不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究.doc

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1、不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 第30卷第11期 2008年11月北京科技大学学报 1)北京科技大学土木与环境工程学院,北京1000832)中国建筑科学研究院,北京100013 3)广州市市政工程设计研究院,广州510060 摘要为研究高柱支承框架结构的抗震性能,对一V形支撑立面不规则体型高层钢框架结构进行了1/12整体模型模拟地震振动台试验,以主要结构动力特性、基底反力、柱底反力为控制目标制作模型并测试了其振型、阻尼比及其在7度多遇、7度基本、7度罕遇烈度地震作用下的加速度和位移反应.模型总高4165m,总质量5912t,模拟地震波采用了ElCentro波和人工波.试验中结构表现

2、出明显的扭转效应,悬挑部分的位移反应较大;地震波三向输入时,扭转反应比单向输入时大.根据试验结果和相似理论,推导、分析了原型结构的地震反应,并对原型结构薄弱环节的抗震设计提出了建议. 关键词高层钢结构;振动台试验;地震反应;阻尼比;不规则体型 分类号TU317+11 Shakingtabletestofahigh2risesteelZHANGJubing1),MUZaigen1),SUNJie1,2),DENGO2) 1)SchoolofCivilandEnvironmental,ofBeijing,Beijing100083,China 2)ChinaAcademy,3)Guangzhou&

3、amp;Institute,Guangzhou510060,China ABSTRACTIntostudytheaseismicperformanceoflong2strut2bracedsteelframes,ashakingtabletestwascarriedoutforaverticalirregularhigh2risesteelstructuremodelwithatotalheightof4156m.The5912t1/122scalemodelstructure,whichismainlysupportedbyV2shapedconcrete2filledsteeltubest

4、ruts,wasbuilttoobtainthedynamiccharacteristics,foundationandcolumn2endre2actions.TheElCentroearthquakerecordsandartificialwaveswereadoptedtoinvestigatethedynamicresponses.Structureaccelera2tionanddisplacementresponsesundertheexcitationsofseven2degreefrequent,basic,andrareearthquakesweretested.Asares

5、ult,themodelexhibitsconsiderabletorsionaleffects;thedisplacementsofprotrudentpartsarerelativelygreater.Comparedwithsingledi2rectionalexcitation,thetorsionalresponsesinthree2dimensionalexcitingconditionsaremoreintense.Basedonthesimilitudetheoryandexperimentalresults,theseismicresponsesoftheprototypes

6、tructurewerededucedandsomesuggestionsforimprovingaseismicvulnerabilitieswereproposed. KEYWORDShigh2risesteelstructure;shakingtabletest;seismicresponse;dampingratio;irregulartype 振动台试验是实验室模拟地震的重要手段,比 较接近实际地震时地面的运动情况以及地震对建筑 结构的作用情况,是研究结构地震破坏机理和破坏 模式、评价结构整体抗震能力的重要手段和方法,因 而在地震工程的理论研究和工程实际中得到了广泛 的应用.对于某些

7、结构构件、电气产品、机械产品 等,当其体积和重量超过振动台的承载力时,不能直接用原型进行试验,也只能利用缩尺模型的振动台试验结果作为评价抗震能力的主要依据.为研究某形高柱支承的竖向不规则的框架钢结构的抗震性能,本文根据相似理论,采用缩尺模型,在振动台上输入地震波进行激振试验,得到了模型的加速度、位移及关键构件应变的反应时程等参数;通过逐级加大台面地震波输入,直接观察结构的破坏过程,找出收稿日期:2007210230修回日期:2007211220 基金项目:北京自然科学基金资助项目(No.8082017);北京市重点实验室开放基金资助项目 ),男,讲师;牟在根(1960),男,教授,博士,E2m

