D0I:10.13374/i.i8sn1001-t53.2010.05.02 第32卷第5期 北京科技大学学报 Vol 32 No 5 2010年5月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing May 2010 不规则高层混合结构整体模型模地震振动台试验研究 蔡 斌2)牟在根)沈银澜)田春雨)肖从真2) 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 摘要以厦门福隆大厦为背景，对不规则高层结构的120整体模型进行模拟地震振动台试验研究，测试了模型结构的动力 特性、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等，研究了模型结构的破坏机理和破坏 模式.结果表明：模型结构前三阶振型频率依次为：1.74Hz(Y向平动)、2.28Hz(X向平动)和3.12Hz(整体扭转)其中X向 和Y向平动对应阻尼比分别为6.%和6.%.在7度多遇和罕遇地震作用下，X向结构最大层间位移角分别为156和1/ 147,Y向结构最大层间位移角分别为1570和183因此原型结构的布置基本合理，整体抗震性能较好.最后对原型结构的 抗震设计方案提出了一些改进建议· 关键词高层混合结构：整体模型；钢管混凝土；模拟地震振动台试验 分类号TU317+.2 Shak ing table testing study on the in tegrated m odel of a high-rise hybrid building structure w ith irregu larity CAI Bin,MU Zai gen,SHEN Yin-lan,TIAN Chun yu,X IAO Cong-hen) 1)School ofCivil and Envimmmental Engineering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083 China 2)China Academny of Builing Research Beijing 100013 Chna ABSTRACT A shaking table testing study on a 1/20 scale model of a hybrid high-rise builing w ith irregularity was carried out with the Fulong Builing in X iamen as the project background In the test the model's dynamn ic properties damp ratio as well as the reac- tion of acceleration and defomation in frequent earthquake basic seia ic intensity and mare earthquake of7 degree were exan ined and the cracking pattem and failure mechanism of the model were studied The result of this test denonstrates that the frequencies of the first three modes of the model are 1.74Hz (Y direction translation).2.28Hz (X direction translation)and 3.12Hz (over motation). and the danp ratio corresponded to X direction and Y direction is 6.3 and 6.5%respectively Under the finction of frequent earth- quake and mare earthquake the maxinum story drift angle of the prototype in X direction is 1/956 and 1/147 respectively and in Y di rection is 1/570 and 1/83 respectively Therefore a rational arrangement of stmuctral ekments with good overall anti-seis ic behavior was presented Finally some suggestions for the seism ic design of the structure are put forwand in this paper KEY W ORDS