复杂体型超高层剪力墙-简体结构地震反应规律研究

复杂体型超高层剪力墙-简体结构地震反应规律研究

1结构模型与试验模型近年来，作为高层建筑和高层带来的常见结构形式，该结构在高层建筑和高层带来了大量的应用。为了满足建筑美学及住宅建筑使用功能的要求,这类建筑的平立面布置日趋复杂,有时还需要减小全部或部分剪力墙的宽度,使结构形成短肢剪力墙-筒体结构体系或剪力墙(短肢剪力墙)-筒体结构体系。文献已对短肢剪力墙-筒体高层住宅建筑的抗震性能进行了研究。本文以一栋设有2层地下室、地面以上53层的超高层住宅大厦为结构原型,设计制作了一个1/25比例的微粒混凝土整体结构模型(含地下室),采用模拟地震振动台试验方法,对复杂体型超高层剪力墙(短肢剪力墙)-筒体结构的抗震性能进行了系统研究。本文模拟地震振动台试验模型的原型结构位于上海市浦东陆家嘴地区,为现浇钢筋混凝土结构,总高度168.85m,是目前国内最高住宅建筑。如图1所示,结构平面呈狭长折线弧布置,两翼呈35°角弯折,四个核心筒A、B、C和D沿折线均匀分布,剪力墙沿垂直于折线弧和平行于折线弧的两个方向布置。该住宅大厦高度较高,高宽比较大,平面形状不规则,结构48层以上局部收进,并有局部大空间及错层。同时,为了满足景观需要,大厦外立面留有较大的窗洞,造成部分外立面剪力墙肢的宽度偏小,使结构形成剪力墙(短肢剪力墙)-筒体结构体系。本文首先对试验模型的设计、制作过程以及模拟地震振动台试验方案进行了简要介绍,然后结合模型试验结果,对复杂体型超高层剪力墙(短肢剪力墙)-筒体结构的动力特性、地震反应规律和开裂破坏形式等问题进行了深入讨论,其一般性结论对同类建筑结构设计具有参考价值。2试验模型设计模型设计原则上应严格按照相似理论进行,但对于高层及超高层钢筋混凝土结构模型试验,要做到模型与原型完全相似十分困难。本试验主要研究地震作用下结构的抗震性能,模型设计着重考虑满足抗侧力构件的相似关系,使墙、梁、板构件及其节点满足尺寸、材料及配筋相似,用设置配重的方法满足质量和活荷载的相似关系,试验模型与原型的主要相似系数见表1。本文试验模型主体采用微粒混凝土和镀锌铁丝制作。模型施工外模采用木模板整体滑升,内模采用泡沫塑料。微粒混凝土用较大的砂砾作为粗骨料代替普通混凝土中的碎石,以较小粒径的砂砾作为细骨料代替普通混凝土中的沙砾,另外,微粒混凝土的施工方法、振捣方式和养护条件也与普通混凝土相同。因此,微粒混凝土与普通混凝土材性极为相似,其力学性能和级配结构与原型混凝土具有较好的相似性。试验模型微粒混凝土强度和弹性模量的设计值和实测平均值见表2。完工后模型如图2所示,总高度为7334mm,其中模型高7034mm,底座厚300mm;模型总的质量为22.3t,其中模型和附加质量17.3t,底板质量5.0t。3模拟地震振动箱试验方案3.1模拟地震振动台试验模拟地震振动台试验的台面激励地震波的选择应根据地震危险性分析、场地类别和建筑结构动力特性等因素确定。本模型试验选用ElCentro波、Pasadena波、上海人工地震波SHW2作为模拟地震振动台试验输入地震波。另外,本次试验还选择了一条根据《上海市建筑抗震设计规程》(DBJ08—9—92)提供的地震反应谱生成的人工拟合地震波LYW作为试验备用波形(LYW波的阻尼比ζ=0.05,持时约50s,其中10～20s为主振时段)。台面输入地震波峰值和时间按照建筑抗震设计要求和模型相似关系确定,以模拟不同设防烈度水准地震作用。3.2加速度传感器和测点布置本模型试验的测试项目包括加速度、位移和应变。其中加速度传感器26个,分别布置在模型结构地下2层(振动台台面)、1层、2层、3层、10层、20层、30层、40层、48层和结构顶层。