广东重工建设监理有限公司 510670
摘要：某 49 层高层建筑结构形式为带转换层的部分框支剪力墙结构，采用主次梁转换，其多项指标超限使该结构属于特别复杂高层建筑结构。为检验其抗震性能，采用 1：20 的比例制作了缩尺模型，并进行了振动台试验，模型总重量达到 59.9 吨，加速度相似比降至 1.69。本文研究了模型结构的动力特性、地震反应特征、破坏形态和破坏机理。并且应用有限元程序软件对结构的抗震性能进行了深入的研究，试验与计算结果符合较好。
关键词：高层建筑；复杂结构；有限元分析；振动台试验；转换层结构
1引言
近年来在地震区兴建的钢筋混凝土高层建筑逐渐向功能多样、体型复杂、超高的综合方向发展。由于功能需要，大量建筑底部做停车场、商场，需要大跨度规则的结构布置，而上部布置为住宅，由于采光及景观的要求，其竖向构件除核心筒外，几乎与下部竖向构件完全对应不上。为了满足建筑功能的需要，唯有采用带转换层的部分框支剪力墙结构这一可能对抗震性能不利的结构形式[1～3]。
广州某商住楼为地下 5 层，地上 49 层，地面以上高度 159.1m。转换层结构布置见图 1。结构采用部分框支剪力墙结构体系。1～4 层是由钢管混凝土柱、剪力墙核心筒竖向构件为主的框架-剪力墙结构，4 层为转换层，采用型钢混凝土转换梁，5～49 层为剪力墙结构。设防烈度 7 度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。根据我国规范[4][5]，该建筑在竖向和平面布置等多处超限，属于复杂结构。
针对该复杂高层建筑结构，在中国建筑科学研究院新建的国内最大振动台上进行了 1：20 的模拟地震振动台试验。试验模型高度 8.16m，模型自重、配重及底座总重量为 59.9t，重力加速度相似比降至 1.69，为目前国内规模最大的高层建筑结构模拟地震振动台试验之一（见图 2），与以往钢筋混凝土高层建筑振动台试验相比，可以更好的预测结构竖向构件抗剪承载能力这一结构抗震重要指标。
本文根据振动台试验结果，研究了模型结构的动力特性、地震反应特征、破坏形态和破坏机理。并且通过有限元程序SAP2000 将试验结果与模型分析结果进行深入对比分析，为复杂高层结构的振动台试验及该类结构的设计提供了一定的参考价值。
图 1 转换层结构布置图图 2 试验中的模型
Fig.1 Transfer-storey planFig.2 Testing model
2振动台试验概况
2.1模型设计和制作
模型根据动力相似理论[6]进行设计，采用考虑人工质量的混合相似模型。长度相似比为 1：20，加速度相似比为 1.69，材料弹性模量比为 1：2.38。模型用水泥砂浆模拟混凝土，用镀锌铁丝模拟原型结构的配 筋，镀锌铁丝网作为墙、板的分布筋，Q235 钢板模拟原型型钢。模型施工模板采用泡沫。模型配筋按面积相似原则及等强度要求确定配筋量，模型结构根据实际配筋情况设计并加工。
2.2量测方案
本次试验在台面以及不同楼层布置了47个加速度传感器测量模型的加速度响应[7]。在核心筒剪力墙、钢管混凝土框支柱及型钢混凝土转换梁上共布置了64片应变片。
2.3选用地震波及试验过程
选用两组实际强震地震波 EL-CENTRO 波和LIVERMOR 波及一组《安评报告》提供的人工波[8] 作为振动台输入的台面激励。各试验阶段首先用峰值为 0.05g 的白噪声进行 X 向、Y 向频谱扫描，然后用选用的三条地震进行 X 向、Y 向及 EL-CENTRO 波双向输入。依次进行峰值加速度分别为 0.035g、0.1g、0.22g、0.30g、0.4g、0.5g 和 0.6g 的振动台试验，相应的输入峰值加速度分别为 0.059g、0.169g、0.372g、0.507g、0.676g、0.845g 和 1.014g。试验工况合计65 个，实际进行了 59 个试验工况。
2.4 试验现象分析
输入峰值加速度 0.059g 后，模型表面没有裂缝出现。通过白噪声扫描发现自振频率和震前相比变化 很小，可以认为结构完全处于弹性状态。
输入峰值加速度 0.169g 后，在转换层以上的个别楼层（5 层、6 层、10 层）剪力墙根部出现细微水平裂缝，南立面一根转换梁端部出现微小裂缝，通过 白噪声扫描发现模型自振频率与小震后相同。可见结 构整体刚度并没有明显降低，仍基本处于弹性状态。
输入峰值加速度 0.372g 后，10 层南立面一处剪力墙根部出现水平裂缝，5 层、6 层、8 层、9 层、13 层、14 层等南立面的部分连梁端部出现竖向裂缝。框支柱应变值均较小，说明其受力较小。由于核心筒 在结构内部，无法直接观察到其是否破坏。通过白噪 声 扫 描 发 现 结 构 自 振 频 率 下 降 幅 度 为5.2%~14.2%[10]，说明裂缝有所发展，但结构整体刚度下降不大。
