高宽比超限高层建筑模拟地震振动台试验研究_沈朝勇

1、高宽比超限高层建筑模拟地震振动台试验研究_沈朝勇 第2卷 第2期 2003年 4月 广州大学学报(自然科学版) JournalofGuangzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.2 No12 April 2003 文章编号:1671_4229(2003)02_0164_05 高宽比超限高层建筑模拟地震振动台试验研究 沈朝勇,周福霖,阎维明,罗学海 1 1 2 1 (1.广州大学工程抗震研究中心,广东广州 510405;2.北京工业大学,北京 100022) 摘 要:对一座高宽比超过抗震规范规定的复杂高层建筑进行了模型模拟地震振动台试验研究.对于一个

2、1B30的高层建筑模型,通过对其动力特性和动力反应的分析,发现短边方向的刚度明显比长方向弱,存在长方向的扇形振动,即出平面的翘曲变形,转换层处的层间相对位移明显大于其他层的位移,顶部的鞭梢效应明显,此外,高振型在加速度反应中作用较大,尤其在短边方向上.针对以上特点,对设计提出了若干建议.关键词:高层建筑;振动台试验;翘曲变形;鞭梢效应;高振型中图分类号:TU352.1 文献标识码:A 随着社会的高速发展,在现代化城市中,城市建设、办公及居住用地越来越紧张,为了节约土地及空间,高层建筑的水平尺寸常常受到有限空间的限制,不能按照结构理论和规范1的要求将它设计成体型简单、规则的建筑.例如,在一狭长地

3、带上建设的高层建筑可能长宽比、高宽比过大.此外,因建筑功能的要求,在竖向可能出现刚度不均匀.由于转换层的存在,在某些层会呈现刚度突变.为保证结构设计的安全合理,对这种复杂结构的地震反应有必要进行振动台试验研究.本文讨论的广东省交通大厦就是其中的一例. 2 模型设计与制作 广东省交通大厦结构模型振动台试验是在广州大学工程抗震研究中心振动台上进行的.振动台台面平面尺寸3m3m,具有3向6自由度,工作频率0.150Hz,振动台最大竖向载荷是15t,传感器使用压电式加速度计,型号为YD-82,频率范围0.1-1000Hz,灵敏度为1000pc#g-1.电荷放大器频宽为0.1-300kHz,输出量为?1

4、0Vp.记录设备使用的是VAX4000工作站数采系统(MTS公司提供),数据采样频率为300Hz. 根据模型相似理论25、试验要求和试验条件,本模型采用考虑人工质量的混合相似模型.原型与模型的相似关系如下(相似系数=原型参数/模型参数). Cl=30;Ce=6.53;C=1/3.22;CQ=0.7(等效密度相似比);Ct=10;Cf=0.1. 图1为正在施工、制作完成后的交通大厦结构模型. a 1 工程概况 广东省交通大厦是一座位于广州市白云路的高层建筑,设2层地下室,局部地下3层,地面以上32层,地面以上高度为112.5m,平面尺寸长为72.86m,宽为17.0m,高宽比达到6以上.因使用要

5、求,第8层为转换层.根据建筑物的性能、体型及结构设计上的要求,采用框架剪力墙体系,在靠近建筑物端部的位置,增设两个落地的钢筋混凝土筒体,它和电梯间的钢筋混凝土筒体、其他剪力墙、框架柱等组成空间整体结构,加强结构的空间受力,减少结构的侧向位移,以提高结构的抗震、抗风能力.根据广东省的地震烈度区划,本工程抗震设防烈度为7b,抗震等级为II级.场地土为II类土. 收稿日期:2002-10-20 :(),男,硕士,. 3 振动台试验方案 考虑到结构模型在第8层有一转换层,第31层有较大的刚度突变,第32层楼板有较大的开洞,因此在这些特殊层位平面中部及端部布置了一定 第2期 沈朝勇等:高宽比超限高层建筑

6、模拟地震振动台试验研究数量的加速度传感器,为了了解结构模型整体的动力特性及动力反应,在其他楼层也布置了一定数量的加速度传感器,具体布置见图2及表1.考虑建筑物场地条件、现有地震记录的持时、频谱特性及以前试验的经验,采用场地波、ElCentro波和Taft波作为地震波输入.在进行每一阶段的地震波试验前后,对模型结构进行一次白噪声试验,以了解模型结构的刚度变化情况 . 图1 正在施工和完工后的交通大厦模型 165 Fig.1 JiaotongBuildingmodelbeingmadeandhavingfini shed 图2 加速度传感器平面布置图 Fig.2 Accelerometersarr

7、angedintheplaneofmodel 表1 加速度传感器布置表 Table1 Accelerometersarrangedinthemodel 各层楼面C点C点B点A点A点 1XYXYX 2XYXY 4XY 7XY 8XYXYX 9XY 18XY 22XYXY 31XY 32XY 屋面XYXYX 机房顶XY 4 模型结构抗震性能分析 4.1 模型结构的动力特性分析 表2为模型结构试验各阶段频率的变化情况.在经历了7b小震(加速度峰值0.116g)后,模型结构频率基本未发生改变.在经历了7b中震(加速度峰值0.334g)各种地震波作用后,通过观察模型结构部分楼层A点和B点X向加速度反应对

