1齐翔 1郭素菊 2贾媛媛
1绿地控股集团东北房地产事业部 长春 130061；2身份证号码：2201021992****3143
摘要：对大连绿地中心塔楼结构模型振动台试验全过程进行了总结，研究了结构在7.0度小震到8.0度大震下的地震响应，分析了结构自振特性、动力系数、位移以及损伤的发展规律。在试验研究基础上，对过程中技术管控经验进行了总结，以期对其他类似项目有借鉴意义。
关键词：超高层建筑；振动台试验；试验周期；模型制作；风险预判
1 前言
1.1 项目概况
大连绿地中心B04地块项目位于被称为“北方维多利亚港湾”的大连东港商务区的核心位置。北临夏季达沃斯会议中心和大剧院，南临地铁2号线和东港重要市政道路，东有城市绿化带，西近人民路商务区（城市CBD），用地面积约2.2万平方米，总建筑面30.47万平方米，其中地上建筑面积21.87万平方米。地块内含1栋集酒店、办公、公寓、商业多业态为一体超高层，共计87层，建筑高度518m；同时含1栋3层商业裙房。其中超高层酒店为世界知名的超五星级的丽思卡尔顿酒店。
图1 典型结构平面布置图（加强层）
项目塔楼结构采用钢板剪力墙（核心筒）+伸臂桁架+巨型框架的多重抗侧力体系，见图1。巨型框架由巨型型钢混凝土柱和环形桁架组成，6根巨型钢骨混凝土柱位于结构平面的六个角部；为增大巨
图2 建筑效果图 图3 数值模型 图4 物理模型
型框架刚度，同时减小环形桁架跨度，37层以下在两根角柱间布置两根型钢混凝土边柱；环形桁架设置于设备层，共6道，为提高整体结构抗侧刚度，增强核心筒和巨型框架的共同作用，设置了4道伸臂桁架；次框架梁柱刚接，提供部分刚度主要用于将楼面竖向荷载传递给巨型框架；钢筋混凝土核心筒位于平面中心，无偏置，核心筒剪力墙底层至28层采用钢板剪力墙；在内外筒主要墙体全高范围埋设实腹式型钢暗柱，内外筒主要墙体连梁中埋设实腹式型钢梁。建筑效果见图2，塔楼结构数值模型见图3，物理模型见图4，相关计算参数详见表1。
相关结构计算参数[1] 表1
1.2 试验的目的和意义
结构振动台模型试验是研究结构地震破坏机理和破坏模式、评价结构整体抗震能力的重要手段和方法，通过震动台试验可以测定模型结构的动力特性以及它们在不同水准地震作用下的变化和动力响应；分析结构不规则性所产生的地震效应；检验重要构件在三个水准地震作用下的抗震性能；结构抗侧力体系的受力特点和破坏形态及过程，从而达到寻找薄弱楼层及薄弱部位的目的；验证结构的抗震性能，是否达到设计设定的抗震性能目标；对结构设计提出可能的改进意见与措施，保证结构的抗震安全性。
对于超高层建筑振动台试验是分析其抗震能力的一种有效手段。比如上海著名的东方明珠塔，由于结构复杂，当时理论分析还不是完善的情况下，就是通过震动台试验找到薄弱环节，针对薄弱部位采取加强措施，因此振动台试验的意义重大，在我们的技术管控过程中一定要引起重视，尽早安排此项工作，达到预期的目的。
1.3试验设备简介
由于受振动台平面尺寸、承载能力和试验经费等方面的限制，大部分超高层建筑的振动台试验均做成小比例的试验模型。本项目振动台试验的实施单位为建研科技股份有限公司。实验室拥有美国MTS生产的大型双向六自由度模拟地震振动台试验系统，如下图5所示。台面尺寸6m×6m，标准负荷60t，最大负荷80t；最大倾覆力矩180t.m，是目前国内规模最大的模拟地震振动台，其技术指标及控制精度在国际上均居于领先地位。
图5 振动台模拟地震系统模型图
根据试验平台的尺寸，本项目制作成缩尺比例1/40，总高度16.5米的模型。但是核心问题是如何按照相似理论的要求，设计出与原模型结构具有相似工作情况的模型结构。
