钢筋混凝土巨型框架结构及附单向TMD装置的减震结构振动台试验研究.docx

钢筋混凝土巨型框架结构及附单向 tmd 装置的 减震结构振动台试验研究叶献国1 ，蒋庆1，2 ，卢文胜3 ，赵斌3 ，吴明1( 1 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽合肥 230009; 2 清华大学 土木工程系，北京 100084; 3 同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)摘要: 为了研究钢筋混凝土巨型框架结构体系的抗震性能及其地震作用损伤机理，设计制作 1 /25 的缩尺模型，并设计加工 了一套调谐质量阻尼器( tmd) 装置安装在模型结构顶部，进行振动台试验，得到结构的动力特性和位移响应，并对比分析了 tmd 的减震效果。结果表明: 当在峰值加速度为 0. 140g 的地震波作用后( 相当于原型 7 度多遇地震) ，模型结构处在弹 性工作状态，在峰值加速度为 0. 400g 的地震波作用后( 相当于原型 7 度基本烈度) ，模型结构出现轻微破坏，在峰值加速度 为 0. 880g 的地震波作用后( 相当于原型 7 度罕遇地震) ，模型结构出现中等破坏，该原型结构可以满足抗震设计的要求;tmd 装置具有较好的减震效果。关键词: 巨型框架结构; 调谐质量阻尼器; 振动台试验; 抗震性能中图分类号: tu375. 4 tu317. 1 文献标志码: ashaking table model test analysis of a reinforced concrete mega-frame structure without and with tmdye xianguo1 ，jiang qing1，2 ，lu wensheng3 ，zhao bin3 ，wu ming1( 1 school of civil engineering，hefei university of technology，hefei 230009，china; 2 department of civil engineering，tsinghua university，beijing 100084，china;3 state key laboratory of disaster eduction in civil engineering，tongji university，shanghai 200092，china)abstract: in order to investigate the seismic performance and damage characteristics of reinforced concrete mega-frame structure，a shaking table test model with a geometric ratio of 1 25 scale was designed and fabricated a rooftop tuned mass damper ( tmd) was designed and the mega-frame structure with and without the tmd was tested on the shaking table the deformation and acceleration responses were measured the dynamic behavior and the damping effect with and without tmd were compared the shaking table test results indicate that the test model suffers little damage under the design level earthquake action ( peak ground acceleration of 0. 400g ) it can also meet the collapse prevention requirements for severe earthquake ( peak ground acceleration of 0. 880g ) therefore，the prototype structure is able to satisfy the seismic performance demand of 7-degree seismic design intensity the tmd provides a significant vibration reduction effectkeywords: mega-frame structure; tuned mass damper; shaking table test; seismic performance基金项目: 国家自然科学基金项目( 90715016，51378167) ，土木工程防灾国家重点实验室开放课题基金项目( sldce08-hz-01) 。作者简介: 叶献国( 1954 ) ，男，安徽无为人，工学博士，教授。e-mail: yexg428 yahoo. com. cn 通信作者: 蒋庆( 1984 ) ，男，安徽蚌埠人，工学博士，助理研究员。e-mail: ahhfjq 163. com 收稿日期: 2013 年 4 月0引言超高层结构不同于一般高层结构，由于层数多、 高度大，其风荷载和水平地震作用反应显著，所以经 济有效的超高层结构体系其抗侧力构件应尽可能布 置在远离结构中心处1。