hybrid structre in tegrated mode!concrete filled steel tube shaking table test 钢管混凝土框筒高层混合结构，指的是钢筋 侧移刚度较大，其承受主要的水平荷载：钢管混凝土 混凝土核心筒连同钢管混凝土框架共同承受水平和 框架具有较高的强度，主要承受竖向荷载，因此二者 竖向荷载作用的一种高层建筑结构形式，这种结构混合结构被认为是符合我国国情的一种理想结构形 兼有混凝土核心筒结构刚度大、防火性能好和成本 式，近年来，混合结构体系高层建筑发展很快，应用 低以及钢管混凝土柱框架材料相容性好、施工速度 也逐渐增加，但国内外对其抗震性能的系统性研究 快、强度高和延性好的优点.钢筋混凝土核心筒抗 还不够充分，设计上也缺乏足够的理论支持.另 收稿日期：2009-06-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。50878022):北京市自然科学基金资助项目(N。8082017):北京市重点实验室基金资助项目(N。 EESR2008-01) 作者简介：蔡斌(198-)，男，硕士；牟在根(1960)男，教授，博士生导师，Email zg@ces ust山edcm
第 32卷 第 5期 2010年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．5 Ｍａｙ2010 不规则高层混合结构整体模型模拟地震振动台试验研究 蔡 斌 12） 牟在根 1） 沈银澜 1） 田春雨 2） 肖从真 2） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京 100083 2） 中国建筑科学研究院北京 100013 摘 要 以厦门福隆大厦为背景对不规则高层结构的 1／20整体模型进行模拟地震振动台试验研究测试了模型结构的动力 特性、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等研究了模型结构的破坏机理和破坏 模式．结果表明：模型结构前三阶振型频率依次为：1∙74Ｈｚ（Ｙ向平动 ）、2∙28Ｈｚ（Ｘ向平动 ）和 3∙12Ｈｚ（整体扭转 ）其中 Ｘ向 和 Ｙ向平动对应阻尼比分别为 6∙5％和 6∙3％．在 7度多遇和罕遇地震作用下Ｘ向结构最大层间位移角分别为 1／956和 1／ 147Ｙ向结构最大层间位移角分别为 1／570和 1／83．因此原型结构的布置基本合理整体抗震性能较好．最后对原型结构的 抗震设计方案提出了一些改进建议． 关键词 高层混合结构；整体模型；钢管混凝土；模拟地震振动台试验 分类号 ＴＵ317 ＋．2 Ｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅｔｅｓｔｉｎｇｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｏｄｅｌｏｆａｈｉｇｈ-ｒｉｓｅｈｙｂｒｉｄｂｕｉｌｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ ＣＡＩＢｉｎ 12）ＭＵＺａｉ-ｇｅｎ 1）ＳＨＥＮＹｉｎ-ｌａｎ 1）ＴＩＡＮＣｈｕｎ-ｙｕ 2）ＸＩＡＯＣｏｎｇ-ｚｈｅｎ 2） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＢｅｉｊｉｎｇ100013Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ａｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅｔｅｓｔｉｎｇｓｔｕｄｙｏｎａ1／20ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｏｆａｈｙｂｒｉｄｈｉｇｈ-ｒｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇｗｉｔｈｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｗｉｔｈ ｔｈｅＦｕｌｏｎｇＢｕｉｌｄｉｎｇｉｎＸｉａｍｅｎａｓｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ．Ｉｎｔｈｅｔｅｓｔｔｈｅｍｏｄｅｌʾｓｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｄａｍｐｒａｔｉｏａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｒｅａｃ- ｔｉｏｎｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｆｒｅｑｕｅｎｔｅａｒｔｈｑｕａｋｅｂａｓｉｃｓｅｉｓｍｉｃｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｒａｒｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｏｆ7ｄｅｇｒｅｅｗｅｒｅｅｘａｍｉｎｅｄａｎｄ ｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｇｐａｔｔｅｒｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｉｓｔｅｓｔｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅ ｆｉｒｓｔｔｈｒｅｅｍｏｄｅｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌａｒｅ1∙74Ｈｚ（Ｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ）2∙28Ｈｚ（Ｘｄｉｒｅｃｔｉｏｎｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ） ａｎｄ3∙12Ｈｚ（ｏｖｅｒｒｏｔａｔｉｏｎ） ａｎｄｔｈｅｄａｍｐｒａｔｉｏｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｄｔｏＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓ6∙3％ ａｎｄ6∙5％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｆｒｅｑｕｅｎｔｅａｒｔｈ- ｑｕａｋｅａｎｄｒａｒｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｏｒｙｄｒｉｆｔａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｉｎＸｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓ1／956ａｎｄ1／147ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｉｎＹｄｉ- ｒｅｃｔｉｏｎｉｓ1／570ａｎｄ1／83ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅａｒａｔｉｏｎａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｌｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｇｏｏｄｏｖｅｒａｌｌａｎｔｉ-ｓｅｉｓｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ ｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｈｙｂｒｉｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｏｄｅｌ；ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｉｌｌｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ；ｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅｔｅｓｔ 收稿日期：2009--06--23 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （Ｎｏ．50878022）；北京市自然科学基金资助项目 （Ｎｏ．8082017）；北京市重点实验室基金资助项目 （Ｎｏ． ＥＥＳＲ2008--01） 作者简介：蔡 斌 （1984— ）男硕士；牟在根 （1960— ）男教授博士生导师Ｅ-ｍａｉｌ：ｚｇｍｕ＠ｃｅｓ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ 钢管混凝土框--筒高层混合结构指的是钢筋 混凝土核心筒连同钢管混凝土框架共同承受水平和 竖向荷载作用的一种高层建筑结构形式．这种结构 兼有混凝土核心筒结构刚度大、防火性能好和成本 低以及钢管混凝土柱框架材料相容性好、施工速度 快、强度高和延性好的优点．钢筋混凝土核心筒抗 侧移刚度较大其承受主要的水平荷载；钢管混凝土 框架具有较高的强度主要承受竖向荷载因此二者 混合结构被认为是符合我国国情的一种理想结构形 式．近年来混合结构体系高层建筑发展很快应用 也逐渐增加但国内外对其抗震性能的系统性研究 还不够充分设计上也缺乏足够的理论支持 ［1--3］．另 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．05．022