2 模型设计及施工
2.1 模型材料
本项目是钢-混凝土混合结构，试验选择弹性模量及强度均较适合的材料来制作模型，采用微粒混凝土模拟混凝土，细铁丝模拟钢筋，用黄铜模拟钢结构和型钢混凝土结构中的钢材。主要材料—微粒混凝土和黄铜的材料属性如表2所示。
原型及模型材料属性对比 表2
表2中混凝土强度为抗压强度标准值，钢材强度为屈服值，微粒混凝土和黄铜强度及弹性模量为试验值。与原型材料相比，模型材料强度和刚度基本满足相似比关系。
2.2试验相似关系
考虑振动台空间控制尺寸，试验模型长度相似比（缩尺比例）为1/40，根据模型材料性能，确定
材料弹性模量相似比SE为1/3；根据振动台承载能力，确定质量密度相似比为8.333。通过以上3个相似比，推导得到模型的其他相似关系如表3所示。
2.3模型设计及简化
由于地下室顶板可满足嵌固要求，试验模型仅包含地面以上结构部分，裙房与主体塔楼通过抗震缝分开，试验模型中不包含裙房部分。
根据原型结构体系的特点，在满足试验目的的前提下，对模型结构进行一定简化，以加快模型加工进度，减少加工误差，简化主要有以下措施：
（1）模型中的关键构件包括核心筒剪力墙、型钢混凝土柱巨型组合柱、型钢混凝土边柱、伸臂桁架、环带桁架、外框斜撑等均根据原型结构按照相似关系缩尺制作。
（2）结构体系中，配重主要布置在核心筒及外围巨柱之间楼面上；周边次框架主要传递重力，对结构抗侧力能力影响较小，模型试验中对其进行适当简化，以突出主要结构，加快模型试验进度。进行简化时，外围次框架柱及钢梁保留。
（3）在非加强层，每隔一层去掉一层楼面体系，详见图6模型抽层简化示意图。
图6 模型抽层简化示意图
经过数值模型对比分析，抽层后结构平动周期与抽层前基本一致；扭转周期变长，但变化幅度在10%以内。扭转周期变长主要因为配重主要加在核心筒外，增加了结构扭转反应，扭转周期略长，对结构在地震下反应影响很小。表4为抽层前后模型周期及模态对比。
抽层前后模型周期及模态对比表 表4
小震作用下，结构各层的层倾覆力及剪力矩比较如图7和8所示。抽层之后，楼层剪力及倾覆弯矩误差在5%以内，结构中上部误差稍大。
各层侧向刚度、最大层间位移角比较如图9和10所示。可见抽层前后二者层刚度基本相同，误差基本在5%以内，中部误差稍大。楼层层间位移角基本相同，底部由于位移值较小相对误差值稍大，最大相对误差在5%以内，因此抽层对结构位移和侧向刚度影响不大。
根据以上分析结果，采用简化措施以后，对结构整体的质量、地震作用、周期、振型、位移、刚度等影响基本很小，可以接受。
（4）将由组合楼板、H型钢梁及栓钉组成的楼板体系简化为钢板-微粒混凝土组合板，保证简化后楼面体系与原型结构的面内和面外刚度基本满足相似关系，并有效地将楼面配重传递到周边钢梁和巨柱上。
（5）关键节点构造按照原型结构的做法进行适当简化和加强，保证其刚接、铰接关系，避免模型试验中节点过早破坏引起结构失效，影响对结构整体抗震性能的研究。节点以焊接为主。
（6）塔冠结构布置不简化，将塔冠构件截面按照面积等效简化成圆管，便于更好保证加工质量。
2.4模型施工
本项目的试验模型加工分为三个施工段，第一施工段为核心筒，第二施工段施工外框架的型钢及钢筋，第三施工段为外框及每层楼板浇筑。模板采用木模板和聚苯材料相结合，微粒砼的浇筑及养护方法都与普通混凝土相同。
3 试验结果[3]
3.1 试验过程及主要现象
试验过程及主要现象汇总 表5