8、白噪声输入的传递函数的实部和虚部,发现模型X向存在两个比较接近的自振频率3.662Hz,4.639Hz,与小震后和小震前的自振频率相比,模型X向基频降低不多,但第二频率却降低了许多.这种现象的产生,可以认为是由于模型结构Y向长度较X向长,结构在YZ平面外翘曲变形较大,致使模型结构剪力墙柱之间的联系有一定程度的降低,使模型结构产生两结构体系才有的振动现象.为叙述方便,将测点A所在的部分称为子结构A,测点B所在部分称为子结构B.此外从A、B两点的传递函数还可以看出,经历7b中震后,模型X向按第一振型振动时,子结构A和子结构B是同时振动的,但模型按动,这将加剧模型结构剪力墙柱之间联系的破坏. 中震后

9、Y向基频约降低9%左右.在经历7b大震(加速度峰值0.72g)后,通过分析模型结构部分楼层A点和B点X向加速度反应相对底座白噪声输入之实部和虚部,可以发现其X向之间同样存在两个比较接近的自振频率和3.66Hz,与中震时情况相似,此两频率分别对应于子结构A和子结构B,分别降低了13.44%和21.1%,对于Y向,7b大震后模型结构第一振型频率和第二振型频率分别降低到和12.94Hz,与大震前相比,分别降低了21.6%和17.2%. 表2 模型结构试验各阶段频率的变化情况Table2 Themodelfrequencyatthedifferentstages 实验工况震前小震后中震后大震后 X向频

10、率/Hz第一振型 第二振型 Y向频率/Hz第一振型 第二振型 总之,模型结构在经历了7b小震、中震和大震后,其X向和Y向基频分别降低了18.84%和34.82%,并且在7b中震后模型结构长方向形成两,X 166 广州大学学报(自然科学版) 第2卷 4.3 模型结构相对位移反应分析 图5为场地波作用下小震时模型结构X(左)、Y(右)向各层相对台面的位移反应.从图中可以明显看出,在X向,其相对位移曲线以弯曲变形为主,而Y向则以剪切变形为主.从图2可以看到,在X向,结构刚度主要由长肢剪力墙来提供,致使模型结构变形在X向以弯曲变形为主;在Y向,模型结构刚度主要由柱及短肢剪力墙来提供,从而使模型结构在Y

11、向以剪切变形为主. 振型频率成倍降低. 4.2 模型结构加速度反应分析 图3、4分别为Taft波作用下小震(幅值0.116g)、中震(幅值0.334g)、大震(幅值0.72g)时模型结构X、Y向加速度反应.由图3、4可见,在小震、中震、大震阶段结构模型加速度反应中,无论在X向还是Y向,高振型分量所占比重较大,尤其大震X向,这从另一个角度说明模型X向较Y向柔.在模型顶部绝对加速度反应放大系数X向小震时达左右,中震时为左右,大震是为左右;Y向小震时达左右,中震时达2.3,大震时达左右;从该放大系数发展趋势来看,X向加速度放大系数从小震、中震到大震是逐渐降低的,说明结构模型在X向在中震时刚度已有所削

12、弱,特别是大震时,其放大系数已降低许多(见图3(右),此时可能在中上层部分剪力墙或柱发生破坏;而对于Y向来讲,模型结构顶部加速度放大系数变化不大,说明在Y向刚度破坏较少,同时也进一步说明了结构模型Y向强于X向 . 图5 场地波作用下小震时模型结构X(左)、Y(右)向各 层相对台面的位移反应 Fig.5 Eachfloordisplacementofmodelrelativetotablein X、Ydirectionatthestageofsmallearthquakewhenthefieldwaveisinput 4.4 模型结构层间相对位移反应分析 图6、7分别为Taft波作用下小震(幅值

13、0.116g)、中震(幅值0.334g)、大震(幅值0.72g)时模型结构X、Y向层间相对位移反应.从图6、7小震 图3 Taft波作用下小震(左)、中震(中)、大震(右)时模 型结构X向加速度反应Fig.3 AccelerationresponseofmodelinXdirectionatthe stageofsmallearthquake,midearthquakeandlargeearthquakewhentheTaftwaveis input 反应来看,模型侧向刚度沿高度分布不很均匀,尤其在转换层处,其层间位移反应明显增大,模型最大层间位移发生在顶层和转换层,此外,从图6、7中可以看出

14、,模型顶部的鞭梢效应比较明显,中震较小震则更明显.在大震作用下,模型已进入弹塑性工作状态,模型顶部刚度下降,鞭梢效应非常明显,在大震后通过裂缝观察,发现顶部小塔楼结构已倒塌(见图9(右),但转换层位移未见明显增大(相对顶部反应增大而言). 4.5 模型结构YOZ平面外翘曲变形分析 从图8(a)可以看出,在小震X向Taft波作用下,模型A、B两点相对位移反应X向较明显,最大达0.98mm,由于模型X向和Y向的质心和刚心大 图4 Taft波作用下小震(左)、中震(中)、大震(右)时模型结构Y向加速度反应 Fig.4 AccelerationresponseofmodelinYdirectionat

