侧向刚度不规则的超高层建筑振动台试验研究

崔　杰，马玉宏，何子文，黄襄云，陈建秋，张　扉，窦志明

(1. 广州大学 工程抗震研究中心，广州 510405； 2. 广州市万新房地产有限公司，广州 510405)



侧向刚度不规则的超高层建筑振动台试验研究

崔杰1，马玉宏1，何子文2，黄襄云1，陈建秋1，张扉1，窦志明1

(1. 广州大学 工程抗震研究中心，广州 510405； 2. 广州市万新房地产有限公司，广州 510405)

一座具有多道加强层的超限高层框架剪力墙住宅建筑，其高度超过了规范的限值，侧向刚度不规则。为研究该建筑的抗震性能，对其进行了1/30模型的振动台试验研究，并建模分析了该结构的抗震性能，包括结构的自振特性、加速度反应、位移反应、扭转作用等。采用试验宏观现象、实测数据和有限元软件等手段分析，结果表明该超高层结构基本满足初步设计目标的抗震设防要求，建议在弱轴方向予以稍微加强，以提高结构弱轴方向的抗震能力，确保地震安全。

超高层建筑；抗震性能；振动台试验；刚度不规则

我国目前不断涌现大量高层、超高层建筑。对于处于地震区的超高层建筑来说，由于这类建筑基本未经历过地震考验，因此其抗震安全性引起人们极大的关注，同时由于使用功能需要，超高层建筑很多都属于超限结构，特别是不规则超高层建筑除了理论分析以外，还要进行振动台的试验研究[1-3]。

本工程是一栋超高层住宅楼，结构形式为框架剪力墙结构，形成框架-双筒体结构体系。28层以下为用作商业的楼层，29层以上为住宅，转换层设置在29层；设置方式为：底板核心筒上边缘位置X向设置两片墙肢。1—6层柱采用的是型钢柱，其余层为普通钢筋混凝土柱。在52层与53层和27层与28层之间均设置了设备层。由于上述的设置，导致结构属于侧向刚度不规则的情况——第5、27、29层侧向刚度与相邻上层的70%或其上相邻3层平均值的80%比值小于1。该框架-核心筒结构B级工程总高度184.35 m，高宽比8.6，均超过了《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)》[4]表4.2.2-2中关于框架-核心筒结构体系B级高度和高宽比的限制。

为了研究该结构的动力反应特性和地震反应特性，同时对该结构的总体抗震性能予以评价，对其进行了1/30模型的振动台试验研究和相应的分析研究。

1　模型设计制作及试验方案

1.1模型设计与制作

依据Buckingham的π定理，取l,E,a为基本量，其余各量均以此为基础按照量纲分析来表示。首先确定几何相似比S1=1/30。模型结构的主要相似关系见表1。依据抗弯和抗剪能力等效的原则对模型中钢筋混凝土梁、柱等构件层面的设计[5]；采用微粒混凝土、回火镀锌铁丝和钢丝网片等材料来制作结构模型；对于1～6层柱的型钢构件，同时考虑刚度等效的原则和强度等效[8-9]。本模型为减小重力效应的影响效应，通过每层添加配重(人工质量)方法实现考虑人工质量的混合相似模型，模型总质量16.213 t，配重12.37 t，试验模型见图1。

表1　 结构模型相似参数

图1　结构试验模型及有限元模型Fig.1　Test model fixed on the shaking table and finite element model

1.2模型试验方案

试验在广州大学工程抗震研究中心进行，试验振动台可进行6个自由度、台面尺寸为3m×3m，采用用电液伺服方式通过计算机进行加载，并使用模拟和数字补偿技术。

根据2010版建筑抗震设计规范，本次试验采用1条场地波(由甲方安评报告提供)和2条真实强震记录天然波1(EL-Centro波)、天然波2(Taft波)。按相似系数换算后，加速度峰值小震0.061g、中震0.18g、大震0.339g。本试验共有29个工况，包括7度小震、中震、大震的单向、双向、三向。在不同水准地震波输入的前后，均对模型输入一次白噪声[6]。场地波小震时程曲线、功率谱及加速度反应谱见图2。

本试验设置41个加速度测点和36个位移测点，其中，18个传感器为加速度位移转换使用的传感器。应变测点布置在重点观测的剪力墙、柱等构件上，如底层柱底、6层和7层下柱或墙底、28层剪力墙底或柱底等部位，监测重点部位的受力情况，主要测点的平面布置见图3[7]。