8、ail:zgmu作者简介:张举兵(1974 ?1231? 了结构薄弱环节;通过试验建立原型结构的整体力学计算模型和构件的恢复力模型,经选取适当的原型结构参数,计算了原型结构的非线性地震反应,并通过分析评价了原型结构的抗震能力. 数和模型材料性能实测值等多方面的因素后,确定了本次试验所采用相似关系,见表1. 表1模型相似关系(原型/模型) Table1Modelsimilituderelation(prototype/model) 1模型设计与制作 某一不规则体型高层建筑主体结构为钢结构, 采用比较特殊的钢框架结构体系.建筑屋面标高501000m.其中的第一层和第二层为钢筋混凝土裙 物理量相似常

9、数物理量相似常数 应力 1 应变 1 弹性模量 1 密度 1/4 线尺寸 12 频率 1/6 加速度 1/3 速度 015 时间 6 线位移 12 房结构;裙房之上,8根钢管混凝土柱支撑着转换层的双向桁架结构;主体钢结构就坐落于此转换桁架上.8根钢管混凝土柱与其他裙房柱均延伸至地下室-51800m标高处.该建筑体型较为特殊,上部11层主体结构坐落于转换层上,转换层以下为8根 112模型材料 原型与模型所用材料的对应关系见表2. 表2原型结构与模型间的材料对应关系 Table2Materialcorrespondingrelationoftheprototypestructureandmodel

10、 竖直的或带有一定斜度的钢管混凝土柱;转换层本 身为带悬挑的双向钢桁架结构, 转换层以上的结构采用钢柱、钢-混凝土组合梁、钢筋混凝土楼板.建筑物基本设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0110g(g为重力加速度),地震分组为第一组,场地类别为类. 房高度低、基底反力、,对结构进.对于模型设计按动力相似理论进行,构件正截面承载力按受弯承载力等效、斜截面承载力按受剪等效的原则进行模拟,首先确定结构的几何和物理(此处主要指弹性模量)相似常数,并由此得到反映相似模型整个物理过程的其他相似条件.本次设计制作的1/12的钢结构整体模型竣工后的底座和模型总高度4165m,总质量5912t,模型自重612t,

11、配重4015t,底板1215t.试验模型见图 1. 部位主体钢结构原型材料钢材Q345B C60C40模型材料钢材Q345B C60混凝土 11;构件间的连接均以焊接的方式实现;主要构件均没有现成的型材,均由板材焊接而成,所以焊接工作量较大;由于体型较为复杂,构件的定位、连接存在较大的困难,特别是转换层的双向桁架部分;结构下部的倾斜钢管混凝土柱是变直径的,此变直径杆件的直径由140mm变为100mm,杆件长度约为1000mm,因此其制作工艺 较为复杂. 2模拟地震振动台试验 211加速度传感器的布置 布置加速度传感器的目的在于测试振型、加速度放大倍数、位移反应等结构的动力反应.共布置加速度传感

12、器47个. 台面布置3个传感器,X、Y和Z向各一个.根据结构的特点及计算分析结果,在以下位置设置加速度传感器. (1)裙房:用于监测裙房的动力反应.由于裙房的楼层刚度较大,这些测点也可以代表钢管混凝土柱与裙房交接处的反应. (2)钢管混凝土柱的变直径部分的上端和 图1振动台试验模型 Fig.1Modelforshakingtabletest 111相似关系 下端. (3)转换层桁架. (4)楼层3,5,6,10,13,14.各楼层布置35个传感器,用于得到楼层水平双向的线位移反应及 综合考虑振动台性能参数、试验室吊车性能参 ?1232? 北京科技大学学报第30卷 角位移反应. (5)另考虑到结

