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1、 Industrial Construction Vol 1 39,Supplement,2009 工业建筑 2009 年第 39 卷增刊超限高层建筑整体结构模型振动台试验设计*李书进1 陈玉玺1 周 强1 朱荣芳1 谢 凡2 王小南3 付 斌3(1 1 武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉 430070;2 1 武汉世茂锦绣长江房地产开发有限公司,武汉 430050;3 1 中南建筑设计院,武汉 430071)摘 要:武汉世茂锦绣长江 A2 地块 1-3 号楼为 56 层的超高层住宅楼。其平面呈/T0型,建筑面积65 698 m2。该楼建筑高度达 179 1 6 m,超过现行5高层建筑混凝土
2、结构技术规程6的 B 级高度规定,属超限高层建筑工程。为研究它在地震作用下的抗震性能,对其进行了缩尺(1/30)模型的振动台试验研究。主要介绍该振动台试验模型材料的选取,动力相似关系的确定以及试验方案的设计等,为今后的有关试验工作提供一定的参考。关键词:振动台试验;超限高层建筑;相似理论;地震反应SHAKING TABLETESTDESIGN FOR HIGH-RISE STRUCTURE BEYONDTHE CODE-SPECIFICATIONLi Shujin1 Chen Yuxi1 Zhou Qiang1 Zhu Rongfang1 Xie Fan2 Wang Xiaonan3 Fu B
3、in3(1 1 School of Civil Engineering and Architecture,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;21Wuhan Shimao Group,Wuhan 430050,China;3 1 Centra-l South Architectural Design Institute,Wuhan 430071,China)Abstract:T he building 1-3 in A2 block developed by Wuhan Shimao Group is a high-rise re
4、sidence with 56stories 1 It has a T-type plane and a total area of 65698m21The building height is 179 1 6m,beyond therestriction specified by the T echnical Specification for Concrete Structures of T all Building1 To investigate itsseismic performance under earthquake,a shaking table test for its 1/
5、30 scale model was carried out in WuhanUniversity of Technology 1 The selection of materials,determining of similitude relationship and the design ofthe test procedures for this model are described,which can be used as a reference for the similar experimentalstudies.Keywords:shaking table test;tall
6、buildings with the restriction beyond;similitude theory;seismic response*武汉市建委科技项目。第一作者:李书进,男,1967年 7 月生,教授,博士。E-mail:lishujin 收稿日期:2009-05-110 引 言武汉世茂锦绣长江项目位于湖北省武汉市长江之畔的鹦鹉洲,为大型高档住宅社区。项目一期 A2地块 1 号楼由 3 座地面以上彼此独立的单元组成。其中的第 3 单元层数为 56 层,平面呈/T0型,平面最大长度为 32 185 m,最大宽度 19 15 m(图 1a)。大楼底层层高 5 15 m,2 20 层层
7、高 311 m,20 层以上层高为 3 12 m,建筑总高度 18816 m(连屋顶构架)。平面在41层标高 128135 m 处沿长度方向有一个收进(图 1b)。采用钢筋混凝土全部落地剪力墙结构,沿建筑物竖向管井、楼、电梯间为筒体,建筑物外墙及部分内隔墙的适当部位设置剪力墙,楼、屋盖采用现浇钢筋混凝土梁板结构。上部结构嵌固端设在地下室顶板处。依据建设部5超限高层建筑工程抗震设防管理规定6(建设部令第 111 号)和建设部5超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点6(建质 2006 220号)要求,该项目房屋高度超过现行 JGJ3-20025高层建筑混凝土结构技术规程6的 B 级高度规定,属超