第5期 蔡斌等：不规则高层混合结构整体模型模拟地震振动台试验研究 ,683. 一方面，由于使用功能、建筑艺术及城市规划等的需 要，平面和竖向不规则的高层建筑难以避免，而 且近年来高层建筑中抗震设防超限的情况也屡见不 鲜.历次地震调查表明，不规则结构其震害严重性 远远超过了规则结构，因此，在建筑抗震研究领域 内，对不规则高层混合结构抗震性能和地震反应的 深入研究非常必要[5-刃 本文对某工程高层混合结构进行整体模型模拟 地震振动台试验，并根据模型试验结果对原型结构 的动力特性和动力反应进行了分析，揭示地震作用 下该结构的受力性能和反应特点，并为原型结构的 抗震设计提出一些建议. 1工程背景 图1建筑效果图 Fg 1 Architectural effect bheprint 福隆大厦是一座滨海甲级写字楼，位于厦门鹭 江道一侧的海岸，地上23层，地下3层，图1为其建 筑效果图，地上主要为办公建筑，底层层高 17.20m,避难层及顶层层高11.70m,其余标准层层 高均为3.9m,主体结构总高度约135m,并于顶层 设置直升飞机停机坪.建筑抗震设防类别为丙类， 建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈 度为7度，设计基本地震加速度0.15s设计地震分 组为第1组，场地类别为Ⅱ类，建筑结构的阻尼比取 %.,主楼采用钢管混凝土框筒高层混合结构体 系，主要的抗侧力体系由钢筋混凝土核心筒、框架 组成、建筑高宽比为5.3长宽比为1.9 本工程结构形式复杂，核心筒偏置，结构层高变 化较大，结构刚度及承载力沿竖向分布不均匀，存在 图2振动台试验模型图 薄弱层，且楼板局部不连续、根据工程结构特点初 Fig 2 Shaking table testmodel 步判断，底部顶部及中部避难层楼层层高相对标准 性模量及强度均较适合的材料来制作模型.原型结 层高过大，个别楼层楼板掏空面积过大·为判断结 构采用的主要材料为内筒的钢筋、混凝土及外框架 构是否满足抗震要求，有必要进行振动台模型试 的钢管和钢梁.经过材料力学性能试验以及以往模 验⑧]图2为振动台试验模型图. 型制作经验的选择，采用砂浆模拟混凝土，镀锌铁丝 2模型设计 模拟钢筋，黄铜管与焊接黄铜梁模拟钢管柱和型钢 梁.主要材料砂浆和黄铜的材料属性如表1所示， 2.1模型尺寸与材料 2.2模型制作 选择模型与原型结构的比例，要综合考虑振动 振动台试验模型的加工与结构实际施工过程相 台承载能力、实验室吊车起吊能力以及模型加工的 似，也是采用逐层施工的方法，首先加工底板并预埋 可行性，最终模型比例定为120与结构分析采用 吊钩，然后加工上部模型.对于本试验模型，每层先 的方法类似，模型的嵌固端位置取地下室顶板，地 安装外框架铜管柱（柱是若干层一次安装的），接着 上结构模型高度约为6.75m(不含底座)模型底板 绑扎竖向构件钢筋，安装水平铜梁，再绑扎水平钢 尺寸为3.5m×2.5m,中国建筑科学研究院实验室 筋，布置模板（可采用木板或泡沫塑料），最后浇筑 振动台台面尺寸为6m×6m,可以满足试验模型比 墙、水平构件及楼板·每23层浇注一次铜管柱内 例要求 砂浆，并确保灌实，原结构中钢筋混凝土墙、板和梁 根据相似比的要求及加工的可行性，应选择弹 柱均采用配筋砂浆模拟，钢管混凝土柱采用铜管砂
第 5期 蔡 斌等： 不规则高层混合结构整体模型模拟地震振动台试验研究 一方面由于使用功能、建筑艺术及城市规划等的需 要平面和竖向不规则 ［4］的高层建筑难以避免而 且近年来高层建筑中抗震设防超限的情况也屡见不 鲜．历次地震调查表明不规则结构其震害严重性 远远超过了规则结构．因此在建筑抗震研究领域 内对不规则高层混合结构抗震性能和地震反应的 深入研究非常必要 ［5--7］． 本文对某工程高层混合结构进行整体模型模拟 地震振动台试验并根据模型试验结果对原型结构 的动力特性和动力反应进行了分析揭示地震作用 下该结构的受力性能和反应特点并为原型结构的 抗震设计提出一些建议． 1 工程背景 福隆大厦是一座滨海甲级写字楼位于厦门鹭 江道一侧的海岸地上 23层地下 3层图 1为其建 筑效 果 图．地 上 主 要 为 办 公 建 筑底 层 层 高 17∙20ｍ避难层及顶层层高 11∙70ｍ其余标准层层 高均为 3∙9ｍ主体结构总高度约 135ｍ并于顶层 设置直升飞机停机坪．建筑抗震设防类别为丙类 建筑结构安全等级为二级所在地区的抗震设防烈 度为 7度设计基本地震加速度 0∙15ｇ设计地震分 组为第 1组场地类别为Ⅱ类建筑结构的阻尼比取 5％．主楼采用钢管混凝土框--筒高层混合结构体 系．主要的抗侧力体系由钢筋混凝土核心筒、框架 组成．建筑高宽比为 5∙3长宽比为 1∙9． 本工程结构形式复杂核心筒偏置结构层高变 化较大结构刚度及承载力沿竖向分布不均匀存在 薄弱层且楼板局部不连续．根据工程结构特点初 步判断底部顶部及中部避难层楼层层高相对标准 层高过大个别楼层楼板掏空面积过大．