13、构一侧存在较大悬挑的情况,在楼层10及13的悬挑端部设置了两个竖向传感器.212模型试验加载方案 对于试验模型,依次进行了7度小震、8度小震、7度中震、7度中震加强、7度大震的振动台试验,分别对应于原型结构峰值加速度为01042g, 0107g,0112g,0117g和0122g;然后又进行了对应 于原型结构的峰值加速度为0126g、0130g和0133g的试验(对应于模型结构的峰值加速度则是0178g、0190g和110g).一般地,在每一震级的试验中,首先进行水平单向试验,再进行三向或双向试验.具体加载方案见表3(限于篇幅只列出了前30个工况). 表3模型试验加载方案 Table3Load

14、ingplanofmodeltest 工况 序号 1234 名称 WX1,WY1 EX1ETX1TX1SX1EY1ETY1TY1,WY2 EX2ETX2TX2SX2EY2ETY2TY2SY2DS2WX3,WY3 EX3ETX3TX3SX3EY3ETY3TY3SY3DS3 波形第一次白噪声扫描 E1Centro1-X向E1Centro2-X向Taft波-X向 加速度峰值/g 0105 7度小震 5678910 人工波-X向 E1YE1向 301126 Y-X向,Y向,Z向 第二次白噪声扫描 E1Centro1-X向E1Centro2-X向Taft波-X向 XYZ=011070112601082

15、121314 0105 8度小震 151617181920 人工波-X向 E1Centro1-Y向E1Centro2-Y向Taft波-Y向 01073=0121 人工波-Y向 三向人工波-X向,Y向,Z向第三次白噪声扫描(看裂缝) E1Centro1-X向E1Centro2-X向Taft波-X向 XYZ=011780121001137 21222324 0105 7度中震 252627282930 人工波-X向 E1Centro1-Y向E1Centro2-Y向Taft波-Y向 01123=0136 人工波-Y向 三向人工波-X向,Y向,Z向 XYZ=0130601 36001234 注:EX3

16、E1Centro波的南北向记录;ETX3E1Centro波的东西向记录;DS3人工波的双向输入;人工波安评报告提供的一条人工合成波;X向振动台南北方向;Y向振动台东西方向,为结构的受力薄弱方向. ?1233? 在试验中,将地震波的峰值加速度从01126g逐级增加到110g.模型发生的主要反应及变化为: (1)7度小震后模型结构自振频率与震前基本相同,表明结构在7度小震下保持弹性. (2)从总体上讲,7度中震后,结构的频率逐级下降,说明结构中有构件陆续进入塑性.但从频率下降的幅度来看,直至7度大震后,结构的塑性发展也是有限的. (3)在地震波的作用下,结构的反应随震级的加大而加大.在整个结构中,

17、位移反应最大的部分是第二轴及其悬挑部分,层数越高,反应越剧烈.同时,上述悬挑部分在地震波的峰值过后,比结构的其他部位需要更长的时间归位.即不但反应大,而且反应消失需要的时间也长. (4)应变片的试验结果说明,钢管混凝土柱(含变直径部分)在7度大震下保持弹性,转换桁架在中 震能保持弹性,均达到了既定设计目标. (5)各震级的试验结束后,对模型外观均进行了检查,除转换层桁架中一处斜撑的端部连接焊缝在7度大震后出现开裂外,未发现模型有其他明显破坏现象或构件失稳的现象. 3模型试验结果及分析 311模型结构动力特性 模型结构动力特性见表4.从表中可以看出:随着地震强度的逐步加大,结构模型的自振周期与阻

18、尼比的总体变化是增大的趋势;7度小震后的自振频率与震前基本相同,说明结构在小震下基本保持弹性;7度中震后,结构的频率略有下降,说明结构中有部分构件进入塑性.但从频率下降的幅度来看,直至7度大震后,结构的塑性发展也是有限的. 表4Table4Dynamiccharacteristics工况 X扭振振型 Z 向扭转 / 441504140412841164106410341003191 /10010098959290909087 / 218421792173215921652153214521442144 第一阶频率相当于初始值的百分比/% 100 9896919389868686 第一阶频率/