8、限高层建筑工程,应按规定进行超限高层建筑工222a-平面;b-立面图 1 平面与立面程抗震设防专项审查 1。另外,由于该结构的平面及立面布置均不规则,结构存在明显偏心,结构受力复杂。为确保拟建工程结构设计的安全和可靠,受开发商武汉世茂锦绣长江房地产开发有限公司的委托,武汉理工大学土木工程与建筑学院对该楼进行了结构整体模型的地震模拟振动台试验,以研究该结构在地震作用下的动力特性和反应,评价其抗震性能,并为原结构设计采取合理的抗震设防措施提供依据。1 模型设计与制作1 11 模型类型与材料的选取结构的动力试验,其模型类型可分为弹性模型和强度模型两种。如果试验的研究范围只局限在结构的弹性阶段,则可采
9、用弹性模型,制作材料不必与原型结构材料完全相似,比如有机玻璃模型等;如果试验的目的是探讨原型结构在不同水准地震作用下的抗震性能、薄弱部位、破坏形式和破坏机理,则通常采用强度模型。它除应满足静力结构模型的相似条件外,还要满足与动力问题相关的物理参量的相似条件。本次试验属于这一情况,将考虑采用强度模型。对于高层钢筋混凝土结构,强度模型材料一般可由微粒混凝土、镀锌铁丝和铁丝网组成。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砂砾。由于微粒混凝土的施工方法、振捣方式和养护条件都与普通混凝土相同,其力学性能和级配与原型混凝土具有令人满意的相似性。此
10、外,与有机玻璃模型相比,微粒混凝土模型进行试验时可以做到模型开裂甚至破坏,具有试验现象比较直观的优点。本次试验模型主体采用微粒混凝土和镀锌铁丝制作,柱、梁、板、墙等构件尺寸及配筋由相似关系计算得出。墙中暗柱纵向钢筋与箍筋的连接采用锡焊。部分柱的纵向钢筋与箍筋及梁、板中配点焊铁丝网或镀锌铁丝。并在模型施工前做微粒混凝土级配试验,以确定具体的级配关系。1 1 2 相似关系设计相似关系的设计在模拟地震动的振动台试验中占有重要地位。模型设计最关键的是正确地确定模型与原型之间的相似关系。目前常用的相似关系确定方法有方程分析法和量纲分析法。这里采用量纲分析法来确定各相似关系。量纲分析法的原理是相似定理,从
11、理论上讲,即先要确定相似条件(0 数),然后由可控相似常数推导其余的相似常数。相似物理现象的 0 数相等,n 个物理参数,k 个基本量纲可确定(n-k)个 0 数 2。试验中要模拟惯性力、恢复力和重力三种力,因而对模型材料的弹性模量 E、密度 Q的要求很严格,其实质是要求:(E/Q al)m=(E/Q al)p(本文符号以角标/p0代表原型结构,角标/m0代表模型结构,/S0代表相似常数,以下同)3,即:SESQSaSl=1(1)式中:SE为弹性模量相似比;SQ为等效密度相似比;Sa为加速度相似比;Sl为几何相似比。在相似关系的诸多参数中需预先确定 3 个可控相似系数,这里选 Sl、SE和SQ
12、作为可控相似参数,由式(1)求出满足动力试验要求的第 4 个相似系数Sa,再由量纲分析法确定其他全部相似系数 4。SR=SE,Sf=SRSQS2l,ST=1Sf,SF=SRS2l(2)式中:SR为应力相似比;Sf为频率相似比;ST为周期相似比;SF为力的相似比。223确定相似关系时需要考虑施工条件、吊装能力和振动台的性能参数等因素。武汉世茂锦绣长江A2地块 1-3 号楼层数 56 层,建筑总高 188 16 m。试验在武汉理工大学土木工程与建筑学院结构工程试验室进行,为使缩尺后的模型高度满足试验室制作场地高度要求,本试验首先确定 Sl为 1/30。其次,根据选用模型材料的特性和实验室实测确定弹
13、性模量相似比 SE为 1/3105。经计算,按几何相似比施工后的模型重量为 1 1 36 t,模型结构的重力相似关系通过附加铁块来满足,本次试验附加质量为1 17 t,这样结构模型总重量为 3 1 06 t。原型结构重量为 40 400 t,则质量比 SM=1/132 0216,从而可得到模型等效密度相似比 SQ为 2 1 045。基于 Sl、SE和SR这3 个相似比,由公式(1)可以确定 Sa为4 181。代入式(2)可得到本次模型的主要相似关系如下。表 1 模型相似系数内 容物 理 量相似系数几何关系长度1/30线位移1/30面积1/900角位移1材料关系弹性模量1/3 1 05混凝土强度
14、1/6 1 92等效质量1/13 202 1 6等效密度2 1 045动力关系周期0 1 083频率12 1 012加速度4 1 81重力加速度1力1/2 745 在振动台试验模型设计中,按照经典相似理论,构件的截面应力、混凝土强度、钢筋的强度应具有相同的相似常数。然而,即使模型混凝土强度能够满足这样的相似关系,也很难找到截面和强度分别满足几何相似关系和材料相似关系的材料来模拟钢筋。这时,通常需把握构件层次上的相似原则,即对正截面承载能力的控制依据抗弯能力等效的原则。对斜截面承载能力的模拟,按照抗剪能力等效的原则。本次模型钢筋采用回火镀锌铁丝模拟,根据刚度条件分别选用了 22 号)16 号等多
15、种规格直径的镀锌铁丝。1 13 模型的施工由于模型缩比较大,模型尺寸较小,精度要求较高,因而对施工有特殊要求。本次试验模型制作采用泡沫塑料作为衬模,这种材料易成型、易于拆模,即使局部不能拆除,由于泡沫塑料与混凝土相比在密度、抗弯模量、抗剪模量等方面都显得很小,对模型结构的整体刚度和质量几乎没有影响。将内模切割成一定形状,形成构件所需的空间布置,绑扎好铁丝后进行浇筑,边浇边振捣密实,每一次浇筑一层,之后安置上面一层的模板及配筋,重复以上步骤,直到模型全部浇筑完成。模型施工的现场照片见图2a。模型浇筑在钢筋混凝土底座上,柱的钢筋与底座钢筋固定连接。底座平面尺寸为 1 18 m 2 10 m,厚 0