为判断结 构是否满足抗震要求有必要进行振动台模型试 验 ［8--9 ］．图 2为振动台试验模型图． 2 模型设计 2∙1 模型尺寸与材料 选择模型与原型结构的比例要综合考虑振动 台承载能力、实验室吊车起吊能力以及模型加工的 可行性最终模型比例定为 1／20．与结构分析采用 的方法类似模型的嵌固端位置取地下室顶板．地 上结构模型高度约为6∙75ｍ（不含底座 ）．模型底板 尺寸为 3∙5ｍ×2∙5ｍ中国建筑科学研究院实验室 振动台台面尺寸为 6ｍ×6ｍ可以满足试验模型比 例要求． 根据相似比的要求及加工的可行性应选择弹 图 1 建筑效果图 Ｆｉｇ．1 Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｅｆｆｅｃｔｂｌｕｅｐｒｉｎｔ 图 2 振动台试验模型图 Ｆｉｇ．2 Ｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅｔｅｓｔｍｏｄｅｌ 性模量及强度均较适合的材料来制作模型．原型结 构采用的主要材料为内筒的钢筋、混凝土及外框架 的钢管和钢梁．经过材料力学性能试验以及以往模 型制作经验的选择采用砂浆模拟混凝土镀锌铁丝 模拟钢筋黄铜管与焊接黄铜梁模拟钢管柱和型钢 梁．主要材料砂浆和黄铜的材料属性如表 1所示． 2∙2 模型制作 振动台试验模型的加工与结构实际施工过程相 似也是采用逐层施工的方法首先加工底板并预埋 吊钩然后加工上部模型．对于本试验模型每层先 安装外框架铜管柱 （柱是若干层一次安装的 ）接着 绑扎竖向构件钢筋安装水平铜梁再绑扎水平钢 筋布置模板 （可采用木板或泡沫塑料 ）最后浇筑 墙、水平构件及楼板．每 2～3层浇注一次铜管柱内 砂浆并确保灌实．原结构中钢筋混凝土墙、板和梁 柱均采用配筋砂浆模拟钢管混凝土柱采用铜管砂 ·683·
,684 北京科技大学学报 第32卷 浆柱模拟，钢梁均采用焊接铜梁模拟，所有构件尺寸 土梁的节点按照原型结构采用环梁节点，表2为模 严格按照相似比例尺，其中，铜管混凝土柱与混凝 型各层标高· 表1主要材料性能 TableI Pmoperties ofman materials 材料 弹性模量GPa 受压强度MPa 重度kWm3) 泊松比 混凝土 3.25-3.60 26.8～38.5 25.0 0.20 砂浆 1.47-1.58 12.3~13.1 22.0 0.20 钢材Q345 210.00 345.0 78.5 0.30 黄铜 80.00 135.0 85.0 0.330.35 表2模型各层标高 Table 2 Elevations of each layer of the model 层号 标高加 层号 标高加 层号 标高加 24 6.710 16 4.175 8 2.225 23 6.125 15 3.980 7 2.030 22 5.540 14 3.785 1.835 21 5.150 13 3.590 5 1.640 20 4.955 12 3.395 4 1.445 19 4.760 3.200 1.250 18 4.480 10 3.005 0.860 17 4.370 9 2.810 1 0.000 2.3传感器布置 励输入前、后，输入双向白噪声进行扫频，结构模型 在结构模型底板布置双向加速度传感器，测试 的具体加载方案见表3 实际的地震输入，结构2层、3层、8层、9层、12层、 3.2试验现象 18层、21层、22层和顶层各布置四个水平单向加速 试验模型结构经历了相当于7度小震到8度半 度传感器，部分楼层布置单个加速度传感器，以测试 大震的地震波输入过程，峰值加速度从60.5am·$2 结构沿竖向的地震加速度反应分布，由加速度时程 开始，逐渐增大直到561am·§2.各级地震波输入 积分可得到速度和位移反应、层间位移等信息，并可 下结构的动力响应简述如下. 得到结构各层的扭转反应 (1)7度多遇地震波输入阶段，整体结构振动 根据程序计算初步分析结果，结构在地震作用 幅度小，模型结构其他反应亦不明显，没有明显响 下，底层轴力最大柱为D轴和5轴线上柱，弯矩较 声，输入结束后，模型结构构件未见裂缝及损坏，整 大一排框架为6轴框架，应变传感器主要布置在6 体完好，到达了小震不坏要求 轴框架和D轴和5轴线上柱，沿高度方向重点关注 (2)7度基本地震波输入阶段，模型结构振动 1层、6层、8层等层高突变的部位，测试结构梁柱在 幅度有所增大，但整体结构动力响应不剧烈，工况 地震作用下的反应，应变布置点示意如图3 Taf波及Kobe波作用下结构反应大于人工波，Y向 地震波作用下结构反应大于X向，Y向及双向输入 3试验过程及现象 下，结构上部可见明显扭转反应，在工况14即Taft 3.1试验加载 波Y向作用下，结构中部出现响声.输入结束后，模 本工程所在地区抗震设防烈度为7度，场地土 型部分框架梁跨中出现裂缝.北立面二层梁与筒体 为Ⅱ类.根据场地性质，选择以下两条天然地震 连接位置出现裂缝，首层筒体D轴线上两片墙顶出 波一Taf被和Kobe波进行试验；人工波由设计方 现水平向受拉裂缝，筒根未发现裂缝，9层筒体未发 提供，天然波均有三个方向的记录，人工波选择两 现裂缝.裂缝宽度较小，均在0.3mm以下，结构自 条不同的时程曲线分别用作XY向输入·两输入方 振特性扫描表明，模型结构自振频率略有下降，说明 向加速度幅值比为10.85.各水准地震作用台面激 整体结构发生了轻微损伤，但整体结构仍基本保持