15、the stageofsmallearthquake,midearthquakeandlarge 致重合,故其扭转反应相对较小,因此,可以说模型YOZ立面有明显的出平面变形,即有明显的翘曲变形.图8(b)给出了中震Taft波作用下模型顶层A、, 第2期 沈朝勇等:高宽比超限高层建筑模拟地震振动台试验研究1178mm,与小震相比,此相对位移增大了2倍,即模型结构在YOZ立面有了更明显的出平面变形或翘曲变形.图8(c)为大震双水平向Taft波作用时模型结构屋面A、B两点相对位移反应时程曲线,从 167 图可以看出,A、B两点的最大相对位移达5173mm,为设防烈度情况的312倍,说明此时模型结构长

16、方向的扇形振动更厉害,YOZ出平面变形更 加突出 . 图6 Taft波作用下小震(左)、中震(中)、大震(右)时模 型结构X向层间相对位移反应 Fig.6 FloordriftofmodelinXdirectionatthestageofsmall earthquake、midearthquakeandlargeearthquakewhentheTaftwaveis input 图7 Taft波作用下小震(左)、中震(中)、大震(右)时模 型结构Y向层间相对位移反应 Fig.7 FloordriftofmodelinYdirectionatthestageofsmall earthquake、

17、midearthquakeandlargeearthquakewhentheTaftwaveis input (a)小震Taft波模型结构屋面 (b)中震Taft波模型结构屋面 (c)大震Taft波模型结构屋面 图8 模型结构同一楼层平面A、B两点在X向的相对位移 Fig.8 ModeldisplacementatthepointArelativetopointBinXdirectionatthesamefloor 4.6 模型结构破坏分析 整体结构在小震阶段基本上未出现裂缝,呈现弹性反应,在中震阶段,顶部塔楼因刚度小,由于鞭梢效应的作用,柱子呈现塑性铰(见图9左),进入大震阶段后,由于地震作

18、用的加剧,顶部小塔楼倒 塌(见图9右);由于YOZ出平面变形较大致使某些薄弱剪力墙肢在中震时出现开裂,大震时呈现破坏.虽然模型结构整个试验过程中呈现一定程度的损坏,但其整体抗震性能仍是可靠的 . 图9 顶部柱子出现开裂(左图)和倒塌(右图)Fig.9 Crack(left)anddamage(right)tothetopofcolumn 168 广州大学学报(自然科学版) 第2卷 3)模型结构顶部反应较大,具有较大的鞭梢效 5 对设计的建议 1)模型结构在长方向的/扇形0振动比较明显, 模型结构YOZ立面的出平面变形或翘曲变形比较 显著,致使某些薄弱剪力墙肢在试验中出现破坏, 建议对出现破坏的

19、薄弱墙肢进行适当加强. 2)模型结构由于侧向刚度沿高度分布不均匀, 致使转换层层间位移明显大于相邻层的层间相对 位移,建议对转换层适当加强.应,大震时顶部小塔楼出现倒塌,建议在顶部小塔楼适当增加部分剪力墙及加强柱脚与下一层结构的连接.4)高振型在模型动力反应,尤其在加速度反应中所起作用较大,对X向反应尤其如此.本项试验由原华南建设学院(西院)与广东省交通厅资助,广东省交通厅、广州市设计院、华南建设学院(西院)工程抗震研究中心人员共同参与完成,特此致谢. 参考文献: 1 GBJ11-89,建筑抗震设计规范S. GBJ11-89,CodeforseismicdesignofbuildingsS.

20、2 JGJ101-96,建筑抗震试验方法规程S. JGJ101-96,SpecificationoftestingmethodsforEarthquakeResistantS. 3 张敏政.地震模拟实验中相似律应用中的若干问题J.地震工程与工程振动,1997,17(2):52-58. ZHANGMin_zheng.StudyonsimilitudelawsforshakingtabletestsJ.EarthquakingEngineeringandEngineeringVibration,17(2):52-58. 4 HarryGHarris,GajananM.Sabnisstructura

21、lmodelingandexperimentaltechniquesM.NewYork:CRCPress,1999. 5 林 皋.研究拱坝震动的模型相似律J.水利学报,1958(1):80-104. LINGao.StudyonsimilitudelawsfordamvibratingJ.JournalofHydraulicEngineeringSocietyofChina,1958(1):80-104. Shakingtabletestofahigh_risebuildingmodel withanespecialheight_widthratio SHENChao_yong1,ZHOUFu_lin1,YANWei_ming2,LUOXue_hai1 (1.EarthquakeEngineeringResearchTestCenter,GuangzhouUniversity,Guangzhou510405,China; 2.BeijingPolytechnicUniversity,Beijing100022,China) Abstract:Onecomplicatedhigh_risebuildingwithaheight_widthratiomoretha