（8度大震，超设防烈度）整体平动为主，扭转效应略明显；整体震动剧烈，振幅很大；X、Y向频率进一步下降19.36%、20.88%；刚度降低34.97%、37.40%；构件破坏响声较大；主抗侧力构件出现损伤，但结构整体性未出现异常，未倒塌，表明具备一定抗震储备能力；
3.2 试验后损伤情况
试验过程中，由于模型配重遮挡问题，大部分核心筒损伤无法观察到，只有少数位置可以观察到。7度小震、7度中震作用后结构未观察到损伤。7度大震后，底部墙体出现个别裂缝，损伤形式为受拉水平裂缝。
试验全部结束后，卸除加载配重，对模型的损伤进行了仔细的观察和记录，见图11~14，模型总体损伤情况如下：
（1）结构环带桁架、伸臂桁架、下部外框柱间钢支撑、顶部塔冠钢架等抗侧力构件未观测到明显损伤。
（2）型钢混凝土外框柱：损伤形式主要以受拉水平裂缝为主，个别位置出现竖向裂缝，总体上损伤程度较轻。损伤部位主要分布在柱顶部（塔冠生根处），中上部及中下部部分区域出现少量损伤。
（3）核心筒及连梁：核心筒损伤较外框柱多，均为细小裂缝，未观察到较严重的压剪或拉剪损伤。损伤部位竖向分布主要在：结构底部、第一加强层以上（8-13层）、及结构中部28-53层。损伤形式，体受拉水平裂缝为主，以墙少数连梁端部受弯裂缝，个别墙体出现受剪斜裂缝。通过试验过程中观察，核心筒墙体损伤最早出现于7度大震，个别墙体出现轻微受拉损伤。
4 试验管控过程
根据大连绿地中心项目的初步设计抗震设防专项审查意见[2]，明确建议考虑振动台模型试验，并根据试验结果相应改进结构设计。振动台试验报告是施工图审查的必要文件。本项目的施工图审查意见及施工许可证的取得时间确定在2017年1月份，倒排时间振动台试验的模型制作时间应不晚于2016年6月份。开工令始于2016年6月5日，试验在2016年11月24日进行。由于工期较紧，全周期试验过程中保持与振动台实施单位的持续有效沟通，最终较原计划共缩短10天。图15为振动台试验全周期流程图。
图15 振动台试验全周期流程图
5 结论及建议
本次大连绿地中心塔楼模拟地震振动台试验为集团类似工程项目提供了很多有益的参考。从试验结果看，认为：
（1）原结构设计合理，总体可达到预设的抗震设计性能目标；
（2）弹性阶段模型动力特性与原型计算结果符合较好，能满足本次振动台试验设计相似比关系。
（3）小震作用下及大震作用下结构层间位移角均符合设计及性能指标要求；试验现象及动应变测试结果表明关键构件可满足设计性能指标要求。8度大震作用后，结构发生了一定损伤，但仍保持较好的整体性，关键构件基本完好，结构具有良好的变形能力和延性，同时具有一定的抗震储备能力；
（4）顶部塔冠生根处出现明显损伤，应采取加强措施。
从本项目振动台试验的整个管控过程看，类似项目建议根据总体工程进度计划，试验单位和方案的确定时间应在超限审查意见明确之后尽快展开，以便尽早在施工图设计阶段提供可靠的依据。
参考文献:
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2011.
[2] 华东建筑设计研究总院.东港区B04地块项目（大连绿地中心北区）抗震超限设计专家审查报告[R]. 上海，2014.03
[3] 建研科技股份有限公司.东港区B04地块项目（大连绿地中心北区）振动台试验初步报告[R]. 北京，2016.12
论文作者:1齐翔,1郭素菊,2贾媛媛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/5
标签：结构论文; 模型论文; 损伤论文; 振动台论文; 刚度论文; 混凝土论文; 桁架论文; 《防护工程》2018年第9期论文;