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 浆柱模拟钢梁均采用焊接铜梁模拟所有构件尺寸 严格按照相似比例尺．其中铜管混凝土柱与混凝 土梁的节点按照原型结构采用环梁节点．表 2为模 型各层标高． 表 1 主要材料性能 Ｔａｂｌｅ1 Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍａｉｎｍａｔｅｒｉａｌｓ 材料 弹性模量／ＧＰａ 受压强度／ＭＰａ 重度／（ｋＮ·ｍ—3） 泊松比 混凝土 3∙25～3∙60 26∙8～38∙5 25∙0 0∙20 砂浆 1∙47～1∙58 12∙3～13∙1 22∙0 0∙20 钢材 Ｑ345 210∙00 345∙0 78∙5 0∙30 黄铜 80∙00 135∙0 85∙0 0∙33～0∙35 表 2 模型各层标高 Ｔａｂｌｅ2 Ｅｌｅｖａｔｉｏｎｓｏｆｅａｃｈｌａｙｅｒｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ 层号 标高／ｍ 24 6∙710 23 6∙125 22 5∙540 21 5∙150 20 4∙955 19 4∙760 18 4∙480 17 4∙370 层号 标高／ｍ 16 4∙175 15 3∙980 14 3∙785 13 3∙590 12 3∙395 11 3∙200 10 3∙005 9 2∙810 层号 标高／ｍ 8 2∙225 7 2∙030 6 1∙835 5 1∙640 4 1∙445 3 1∙250 2 0∙860 1 0∙000 2∙3 传感器布置 在结构模型底板布置双向加速度传感器测试 实际的地震输入结构 2层、3层、8层、9层、12层、 18层、21层、22层和顶层各布置四个水平单向加速 度传感器部分楼层布置单个加速度传感器以测试 结构沿竖向的地震加速度反应分布由加速度时程 积分可得到速度和位移反应、层间位移等信息并可 得到结构各层的扭转反应． 根据程序计算初步分析结果结构在地震作用 下底层轴力最大柱为 Ｄ轴和 5轴线上柱弯矩较 大一排框架为 6轴框架．应变传感器主要布置在 6 轴框架和 Ｄ轴和 5轴线上柱沿高度方向重点关注 1层、6层、8层等层高突变的部位测试结构梁柱在 地震作用下的反应．应变布置点示意如图 3． 3 试验过程及现象 3∙1 试验加载 本工程所在地区抗震设防烈度为 7度场地土 为Ⅱ类．根据场地性质选择以下两条天然地震 波———Ｔａｆｔ波和 Ｋｏｂｅ波进行试验；人工波由设计方 提供．天然波均有三个方向的记录人工波选择两 条不同的时程曲线分别用作 Ｘ、Ｙ向输入．两输入方 向加速度幅值比为 1∶0∙85．各水准地震作用台面激 励输入前、后输入双向白噪声进行扫频．结构模型 的具体加载方案见表 3． 3∙2 试验现象 试验模型结构经历了相当于 7度小震到 8度半 大震的地震波输入过程峰值加速度从 60∙5ｃｍ·ｓ —2 开始逐渐增大直到 561ｃｍ·ｓ —2．各级地震波输入 下结构的动力响应简述如下． （1）7度多遇地震波输入阶段整体结构振动 幅度小模型结构其他反应亦不明显没有明显响 声．输入结束后模型结构构件未见裂缝及损坏整 体完好到达了小震不坏要求． （2）7度基本地震波输入阶段模型结构振动 幅度有所增大但整体结构动力响应不剧烈．工况 Ｔａｆｔ波及 Ｋｏｂｅ波作用下结构反应大于人工波Ｙ向 地震波作用下结构反应大于 Ｘ向．Ｙ向及双向输入 下结构上部可见明显扭转反应．在工况 14即 Ｔａｆｔ 波 Ｙ向作用下结构中部出现响声．输入结束后模 型部分框架梁跨中出现裂缝．北立面二层梁与筒体 连接位置出现裂缝首层筒体 Ｄ轴线上两片墙顶出 现水平向受拉裂缝筒根未发现裂缝9层筒体未发 现裂缝．裂缝宽度较小均在 0∙3ｍｍ以下．结构自 振特性扫描表明模型结构自振频率略有下降说明 整体结构发生了轻微损伤但整体结构仍基本保持 ·684·