16、 1 15 m。底座上预留螺栓孔,用于螺栓与台面连接。底座与振动台的接触面要求尽量平整,使模型与振动台之间不产生附加的振动。底座四周设起吊用的锚钩,用于模型的移动。经过前期的计算、分析和设计,模型于 2007年 9月 27 日开始动工制作,11月 10 日完成最后的混凝土施工,进入养护阶段,共历时 45 天。完工后的模型总高度为 6 1437 m,其中模型高 61287 m,底座厚 0 115 m。完工后的模型见图 2b。a-模型制作现场;b-完工后的模型全景图2 施工现场和完工后全景在模型的制作过程中同时浇筑规定数量的立方体试块和棱柱体试块以测定微粒混凝土的强度和弹性模量。试块和模型同时养护
17、。弹性模量的测定是将贴有应变片的棱柱体试块(70 17 mm 70 17mm 240 mm)置于 10 t 标准压力试验机上重复加载和卸载,直到应力应变曲线的残余应变不再增加为止。测定时严格按照 GB 5015-925混凝土结构试验方法标准6的要求进行。微粒混凝土的配合比见表 2,所用水泥为 P1 O1 32 15 的普通硅酸盐水泥。224表 2 微粒混凝土配合比强度级别使用部位配合比M101 17 层1B 6 1 1B 0 1 8M818 37 层1B 5 1 6B 0 1 8M638 顶层1B 5 1 0B 0 1 82 试验方案设计2 11 地震波的选取原型结构场地属于 3 类场地第一组
18、,场地特征周期 Tg=0 145 s。结构按6 度设防。根据原型结构的动力特性和场地条件,选定三种地震波作为振动台模拟地震输入波:1)E-l Centro 波,1940 年发生,震级 711 级,最大加速度峰值 3 141 m/s2。2)Taft波,1952 年发生,震级 713级,最大加速度峰值 1153m/s2。3)人工地震波(USER1),为武汉地震工程研究院人工模拟的场地地面加速度时程曲线,由工程设计方提供,最大加速度峰值 0118 m/s2。试验时台面输入地震波的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。2 12 测点布置及量测本模型试验的测试
19、项目包括加速度、位移和应变,其测点布置分述如下:1)加速度传感器布置。加速度传感器测点共计 14 个,其中 2 个测量与振动台振动方向垂直(即 Y 向)的加速度,布置在 41层和 56 层顶;12 个测量与振动台振动方向平行(即X 向)的加速度,布置在台面、8 层、14 层、21 层、28层、35层、41 层、50 层、56 层顶和构架顶,其中,41层和 56 层顶分别布置两个加速度传感器以测定结构的扭转状况。加速度传感器的布置示意图见图3a。2)位移传感器布置。位移传感器共布置 5 个,测量结构沿振动向的变形,放置在底层、20 层、41 层、56 层顶和构架顶(图 3b)。另外,其他位置的位
20、移则采用加速度时程积分得到。3)应变测点布置。应变测点共 24 个,分别布置在模型结构的底层、14层、28 层、41 层、52 层和结构顶层。本次试验应变值采用粘贴电阻式应变片的方法获取,每层布置 4 片。本次试验加速度与位移量测由东方振动和噪声技术研究所开发的大型动态信号采集分析系统DASP2003 完成。动态应变由东华 3817 动静态测试仪采集获取。a-加速度传感器布置;b-位移传感器布置图 3 传感器布置示意表 3 试验工况及顺序试验工况试验序号输入波型六度小震1白噪声2E-l Centro 波3Taft 波4人工波六度中震5白噪声6E-l Centro 波7Taft 波8人工波六度大
21、震9白噪声10E-l Centro 波11Taft 波12人工波13白噪声七度大震14E-l Centro 波15Taft 波16白噪声表 4 最大峰值加速度6 度小震6 度中震6 度大震7 度大震01018 g0 1 05 g0 1 1 g0 122 g2 1 3 试验步骤本次模型结构振动试验分两阶段进行。第一阶段根据结构设防要求,模型试验按照 6 度多遇烈度、6 度基本烈度到 6 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,探讨结构在设防烈度下的动力特性与抗震性能。第二阶段视模型结构损伤状况,输入对应于 7 度罕遇地震作用的加速度幅值的地震波,以观察结构的损坏状况。此外,在
22、不同设防烈度水准地震波输入前后,分别对模型进行低峰值白噪声激励,测量模型结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特性参数。(下转第 251 页)225表 5 枚举法计算结果试验号各指标刚度(Kmax 150)强度/(215 N#mm-2)稳定性/(215 N#mm-2)总用钢量/kg试验号各指标刚度(Kmax 150)强度/(215 N#mm-2)稳定性/(215 N#mm-2)总用钢量/kg155 1 00198 1 14198 1 14440 1 181539 1 76223 1 00227 1 00279 1 01254 1 19268 1 00230 1 00329 1 741639 1 0