19、610251885177516251565139513951265125 第一阶频率相当于初始值的百分比/% 1009896919389868686 震前 7度小震8度小震7度中震7度中震加强7度大震0178g0190g110g 312模型结构的加速度反应分析31211主体结构加速度反应 各层的加速度放大系数由该层的绝对加速度反 应峰值与台面加速度峰值之比确定.ElCentro波南 北向记录以不同震级、不同地震波作用时,模型加速度放大系数沿楼层的分布见图2. 图2ElCentro波南北向记录不同工况下楼层加速度放大系数 Fig.2Magnificationcoefficientoffloora

20、ccelerationbythenorthandsouthrecordsofEICentrowaveindifferentconditions ?1234? 北京科技大学学报第30卷 通过考察楼层峰值加速度及加速度放大系数可 以得出:(1)人工波作用下,模型的反应往往较小.(2)结构模型在Y向地震波下的效应要明显大于X向地震波.(3)一般地,7度小震时的加速度放大系数较之其他震级是最大的;而7度大震时加速度放大系数较之其他震级时最小的,因为随着地震烈度的增加,结构进入塑性的程度也在增加,抗侧力刚度 减小.31212转换层加速度反应 考虑到转换层对于本结构的特殊意义,专门对其加速度反应进行讨论,

21、在变径柱的柱头也布置了三个加速度测点.表5是响应的量测结果(限于篇幅仅列出ElCentro波作用下的记录,且只截取了部分测点). 表5转换层上加速度测点的部分结果 Table5Partialresultsofaccelerationmeasuringpointintransformationfloor 位置测点工况 7度小震 ElCentro波南北向记录 X Y ElCentro波东西向记录 X Y 01195g01413g01763g01201g01370g01675g 01153g01477g01692g01176g01485g01g 01232g01505g01826g01191g014

22、75g01262g01676g01868g01257g01726g01940g 变径柱的柱头57度中震7度大震7度小震 转换桁架87度中震7度大震 从表5中可以看出:(1)测点一样,Y,;(3)测点10的反应一般大于测点8和9,这和第3,5,6层的测点C或D反应较大是吻合的;(4)变径柱柱头的加速度测点的测量结果与转换桁架大致相当,这充分说明转换层的刚度是较大的.313模型结构位移反应 图3为结构各楼层相对于台面的位移包络图.由于结构在6层以下体形非常的不规则,且没有传 ,:在不同设防水准地震X向响应普遍大于Y向响应,反应出结构X和Y向抗侧力刚度的差异;随着加速度峰值的提高,结构的位移响应逐渐

23、增大,但都基本保持弹性变形,说明结构的设计达到了预期的“中震保持弹性”的要求. 4原型结构抗震性能分析 411原型结构动力特性 按照相似关系,模型的自振周期可以换算成为原型结构的自振周期,实测值与计算值的比较见表6. 表6模型自振周期与原型结构的比较 Table6Comparisonoffreevibrationperiodofthemodelandprototypestructure 方向 X向 数值类别实测值计算值实测值 第一阶周期/s 1132116221102150 第二阶周期/s 0155016901360142 Y向 计算值 图3不同设防水准下楼层峰值位移反应 Fig.3Displ

24、acementresponsesofthefloorpeakvalueindifferentdesignintensities 试验结果表明,模型的实测自振周期比计算结 果小一些.二者存在差异的原因主要为:由于一些构件的刚度无法考虑在内,计算模型的刚度总是比实际结构小. 第11期张举兵等: ?1235? 412原型结构位移反应 楼层层间位移角的最大值见表7.需要说明的是,这里的最大值包含的范围是第5层至第13层.表格内的数据代表此最大值出现的层号,未注明时为第13层.鉴于结构X向反应普遍小于Y向反应,此处只列出了Y层间位移角的最大值. 表7层间位移角的最大值(Y) Table7Maximumv