图2　场地波归一化小震时程曲线、功率谱及加速度反应谱Fig. 2　Acceleration time-history, power spectrum and acceleration response spectrum of artificial ground motion

图3　加速度、位移及应变测点平面布置图Fig.3　Plant layout of measuring point for acceleration, velocity and strain

2　振动台模型试验结果

2.1模型结构动力特性

试验对结构的模态参数的获得途径：通过输入有限带宽白噪声激励信号获得结构的响应输出信号去估计结构模态参数。分析软件采用丹麦B&K公司的PULSE8.0 operational modal analysis，分析得到试验前模型结构前6阶平动和扭转振型见图4。可见，该结构Y向为弱轴方向，前2阶振型为平动、第3阶振型为整体扭转，结构扭转周期和平动第1阶周期的比值为0.58。

图4　试验测定地震作用前的模型振型图Fig.4　Test results of vibration mode of the structure model

在每次输入地震波前后，对模型输入频带宽为0.1～40 Hz、加速度峰值为 0.05g的白噪声，以此测定模型结构在地震作用前后动力特性，见表2。由表2可见，在小震作用后，结构的各阶频率与震前相比变化较小，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%；随着地震作用强度的增加，模型结构的各阶频率呈下降趋势。从频率变化来看，结构在中、大震作用后估计有一定的损伤。

表2　模型结构不同强度地震作用前后自振频率变化情况

2.2模型加速度反应分析

通过对采集到的各测点加速度反应时程对比分析，得到模型结构的加速度反应最大值，三水准地震对应的X、Y方向最大加速度包络图见图5，其中，最不利地震波是EL-Centro波。根据2010年新《抗震规范》的规定，以下分析中，最终结果取3条地震波的最大值而非平均值。由图5可见，不同水准地震作用下，结构加速度反应基本是随高度逐渐增大，水箱顶面有较明显的鞭端效应；小震时天面层加速度放大系数在3左右，水箱顶放大系数大于3；在中、大震时，天面层和水箱顶加速度放大系数均在3以内。

图5　三水准地震作用下最大加速度包络图Fig.5　Test results of maximum acceleration under three level earthquakes

2.3模型位移反应分析

通过对振动台数据采集系统位移传感器获得模型结构的相对位移最大值。三水准地震3种地震波作用下，模型结构最大相对位移包络图见图6。由图6可见，相对位移发生在结构顶层，形状基本为倒三角形，结构变形较均匀；在多向地震作用下结构变形与单向地震作用下相差不大；试验所得模型相对位移反应与图4模态测试一阶平动振型类似，说明模型第1振型反应占了较大比例。

在三水准地震(多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震)作用下，单向或多向输入时，结构层间位移最大值大多出现在40层，28层和46层的层间位移也较大，出现的规律基本相同；在多遇地震和设防烈度地震单向作用下，各条波X向层间位移角的最大值分别为1/928(46层，场地波)、1/378(46层，天然波1)；各条波Y向层间位移角的最大值分别为1/654(40层，场地波)、1/293(40层，天然波2)；在罕遇地震最不利地震波单向作用下，X、Y向层间位移角的最大值分别为1/201(46层)、1/190(40层)，基本满足设计院提供的抗震性能目标及《建筑抗震设计规范》的规定(多遇、设防烈度和罕遇地震作用下，结构层间位移角限值分别为1/665、1/220及1/110)。

2.4模型扭转反应分析

试验中结构出现明显的扭转反应。模型结构在第6、21、 53层出现扭转较大。多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震单向作用下得到模型结构在3种地震波作用下扭转角的最大值分别为2.1×10-3rad、4.4×10-3rad和8.7×10-3rad。多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震双向作用下扭转角的最大值分别为2.5×10-3rad、5.1×10-3rad和6.1×10-3rad；罕遇地震三向作用下扭转角的最大值达13.2×10-3rad。可见，双向和三向作用下的扭转比单向作用严重。结构在地震作用下楼层最大水平位移(边缘点)与该楼层位移平均值(质心点)的比值，见表3。

由表3可见，分别输入单向多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震时，结构X向和Y向的位移比值的最大值分别为(1.31，1.07)、(1.34，1.10)、(1.26，1.11)。这数据说明结构在X向扭转效应明显、Y向不明显。同时，多向作用下结构的扭转反应稍大于单向作用下的扭转反应。