23、0138 1 00130 1 00427 1 10353 1 54315 1 00289 1 00270 1 0917*39 1 90189 1 84189 1 84316 1 89455 1 00198 1 00168 1 00435 1 951839 1 76223 1 00239 1 00261 1 61554 1 00269 1 72269 1 72325 1 591940 1 52139 1 00123 1 00474 1 56653 1 54315 1 00302 1 00267 1 352039 1 90189 1 84189 1 84363 1 53755 1 00198 1
24、00173 1 00412 1 902139 1 76223 1 00217 1 00292 1 35854 1 19269 1 00246 1 00302 1 932240 1 52139 1 00126 1 00466 1 76953 1 50314 1 72314 1 72252 1 412340 1 00190 1 00178 1 00355 1 861040 1 52139 1 00123 1 00460 1 592439 1 80223 1 12223 1 12287 1 301140 1 00190 1 00173 1 00349 1 802540 1 50138 1 58138
25、 1 58437 1 581239 1 80223 1 12223 1 12283 1 312640 1 00190 1 00185 1 00327 1 191340 1 50138 1 58138 1 58453 1 952739 1 76223 1 00239 1 00268 1 401440 1 00190 1 00173 1 00343 1 28 表中阴影部分的设计方案满足所有约束条件,可以看出其中用钢量最少的设计方案是方案 17,正是正交枚举法计算结果中的方案 5,总用钢量 316 189kg。因此,用此方法进行格构式构件方案优选可以得到最优解,说明了此方法的优越性和有效性。3 小结
26、与展望本文提出了对格构式构件离散变量优化的方法)正交枚举法,计算模型满足现行规范的所有设计要求,约束条件无需进行简化处理,设计变量的取值符合常规设计习惯,最终得到了用钢量最小的设计方案,说明了本方法具有一定的实用性。正交表还有混合正交表,即各变量的水平数可以不同,利用混合正交表可以解决更普遍的问题。对于格构式构件截面尺寸及角钢选用方面,相关规范上没有明确的规定,也没有可参考的数据,本文中采用的正交枚举法,有效减少了方案统计及分析工作的工作量,利用此方法的优越性,可以编制出相关计算程序,总结出可供设计人员参考和查阅的数据表格,具有重要的工程实际意义。在钢筋混凝土以及钢结构设计中,变量同样是离散变
27、量,也同样复杂,可以试将本法应用于结构设计中,使此方法在工程实际应用中得到推广,实际应用意义会更大。参考文献 1 孙焕纯,柴山,王跃方1 离散变量结构优化设计 M.大连:大连理工大学出版社,1995:6-10 1 2 赵选民1 实验设计方法 M.北京:科学出版社,2006:64 1 3 GB 50017-2003 钢结构设计规范 S.(上接第 225 页)试验的第一阶段于 2007 年 12 月 6 日完成,在进行了振后结构损伤状况的检查后,于次日(2007年 12 月 7 日)进行了第二阶段的振动试验。试验工况及最大峰值加速度见表 3、表 4。3 结 语振动台试验模型的设计与制作是结构抗震性
28、能试验研究的重要一环,处于试验的初期阶段,是整个试验成功与否的关键,直接决定着试验目的能否顺利实现。本文根据武汉世茂锦绣长江 A2 地块 1-3号楼超限高层的结构特点,对该楼振动台试验模型的设计与制作进行了分析与介绍,内容包括试验材料的选取、动力相似关系的确定以及试验方案的设计等,为今后类似超限高层建筑的试验设计提供一定的参考和借鉴。参考文献 1 JGJ 3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程 S.2 周颖,卢文胜,吕西林1 模拟地震振动台模型实用设计方法 J.结构工程师,2003(3):30-33.3 姚振纲,刘祖华1 建筑结构抗震试验 M .上海:同济大学出版社,1996.4 杨树标,李
29、荣华,刘建平,等1 振动台试验模型和原型相似关系的理论研究 J.河北工程大学学报(自然科学版),2007,24(1):8-11.5 邹昀,吕西林,卢文胜,等1 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):54-59.6 Li C S,Lam S S E,Zhang M Z,et al.Shaking T able Test of a1:20 Scale High-Rise Building with a T ransfer Plate System J.Journal of Structural Engineering,2006,132(11):1732-1744.7 GB 50011-2001 建筑抗震设计规范 S.8 JGJ 101-96 建筑抗震试验方法规程 S.251