输入峰值加速度 0.676g 后，模型位移反应较明显。2 层南立面和西立面的两片落地剪力墙出现贯通水平裂缝，通过白噪声扫描发现结构的自振频率继续下降 20%左右，说明结构已经有部分构件发生破坏。
输入峰值加速度 1.014g 后，剪力墙及连梁的裂缝发展比较充分。1 层、2 层、4 层均有部分落地剪力墙根部出现明显的水平裂缝，5 层外围剪力墙根部均有水平裂缝出现，且开裂明显。5 层～49 层的大部分连梁端部均有明显的竖向裂缝出现。44 层和 49 层东南角部的剪力墙出现水平裂缝和从洞口角部延伸 出来的斜裂缝。最后通过白噪声扫描发现，结构自振 频率继续下降，与震前相比，下降约 30%，说明结构裂缝发展已经比较充分。
3有限元建模及计算方法
采用三维空间有限元程序 SAP2000 进行模型结构有限元分析。计算模型几何尺寸及构件截面属性与 试验模型相同，其材料参数根据材料性能试验的实测 值确定。具体建模方法：1）结构梁、柱采用三维框架杆件单元[9]；2）结构中的剪力墙及楼板主要采用 4节点壳单元，部分楼板采用 3 节点壳单元；3）采用楼板平面内刚度无穷大的假定，同一楼面上各节点加
相应的隔板束缚；4）结构构件均为线性构件；5）计算时采用的地震波按试验相应的时程文件输入；6）模型的配重通过加恒载的方法均匀加在结构上。
4试验结果与计算结果对比分析
4.1结构动力特性分析
表 1 为模型周期对比，图 4 为结构 Y 方向、X 方向前三阶振型对比曲线。由表 1 可以看出，周期计算值与试验值误差为 0.32%～15.2%，X 向、Y 向的第一周期误差分别为 7.14%和 5.12%，X 向误差大于 Y 向。X 向计算周期均大于试验值，而 Y 向计算值和试验值相差很小。
由图 3 可以看出，理论计算（d）Y 向一阶（e）Y 向二阶（f）Y 向三阶图 3 模型振型对比
Fig.3 Comparison of vibration mode graphs of model
4.2动力时程对比
图 4 和图 5 分别为人工波作用下顶层加速度和相对位移的时程对比图，可以看出，在 7 度多遇烈度地震作用下，模拟计算的 X 向加速度时程与试验结果吻合较好；震作用下，模拟计算的 X 向加速度时程与试验结果吻合较好；Y 向理论分析值的峰值加速度小于试验值。位移时程计算曲线与试验曲线峰值接近，而曲线形状有所差别，主要表现在相位出现偏移，主要原因是地震作用沿建筑物高度传递存在行波效应，需要一定的时间，从而使上下不同楼层的地震反应产生相位差。
4.3加速度反应对比分析
经分析可知，理论分析值与试验值的误差多数在30%以内。Y 向误差小于 X 向，X 向 LIVERMOR 波误差最大。总体上计算值低于试验值，除 X 向LIVERMOR 波和 X 向人工波的个别楼层理论值与试验值误差较大外，其他地震波作用下各层加速度计算 值和试验值均较为接近，且变化规律相同，可认为理 论分析结果与试验结果基本符合。图 6 分别为输入加速度峰值为 0.059g 时 EL-CENTRO 波 X 向、Y 向试验值和计算值加速度包络图。
（a）X 方向
（b）Y 方向
图 5 人工波顶层位移时程对比
Fig.5 Comparison of displacement time history curve of the roof under the action of simulated earthquake wave
4.4相对位移反应分析
由分析结果可以看出，由各条地震波引起结构的反应是不同的，其中 Y 向 EL-CENTRO 波引起的位移反应最大。位移试验值与计算值的误差较大，主要是由试验位移积分时误差积累所造成的。计算值大于试验值，说明计算模型的刚度小于试验模型的刚度，与结构动力特性的分析结果是一致的。与 X 向相比，Y 向的计算值与试验值吻合较好。在各条地震波作用下，结构均以第一振型为主，呈现出弯剪型特点。结构中上部的计算值与试验值较接近，底部偏差较大。图7 为输入加速度峰值为 0.059g 时EL-CENTRO 波X 向、Y 向试验值和计算值相对位移包络图。
图 7 EL-CENTRO 波相对台面位移包络图
Fig.7 Relative displacement envelope diagrams to the table under the action of EL-CENTRO wave
4.5层间位移反应对比