图6　大中小震下相对位移包络图Fig.6　Test result of maximum relative displacement under three level earthquakes

2.5应变反应分析

模型是采用混合相似建成的，这样忽略了重力效应的影响。只能定性地从应变相对值的变化情况判断结构应力变化情况。模型在小震作用下，结构受力较大的区域为首层钢筋混凝土剪力墙底部，其拉应变最大值为349.691 με，压应变最大值为-378.890 με，测点的应变时程曲线拉压应变基本对称，结构应变接近开裂应变；在中震作用下，混凝土结构局部出现细微裂缝，部分混凝土测点应变开始出现拉压应变分布不对称现象。混凝土结构可能局部出现细微裂缝。观测到应变最大值出现的位置与多遇烈度地震作用下相同。混凝土剪力墙的拉应变最大值为953.456 με，压应变最大值为-865.791 με。此时，结构观测应变超过开裂应变；在大震作用下，结构受力较大的区域与设防烈度地震作用下相同。混凝土剪力墙拉应变最大值为1 656.85 με，压应变最大值为-1 158.389 με。观测应变值远大于开裂应变，结构内部有微裂缝产生，但由于裂缝细微，无法用肉眼观察到。在小震、中震、大震下首层底混凝土剪力墙应变时程曲线见图7。

表3　地震作用下结构最大水平位移与平均位移比值的最大值

图7　首层底剪力墙竖向应变时程曲线Fig.7　Vertical strain history-time curve of shear wall at the 1th floor

3　试验结果与计算对比

采用ETABS软件进行有限元分析与试验对比，建立3维模型(图1)进行动力时程分析，输入与试验相同的3种地震波和小震加速度幅值。分析结果与对比见表4。由表4可见，振型周期与试验周期误差基本控制在10%以内，前2阶周期的误差非常小，说明用ETABS软件对缩尺模型模拟的效果较好。

表4　前10阶模态周期试验值与计算值对比

小震作用下各层最大加速度和相对位移的对比见图8。由图8可见，试验数值与有限元计算值的趋势基本一致， 变化规律基本相同； 加速度和位移的计算值与试验数据平均误差在 20%左右，结果吻合较好。

图8　小震作用下各层最大加速度、相对位移计算值与试验值对比Fig.8　Comparison of maximal acceleration, relative displacement between measured and calculation values under usually ocurred earthquake

4　结论和设计建议

本文针对一座侧向刚度不规则、高度超限的框架剪力墙住宅建筑进行模拟地震振动台试验，采用1/30缩尺模型，并利用ETABS软件进行分析并与振动台试验对比，得出以下结论：

1)在多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震作用下，试验现象和实测数据都表明结构总体上满足初步设计目标的抗震设防要求。

2)在经历小震、中震及大震作用后，模型结构各阶频率与震前相比平均分别下降1.748%、12.828%和22.558%。从频率变化来推测，结构在地震作用下有一定的损伤。

3)结构顶部有明显的鞭端效应，加速度最大值出现在结构顶部，加速度放大系数最大值在多遇地震时大于3；在设防烈度地震和罕遇地震时，由于结构有微裂缝出现，有一定塑性变形，因而加速度放大系数的最大值小于3。

4)结构层间位移最大值大多出现在40层，28层和46层；在小震和大震单向作用下，层间位移角最大值分别为1/654和1/190，小震单向作用下Y向层间位移角最大值(1/654)稍微超过限值(1/665)，建议加强以提高结构Y向抗震能力，确保地震安全。

5)在三水准地震单向作用下，模型结构在第6层、第21层扭转较大，试验测得结构扭转周期和平动第一阶周期的比值为0.580；结构楼层最大位移与平均位移之比(扭转比)最大值在1.3左右，X向扭转反应略大于Y向，双向和三向作用下结构的扭转反应明显大于单向作用，总体来看，结构的扭转效应不明显。

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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

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB013606);国家自然基金会重点项目(51438004)；国家自然科学基金面上项目(51578167)

崔杰(1962-)，男，黑龙江哈尔滨人，研究员,博士研究生导师，博士，研究方向：隔震及结构地震灾害风险分析，E-mail:jcui2009@hotmail.com。

TU352

A

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