振动,2005,25(4):54-59.

ZOU Yun, LÜ Xilin, LU Wensheng,et al. Shaking table model test design for Shanghai World Financial Center [J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2005,25(4):54-59.

[4] 吕西林，殷小溦，蒋欢军，等. 某钢管混凝土框架-核心筒结构振动台模型试验[J]. 中南大学学报:自然科学版, 2012, 43(1): 328-337.

LÜ Xilin, YIN Xiaowei, JIANG Huanjun,et al. Shaking table test on super-tall building with CFT frame and composite core wall [J]. Journal of Central South University:Science and Technology, 2012, 43(1): 328-337.

[5] 沈德健，吕西林. 模型试验的微粒混凝土力学性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2010, 43 (10): 14-21.

SHEN Dejian, LÜ Xilin. Experimental study on the mechanical property of microconcrete in model test[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(10): 14-21.

[6] 周颖，吕西林，卢文胜，等. 双塔连体高层混合结构抗震性能研究[J]. 地震工程与工程振动,2008,28(5):71-78.

ZHOU Ying, LÜ Xilin, LU Wensheng,et al. Seismic performance of a multi-tower hybrid tall building [J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2008, 28(5): 71-78.

[7] 赵斌，卢文胜，吕西林，等. 超高层剪力墙(短肢剪力墙)简体结构整体模型振动台试验研究[J]. 建筑结构学报, 2004, 25(3): 14-21.

ZHAO Bin, LU Wensheng, LÜ Xilin,et al. Shaking table experimental study of super-highrise building with shear wall (short limb shear wall)-tube structure system [J]. Journal of Building Structures, 2004, 25(3): 14-21.

[8] KRAWINKLER H，MONCARZ P D. Similitude requirements for dynamic models [J]. ACI Special Publication, 1982, SP73-01:1-22.

[9] 张敏政. 地震模拟实验中相似律应用的若干问题[J]. 地震工程与工程振动, 1997, 17(2): 52-58.

ZHANG Minzheng. Study on similitude laws for shaking table tests [J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 1997, 17(2): 52-58.

[10] 张晋，吕志涛.短肢剪力墙-筒体结构模型振动台试验研究[J]. 东南大学学报:自然科学版, 2001, 31(6):4-8.

ZHANG Jin, LÜ Zhitao. Earthquake simulation test of short-leg shear wall-tube model [J]. Journal of Southeast University: Natural Science Edition, 2001, 31(6):4-8.

[11] 周颖，于健，吕西林，等.高层钢框架-混凝土核心筒混合结构振动台实验研究[J]. 地震工程与工程振动，2012,32(2):98-105.

ZHOU Ying, YU Jian, LÜ Xilin,et al. Shaking table test of a high-rise hybrid structure building with steel frame-concrete core wall [J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2012, 32(2): 98-105.

Experimental study on a super high-rise building with a concrete frame-core tube

YANG Yuanwei， QIAN Deling， TONG Guofeng

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to study the dynamic response and seismic performance of a super high-rise building with a concrete frame-core tube, a 1/50 scaled model was designed on the basis of dynamic similitude relationship and a series of shaking table tests were then conducted. Based on the test data, the natural frequency, damping ratio, vibration mode curve, acceleration amplification factor, inter story shear force, strain and displacement distribution of the structure were calculated and analyzed. The results indicate that the natural frequency of the structure decreases, damping ratio of the system increases generally and the peak of vibration mode curve reduces with the increase of the time. The dynamic characteristics of the structure does not change significantly in the whole process, which indicates that the structural damage is not big. The dynamic response of the structure is not only in connection with the magnitude but also with the waveform of input seismic waves. The test model structure can meet the requirement that there is no damage with weak earthquake, it is repairable with medium earthquake, and it will not collapse with strong earthquake. These indicate that the structure has excellent seismic performance. The research results can provide reference for the aseismic design of similar super high-rise buildings.

super high-rise building; frame-core tube structure; shaking table test; dynamic response; seismic performance

国家自然科学基金项目(51378168)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2012HGZY0024)

2015-06-16修改稿收到日期：2015-09-17

杨远威 男，硕士生，1990年生

钱德玲 女，教授，博士生导师，1956年生E-mail：791971493@qq.com

TU398+.2

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10.13465/j.cnki.jvs.2016.16.029