第5期 蔡斌等：不规则高层混合结构整体模型模拟地震振动台试验研究 ,685. ① ② ③ ④ 2340 450 450 540 450 450 YB-2 Y.3 225 225 175 275 270145 /275.175 YB-5 225 225 95 柱根 ① ① YB-4 YB-6 YB-9 YB-7下 YB-8下 YB-10 213 YB-11 YB-12 YB-13上 YB-19 YB-20 YB-14下 YB-15 YB-18 95 225 225 225 225 270 270 225 225 225 95 YB-16 450 450 540 450 450 2340 ③ ④ ⑤ 图3应变布置点示意 Fig 3 Main points of strain 表3模型试验加载方案表 Table 3 Test loading schees of the model 震型 序号 波形及输入方向 加速度蜂值 自振特性 1 第1次白噪声扫描 0.050g 地震波1，X向 0.0605g 3 地震波2X向 0.0605g 4 地震波3X向 0.0605g 7度小震 5 地震波1，Y向 0.0605g 地震波2Y向 0.0605g 地震波3Y向 0.0605g 地震波3双向 0.0605g(X向)，0.0514g(Y向) 自振特性 9 第2次白噪声扫描 0.050g b 地震波1，X向 0.170g 11 地震波2X向 0.170g 12 地震波3，X向 0.170g 7度中震 13 地震波1，Y向 0.170g 14 地震波2，Y向 0.170g 15 地震波3Y向 0.170g 16 地震波3双向 0.170g(X向)0.144g(Y向) 自振特性 17 第3次白噪声扫描 0.050g
第 5期 蔡 斌等： 不规则高层混合结构整体模型模拟地震振动台试验研究 图 3 应变布置点示意 Ｆｉｇ．3 Ｍａｉｎｐｏｉｎｔｓｏｆｓｔｒａｉｎ 表 3 模型试验加载方案表 Ｔａｂｌｅ3 Ｔｅｓｔｌｏａｄｉｎｇｓｃｈｅｍｅｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ 震型 序号 波形及输入方向 加速度峰值 自振特性 1 第 1次白噪声扫描 0∙050ｇ 2 地震波 1Ｘ向 0∙0605ｇ 3 地震波 2Ｘ向 0∙0605ｇ 4 地震波 3Ｘ向 0∙0605ｇ 7度小震 5 地震波 1Ｙ向 0∙0605ｇ 6 地震波 2Ｙ向 0∙0605ｇ 7 地震波 3Ｙ向 0∙0605ｇ 8 地震波 3双向 0∙0605ｇ（Ｘ向 ）0∙0514ｇ（Ｙ向 ） 自振特性 9 第 2次白噪声扫描 0∙050ｇ 10 地震波 1Ｘ向 0∙170ｇ 11 地震波 2Ｘ向 0∙170ｇ 12 地震波 3Ｘ向 0∙170ｇ 7度中震 13 地震波 1Ｙ向 0∙170ｇ 14 地震波 2Ｙ向 0∙170ｇ 15 地震波 3Ｙ向 0∙170ｇ 16 地震波 3双向 0∙170ｇ（Ｘ向 ）0∙144ｇ（Ｙ向 ） 自振特性 17 第 3次白噪声扫描 0∙050ｇ ·685·
,686. 北京科技大学学报 第32卷 续表 震型 序号 波形及输入方向 加速度峰值 18 地震波3X向 0.341g 7度大震 19 地震波3，Y向 0.341g 20 地震波3，双向 0.341g(X向)0.290g(Y向) 自振特性 21 第4次白噪声扫描 0.050g 22 地震波3X向 0.440g 8度大震 23 地震波3Y向 0.440g 24 地震波3双向 0.440g(X向)0.374g(Y向) 自振特性 25 第5次白噪声扫描 0.050g 8度半大震 26 地震波3双向 0.561g(X向)，0.477g(Y向) 自振特性 27 第6次白噪声扫描 0.050g 注：地震波12和3分别表示人工波、Ta波和Kbe波.为确保试验安全，大震作用下仅采用反应最大的Kbc波进行试验 在弹性范围内， 构件基本完好，进一步体现了结构良好的延性和耗 (3)7度罕遇地震波输入阶段，模型结构振动 能能力 幅度较中震增大，整体结构动力响应较大，振动过程 中模型发出响声，Y向地震波作用下结构反应大于 4试验结果分析 X向，Y向及双向输入下，结构上部可见明显扭转反 4.1模型结构动力特性 应，结构上部变形明显大于结构下部，输入结束后， 试验模型结构经历了从小震到大震的输入地震 模型中大部分框架梁跨中及梁端出现裂缝，首层筒 动作用，在整个过程中模型的自振特性发生了相应 体D轴上两片墙身中部出现几条水平向受拉裂缝， 变化，在每个等级地震工况完成后，随即进行白噪 B轴（参见图3应变布置点中的轴线布置）上墙体顶 声激励，从而得到各级地震作用后模型的动力特性， 部出现受压裂缝，2、3轴间和45轴间墙体上连梁 测试结果表明，结构在经历了7度小震后，YX 端部出现斜裂缝，8层筒体上未出现明显裂缝， 方向结构自振频率均基本不变，阻尼比基本不变，说 (4)8度罕遇地震波输入阶段，模型结构振动 明结构完全处于弹性状态，基本没有损伤，7度中 幅度很大，整体结构动力响应剧烈并伴随有响声发 震后，结构YX方向一阶自振频率分别下降1%和 出.Y向地震波作用下结构反应大于X向，Y向及双 12%,说明结构有一定损伤，Y向损伤大于X向：结 向输入下，结构上部可见明显扭转反应，输入结束 合裂缝分布判断，损伤主要发生在框架梁跨中、梁与 后，框架梁上裂缝继续增加，宽度增大，首层筒体上 筒体连接处以及首层筒体D轴两片墙上，7度大震 原有裂缝进一步开展，同时增加一部分新裂缝，9 后，结构YX方向自振频率分别下降31%和2%， 层筒体D轴上两片墙身中部出现水平向受拉裂缝， 说明结构损伤程度加剧，Y方向结构阻尼比已增大 23轴间和45轴间墙体上连梁端部出现斜裂缝， 到9.1%，结构中形成能量耗散机制.