图 8 为输入加速度峰值为 0.059g 时EL-CENTRO 波 X 向、Y 向计算值和试验值的层间位移角包络图。可以看出：（1）整体上，理论分析值小于试验值，主要原因是试验时传感器基本上是每隔六层布置一层，由于地震波沿结构高度的行波效应，上下测点楼层的位移时程可能偏差较大；试验所得的位移时程是由加速度时程两次积分而得，造成一定的误差积累；（2）计算值与试验值对比 Y 向偏差小于 X 向，Y 向EL-CENTRO 波吻合程度最好；（3）结构中上部计算值与试验值相差较小，底部偏差较大；层间位移在转换层附近有所突变，但不明显，最大层间位移发生在结构中上部。
4.6扭转反应对比分析
通过布置在 4 层、11 层、23 层、35 层、49 层平面两端的Y 向加速度传感器，可得到相应楼层的扭转角。经分析可以看出：1）结构各层扭转角均较小，
可见扭转效应不是很明显；2）试验值与计算值误差较大，其中 EL-CENTRO 波误差较小，LIVERMOR 波误差最大。结构中上部试验值与计算值的偏差较小，下部偏差较大，造成误差较大的原因主要是：（1）试验所得位移的积分误差；（2）计算时采用刚性楼板假定，实际结构中楼板可能有变形。表 2 为输入加速度峰值为 0.059g Y 向 EL-CENTRO 单向波时 Y 向各楼层扭转角。
5结论
通过对某带转换层复杂高层结构进行振动台试验及试验模型有限元分析对比，可得出以下结论：
自振周期计算值与试验值整体误差可以接受，X 向误差略大，Y 向吻合很好。
加速度最大值计算值低于试验值，除个别楼层理论值与试验值误差较大外，各层加速度的计算 值和试验值均较为接近，且变化规律相同。
位移计算值与试验值误差较大，Y 向计算值与试验值吻合较好。各条地震波作用下，结构均以 第一振型为主，呈现出弯剪型特点。结构中上部计算 值与试验值较接近，底部偏差较大。
层间位移理论分析值均小于试验值，试验值与计算值 Y 向偏差小于 X 向。结构中上部计算值与试验值相差较小，底部偏差较大。层间位移在转换 层附近有所突变，但不明显，最大层间位移发生在结 构中上部。
（5）扭转角试验值与计算值误差较大，EL-CENTRO 波误差较小，LIVERMOR 波误差最大，结构中上部试验值与计算值的偏差要小一些，下部偏差较大。
综合来说，模型结构振动台试验的结果是可靠的 和可信的，同时可以证明本文采用的分析方法能较好地描述模型的结构特点及变形特征，验证本文分析中所建立的计算模型采用有限元方法进行弹性分析是 可行的。本次试验可以为其他类似的振动台试验及工 程设计提供借鉴。
但是从对比中可以看出，位移、层间位移角、扭 转角在结构下部的误差还较大，除了文中所述原因 外，还有待进一步研究。
参考文献
[1]赵西安.现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社.2000.
[2]徐培福，王翠坤，郝锐坤，等.转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响[J].建筑结构，2000，30（1）：38-42.
[3]黄襄云，金建敏，周福霖，等.高位转换层框支剪力墙高层建筑结构抗震性能研究[J].地震工程与工程振动，2004，24（3）：73-81.
[4]GB50011-2001 建筑抗震设计规范[S].
[5]JGJ3-2002，J 86-2002 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[6]Sabins C M，Harrish G，White R N，et al.Structural Modeling and Experimental Techniques[M].Englewood Cliffs，N.J：Prentice-hall Inc，1983，48-62.
[7]中国建筑科学研究院建筑结构研究所.广州华标涛景湾三期工程模拟地震振动台模型试验报告[R]，2006.3
[8]JG101-96，建筑抗震试验方法规程[S].
[9]CSI 分析参考手册 Computers and Structures Inc.Berkeley California.USA 2004，9.
论文作者:赵书宁
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第11期
论文发表时间:2018/9/7
标签：结构论文; 加速度论文; 位移论文; 模型论文; 误差论文; 峰值论文; 裂缝论文; 《建筑学研究前沿》2018年第11期论文;