为了测定模型结构的扭转反应,在模型结构48层4个筒体位置均布置了加速度传感器。应变测点17个,分别布置在模型结构1层、2层、10层、20层、30层、40层和46层的短肢剪力墙上。位移传感器3个,分别布置在模型结构10层、30层、52层。3.3结构抗震性能分析根据设防要求,模型试验按照7度多遇烈度、7度基本烈度到7度罕遇烈度的顺序,从小到大依次对模型结构的抗震性能进行考核。考虑到在设计计算分析中,原型结构在35°方向地震反应较大,本次试验还在此方向上作单方向激励,以全面检验结构抗震性能。在不同设防烈度水准地震波输入前后,分别对模型进行白噪声扫频,测量模型的自振频率、振型和阻尼比等动力特性参数。4模型试验结果与分析4.1烈度试验阶段模型结构的地震反应表现在7度多遇烈度试验阶段,模型结构在人工地震波SHW2和LYW作用下的地震反应略大于地震记录ElCentro波、Pasadena波作用下的地震反应,本试验阶段结束后,模型表面未发现可见裂纹或裂缝。在7度基本烈度试验阶段,模型结构的动力反应增大,当SHW2和LYW作用时,模型结构产生强烈振动,并有明显的扭转反应,本试验阶段模型有多处出现可见裂缝,开裂部位主要位于模型结构4层、8层、10层和19层。在7度罕遇烈度试验阶段,模型结构的地震反应进一步加剧,模型多处出现开裂破坏现象,其中38层以上结构平面弯折处开裂破坏现象最为严重。由于模型结构在LYW波作用下的动力反应规律与SHW2波作用下的动力反应规律相似,出于安全方面的考虑,7度罕遇烈度试验阶段仅进行了ElCentro波、Pasadena波和SHW2地震波的试验。4.2结构的特性分析通过对试验前和不同设防烈度水准地震作用后的白噪声扫频试验结果的分析处理,可以得到模型结构的频率、阻尼比和振型形态及其随地震烈度提高的变化情况如表3所示。从表中可以看出:模型结构的振型较复杂,除整体结构平动、扭转外,还存在侧翼摆动;随地震烈度的提高和结构破坏的加剧,结构频率逐渐降低,结构阻尼比逐渐增大。由试验结果推算出的结构前4阶振型见图3。从图中可以看出:模型结构前4阶振型中,1阶和3阶振型（X向平动)在试验前及不同设防烈度水准地震作用后的振型变化较小,2阶振型(Y向平动)变化略大于X向平动振型变化,3阶振型(整体扭转)变化最大,随着地震烈度的提高,模型结构上部的扭转反应明显增大。4.3加速度扭转效应系数图4为7度多遇烈度地震和7度罕遇烈度地震作用下模型结构的绝对加速度反应包络图。从图中可以看出,结构在40层以上有明显的鞭梢效应。以模型结构48层作为研究对象考察结构的扭转反应,取两个中间筒体(B和C)相对于模型结构1层的平均加速度时程反应作为模型结构48层的平动加速度时程反应,取两个侧翼筒体(A和D)的相对加速度时程反应作为模型结构48层的扭转加速度(线加速度)时程反应。表4给出了7度多遇和7度罕遇各地震波作用下模型48层的平动和扭转加速度峰值。在所选择的两个地震记录ElCentro波和Pasadena波中,Pasadena波作用下模型48层的平动和转动加速度反应略大于ElCentro波。图5和图6分别给出了7度多遇和7度罕遇Pasadena波在35°方向和X/Y双向输入时模型48层的平动和扭转加速度时程反应。为了定量地比较模型的平动和扭转加速度反应的相对大小,特定义加速度扭转效应系数为模型结构等效单位宽度扭转加速度反应峰值与等效单位高度平动加速度反应峰值之比,即式中,Mra为模型的扭转加速度峰值,s为两侧翼筒体测点之间的距离,Ma为模型的平动加速度峰值,H为模型两中间筒体测点相对于模型第1层的高度。加速度扭转效应系数可以近似反映模型结构扭转反应和平动反应的相对大小。