25、aluesofdisplacementangleofthefloors(Y) 扭转反应比单向输入时大;模型在Y向地震波下的 加速度、位移、层间位移角和楼层扭转角反应高于X方向地震波下的反应,这说明结构在两个方向上的抗震性能有所不同,设计中应注意提高第2轴线及悬振部分的刚度. 参考文献 1YangJJ. SimilarityTheoryandStructuralModelTest. Wuhan:WuhanUniversityofTechnologyPress,2005 (杨俊杰.相似理论与结构模型试验.武汉:武汉理工大学出 工况 7度小震7度中震7度大震 ElCentro波ElCentro波 南

26、北向记录 1/454(10)1/140(10)1/80(10) 东西向记录 1/3421/120(10)1/80(10) Taft波1/476(10)1/182(10)1/137(10) 人工波 1/12501/256(10)1/90(10) 版社,2005) 2GB500112001CodeforSeismicDesignofBuildings.Bei2 jing:ChinaBuildingIndustryPress,2001 (GB500112001建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出 版社,2001) 3ExperimentalReportofSimulatingShakingTabl

27、eStructural ModelinJingjiDameishaHotelinShenzhen.Beijing:China 根据层间位移角的实测结果,可以看出:(1)地 震波沿X和Y向作用时,层间位移角沿楼层的分布情况有所区别,前者的最大值往往出现在第13层,后者的最大值则一般在第10层出现.(2)结构在 Y向地震波作用下,AcademyofBuildingResearch,2005 (.北 :) 4studyonthetestofbuilding Eng,2003(4):31 .工程抗震,2003(4):31) 5ZhouY,LuWS,LvXL.Practicalmodeldesignme

28、thodof shakingtabletests.StructEng,2003(3):30 (周颖,卢文胜,吕西林.模拟地震振动台模型实用设计方法. 地震波地作用.(3)在7,最大值为1/的1/300中规定的1/;值为1/80,小于高层民用建筑钢结构技术规程中规定的1/70的限值及建筑抗震设计规范中规定的1/50的限值. 结构工程师,2003(3):30) 6LinSH.Theapplicationofearthquakeresponsespectrumtheory inthedesignofbuildingaseismic.BuildTechDev,2005,32(6):11 (林松辉.地震

29、反应谱理论在建筑抗震设计中的应用.建筑技 5结论 (1)该结构抗震性能基本满足7度抗震设防的 术开发,2005,32(6):11) 7QuYQ,LiangWX,TianY.Evaluationofseismicdamageper2 formancebasedonenergyanalysis.2006,22(1):109 (瞿岳前,梁兴文,田野.基于能量分析的地震损伤性能评估. WorldEarthquakeEng, 要求;在7度小震作用后,结构能够保持弹性;在7 度中震及大震作用后,模型频率稍有下降,表明结构陆续有构件进入塑性. (2)试验表明,作为本结构重要的构件,钢管混凝土柱及转换桁架均可

30、达到原定设计目标:在7度大震下8根钢管混凝土柱维持弹性;转换桁架在7度中震下维持弹性. (3)试验模型自始至终都未出现构件破坏或失稳的现象,但由于其体型特殊,结构在地震作用下表现出了明显的扭转效应,尤其是结构第2轴线及悬挑部分的位移反应较大;地震波三向输入时,结构的 世界地震工程,2006,22(1):109) 8CaiJ,ZhouJ,YuQC.Progressofseismicdesigntheoryof buildings.JGuangzhouUnivNatSciEd,2005,4(1):65(蔡健,周靖,禹奇才.建筑抗震设计理论研究进展.广州大学 学报:自然科学版,2005,4(1):65) 9BerteroRD,BerteroVV.Performance2basedseismicengineer2 ing:Theneedforareliableconceptualcomprehensiveapproach. EarthquakeEngStructDyn,2002,31(3):627 10OtaniS.Earthquakeresistantdesignofreinforcedconcrete buildingspastandfuture.JAdvConcrTechnol,2004,2(1):3