在后续的8度 铜管柱均未发生屈曲现象，模型结构自振频率进一 及8度半大震作用下，结构YX方向自振频率分别 步下降，说明整体结构损伤更加严重，但是，整体结 下降29%、33%和36%、37%，说明结构损伤已经比 构仍保持直立，关键构件基本完好，说明结构具有良 较严重，但整体结构仍比较完好，保持直立，说明结 好的延性和耗能能力， 构具有良好的延性以及耗能能力， (5)8度半罕遇地震波输入，由于结构已经损 表4所示为各级地震作用后采用白噪声激励所 伤严重，刚度下降较多，整体结构动力响应与8度大 测得的模型结构XY方向的动力特性 震下类似，结构上部可见明显扭转反应.输入结束 4.2模型结构加速度反应分析 后，结构中原有裂缝进一步开展，同时增加一部分新 图4标出了结构中主要加速度及位移控制点， 裂缝，铜管柱均未发生屈曲现象.模型结构自振频 下面分方向给出各阶段主要控制点的加速度放大 率较上一工况下降不多，整体结构仍保持直立，关键 系数
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 续表 震型 序号 波形及输入方向 加速度峰值 18 地震波 3Ｘ向 0∙341ｇ 7度大震 19 地震波 3Ｙ向 0∙341ｇ 20 地震波 3双向 0∙341ｇ（Ｘ向 ）0∙290ｇ（Ｙ向 ） 自振特性 21 第 4次白噪声扫描 0∙050ｇ 22 地震波 3Ｘ向 0∙440ｇ 8度大震 23 地震波 3Ｙ向 0∙440ｇ 24 地震波 3双向 0∙440ｇ（Ｘ向 ）0∙374ｇ（Ｙ向 ） 自振特性 25 第 5次白噪声扫描 0∙050ｇ 8度半大震 26 地震波 3双向 0∙561ｇ（Ｘ向 ）0∙477ｇ（Ｙ向 ） 自振特性 27 第 6次白噪声扫描 0∙050ｇ 注：地震波 1、2和 3分别表示人工波、Ｔａｆｔ波和 Ｋｏｂｅ波．为确保试验安全大震作用下仅采用反应最大的 Ｋｏｂｅ波进行试验． 在弹性范围内． （3）7度罕遇地震波输入阶段模型结构振动 幅度较中震增大整体结构动力响应较大振动过程 中模型发出响声．Ｙ向地震波作用下结构反应大于 Ｘ向．Ｙ向及双向输入下结构上部可见明显扭转反 应结构上部变形明显大于结构下部．输入结束后 模型中大部分框架梁跨中及梁端出现裂缝．首层筒 体 Ｄ轴上两片墙身中部出现几条水平向受拉裂缝 Ｂ轴 （参见图3应变布置点中的轴线布置 ）上墙体顶 部出现受压裂缝2、3轴间和 4、5轴间墙体上连梁 端部出现斜裂缝．8层筒体上未出现明显裂缝． （4）8度罕遇地震波输入阶段模型结构振动 幅度很大整体结构动力响应剧烈并伴随有响声发 出．Ｙ向地震波作用下结构反应大于 Ｘ向Ｙ向及双 向输入下结构上部可见明显扭转反应．输入结束 后框架梁上裂缝继续增加宽度增大．首层筒体上 原有裂缝进一步开展同时增加一部分新裂缝．9 层筒体 Ｄ轴上两片墙身中部出现水平向受拉裂缝 2、3轴间和 4、5轴间墙体上连梁端部出现斜裂缝． 铜管柱均未发生屈曲现象．模型结构自振频率进一 步下降说明整体结构损伤更加严重．但是整体结 构仍保持直立关键构件基本完好说明结构具有良 好的延性和耗能能力． （5）8度半罕遇地震波输入由于结构已经损 伤严重刚度下降较多整体结构动力响应与 8度大 震下类似结构上部可见明显扭转反应．输入结束 后结构中原有裂缝进一步开展同时增加一部分新 裂缝．铜管柱均未发生屈曲现象．模型结构自振频 率较上一工况下降不多整体结构仍保持直立关键 构件基本完好进一步体现了结构良好的延性和耗 能能力． 4 试验结果分析 4∙1 模型结构动力特性 试验模型结构经历了从小震到大震的输入地震 动作用在整个过程中模型的自振特性发生了相应 变化．在每个等级地震工况完成后随即进行白噪 声激励从而得到各级地震作用后模型的动力特性． 测试结果表明结构在经历了 7度小震后Ｙ、Ｘ 方向结构自振频率均基本不变阻尼比基本不变说 明结构完全处于弹性状态基本没有损伤．7度中 震后结构 Ｙ、Ｘ方向一阶自振频率分别下降 17％和 12％说明结构有一定损伤Ｙ向损伤大于 Ｘ向；结 合裂缝分布判断损伤主要发生在框架梁跨中、梁与 筒体连接处以及首层筒体 Ｄ轴两片墙上．7度大震 后结构 Ｙ、Ｘ方向自振频率分别下降 31％和 25％ 说明结构损伤程度加剧Ｙ方向结构阻尼比已增大 到 9∙1％结构中形成能量耗散机制．在后续的 8度 及 8度半大震作用下结构 Ｙ、Ｘ方向自振频率分别 下降 29％、33％和 36％、37％说明结构损伤已经比 较严重但整体结构仍比较完好保持直立说明结 构具有良好的延性以及耗能能力． 表 4所示为各级地震作用后采用白噪声激励所 测得的模型结构 Ｘ、Ｙ方向的动力特性． 4∙2 模型结构加速度反应分析 图 4标出了结构中主要加速度及位移控制点． 下面分方向给出各阶段主要控制点的加速度放大 系数． ·686·