7度多遇和7度罕遇各地震波作用下模型48层的加速度扭转效应系数的最大值见表4。从表中可以看出,7度多遇和7度罕遇各地震波作用下模型48层的加速度扭转效应系数的平均值分别为1.618和2.716,表明结构48层的扭转加速度反应约为其平动加速度反应的1.618倍和2.716倍。4.4生物位移特性模型位移反应可以由位移传感器量测结果或加速度积分得到。同样以模型结构48层作为研究对象考察结构的位移扭转反应,取两个中间筒体相对于模型结构1层的平均位移时程反应作为模型结构48层的平动位移时程反应,取两个侧翼筒体的相对位移时程反应作为模型结构48层的扭转位移时程反应。表5给出了7度多遇和7度罕遇各地震波作用下模型48层的平动和扭转位移峰值。图7和图8分别给出了7度多遇和7度罕遇Pasadena波在35°方向和X/Y双向输入时模型结构48层的平动和扭转位移时程反应。这里同样定义位移扭转效应系数式中,Mrd为模型的扭转位移峰值,Md为模型的平动位移峰值。表5给出了7度多遇和7度罕遇各地震波作用下模型48层的位移扭转效应系数的最大值,从表中可以看出,7度多遇和7度罕遇各地震波作用下模型48层的位移扭转效应系数的平均值分别为1.231和3.254,表明结构48层的扭转位移反应约为平动位移反应的1.231倍和3.254倍。4.5地面模型材料的应变反应特点试验测得的模型各测点应变反应值是各次加载过程的应变增量值。模型应变测试结果表明:台面输入地震波的峰值较小时,模型结构的第1层墙肢的应变反应相对较大;随着台面输入地震波峰值的加大和模型结构扭转反应的加剧,模型结构的最大应变反应主要出现在模型结构上部楼层平面弯折处的墙肢,其中量测到的最大应变值达到1816×10-6。4.6结构开裂破坏在7度多遇烈度地震作用下,虽然模型结构表面无可见裂缝,由于模型结构X向和Y向的自振频率有一定程度下降(见表3),说明模型结构基本完好,但有观测不到的微裂缝出现。在7度基本烈度和罕遇烈度地震作用下,结构有多处发生开裂破坏。如图9a所示,模型结构的主要开裂破坏形式是由于结构体型复杂而引起的扭转振动所造成的结构38层以上平面弯折处开裂破坏。结构短肢剪力墙的开裂破坏主要有三种形式:短肢剪力墙中上部水平开裂(见图9b)、底部水平开裂(见图9c)以及短肢剪力墙局部压碎(见图9c、图9d)。5抗结构抗疲劳性能分析5.1自振周期根据相似关系,可以推算出原型结构前9阶振型的自振频率、周期及振动形态如表6所示。原型结构第1自振周期为3.030s,为X向平动;结构第2自振周期为2.481s,为Y向平动;结构第3自振周期为2.212s,为整体扭转。结构扭转振动周期与结构第1平动周期之比为0.73。5.2角和层间位移角结构总位移角和层间位移角反应是判定结构抗震性能的重要指标。根据模型试验结果推算出的结构总位移角和层间位移角最大值如表7所示。在多遇地震作用下,结构总位移角最大值X向为1/860,Y向为1/2220;层间位移角最大值X向为1/570,Y向为1/1010。在罕遇地震作用下,结构总位移角最大值X向为1/180,Y向为1/260;层间位移角最大值X向为1/70,Y向为1/130。6结构扭转振动的反应规律本文采用整体模型模拟地震振动台试验方法,对复杂体型超高层剪力墙(短肢剪力墙)-筒体结构的抗震性能进行了研究。试验结果表明:(1)复杂体型超高层剪力墙(短肢剪力墙)-筒体结构的振型较复杂,除整体结构平动、扭转外,还存在侧翼摆动,随地震烈度的提高和结构破坏的加剧,结构扭转振型的振动形态有较大的变化,结构上部的扭转反应明显增大。(2)由于结构体型复杂,在地震动的作用下结构扭转振动反应十分显著,本文模型结构7度多遇和7