钢筋混凝土巨型框架结构 体系较为符合该理念2，该结构体 系由作为主结构 的巨型框架和作为次结构的楼层框架组成，主 结构 ( 主框架) 是由巨型柱和巨型梁组成，巨型柱一般布 置在结构的四角，大多为由 4 片剪力墙组成的角筒， 巨型梁可以由桁架转换层构成，桁 架与 4 个角筒形 成巨型框架，承受整体结构竖向和水平荷载作用; 次 结构( 次框架) 一般为常规框架，承受着楼层内竖向 及对应的水平荷载作用，并传递给主结构。主、次结 构可以采用不同的结构形式和材料，从而节省资源; 次结构中的梁柱也可以抽空，以满 足许多具有特殊 形态和使用功能的建筑平立面要求; 结构传力途径明 确、整体性能好、施工速度快。虽然该结构体系有较多 优点，但目前针对其理论和试验研究较少，文献2-6 对巨型框架结构开展了理论和试验研究，结 果表明 巨型框架结构及其减震结构具有较好的抗震性能。为了深入研究钢筋混凝土巨型框架结构的抗震 性能及破坏机理，并研究设置调谐质量阻尼器( tuned mass damper，简称 tmd) 装置的减震效果，本文对一 个高 201 m 钢筋混凝土巨型框架结构及附 tmd 装置 的减震结构进行了 1 /25 缩尺模型的振动台试验，研 究其抗震性能和 tmd 装置对钢筋混凝土巨型框架结 构的减震效果。1试验概况1. 1模型设计与制作钢筋混凝土巨型框架结构振动台试验原型结构 采用 pkpm-satwe 软件按复杂高层结构进行设计， 结构竖向不规则，结构重要性系数为 1. 1，7 度抗震抗 震设防，类 场地，第 二设计分组，框架及剪力墙抗 震等级分别为二级和一级，巨型层各构件均为一级。 基本风压 0. 35 kn / m2 ，按 照 jgj 32002高 层建筑 混凝土结构技术规程7 的相关规定进行设计。结 构平面尺寸为39 m 36 m，次框 架平面柱网尺寸为 3. 9 m 3. 6 m，两个方向均为 10 10 跨，普通框架层高 3. 6 m，巨型层层高 4. 2 m，共 55 层，其中第 11、22、33、44、55 层为巨型层，结构总高度 201 m，高宽比为5. 58，设计时普通层板厚取 100 mm，巨型层楼板厚取200 mm。设在结构平面四角的 7. 8 m 7. 2 m 的筒体 为巨型柱，巨型层的空间交叉桁架为巨型梁，并抽空次框架顶层柱( 架空层) ，结构布置图如图 1 所示8。 试验模型几何尺寸相似比 sl 为 1 /25，缩尺模型总高8. 04 m，梁、柱的尺寸由实际巨型框架结构的尺寸按 相似关系折算。楼板厚度考虑几何尺寸相似，巨 型 层楼板厚度为 8 mm，普通层楼板厚度为 4 mm。考虑 模型加工等因素将巨型层楼板实际厚度取 10 mm，普 通层楼板厚度取 8 mm，楼板超厚多出的重量作为配 重考虑。板中配筋采用焊接铁丝网加配铁丝，梁、柱 和支撑中纵向钢筋采用镀锌铁丝，箍 筋采用焊接铁 丝网加配镀锌铁丝，采 用紫铜管模拟原型结构的型 钢，各构件的几何尺 寸和配筋均由相似关系计算得 出。原型和模型概况见表 1，缩尺模型施工完成后如 图 2 所示，模型结构构件总质量为 4. 5 t，底座质量为 3. 6 t，附加配重 ( 铁块) 质量为 9. 0 t，模型总质量 为17. 1 t。图 1 巨型框架结构布置fig 1 mega-frame structure layout drawing表 1 原型和模型结构概况table 1 survey of prototype and model structure 项目 原型结构 模型结构 层数55 55h / b5. 58 5. 58普通层层高3. 6 m0. 144 m巨型层层高4. 2 m0. 168 m总高201 m8. 04 m平面尺寸39 m 36 m1. 588 m 1. 468 m主梁截面300 mm 650 mm12 mm 26 mm次梁截面200 mm 450 mm8 mm 18 mm钢骨混凝土梁型钢 h 150 300 40 40 h 10 9 1. 8 0. 9钢骨混凝土柱型钢 200 200 40 40 10 1普通层楼板厚度100 mm8 mm巨型层楼板厚度200 mm10 mm 混凝土材料 混凝土 微粒混凝土 本试验不考虑地基基础与上部结构的耦合作 用，取巨型框架结构模型与振动台台面固接，要求模 型结构底座具有足够大的刚度，采 用截面刚度较大 的交叉梁格，在交叉梁格上预留螺栓孔道，采用高强 螺杆与振动台台面相连。图 2 巨型框架振动台试验模型fig 2 photo of shaking table model模型结构设计时，应力相似比初步确定为 s = se = 0. 2，加速度相似比 sa = 4，由材料材性试验结果 最终确定本次试验 s = 0. 35。然后根据量纲分析 法9-11计算出其他参数的相似比，如表 2 所示。表 2 模型结构相似比table 2 similitude between prototype and model structure物理量关系式相似比应变 s 1( a)立面图应力 s 0. 35加铁块来进行调整，如图 3 所示，小车质量 100 kg，附 加铁块的质量为 100 kg。采用人工激振的方式13对不同质量和弹簧数量 时 tmd 的自振周期进行了测试。第 1 种情况，tmd 质量为 100 kg，弹簧采用 2 根，给 tmd 一个初始振动 使其作自由衰减振动，其振动信号如图 4a 所示。计 算得到结构的自振周期为 0. 341 s，阻尼比为 9. 25% ; 第 2 种情况，tmd 质量为 200 kg，弹簧采用 4 根，其自 由衰减振动信号如图 4b 所示，计算得到结构的自振 周期仍为 0. 341 s，阻尼比为 5. 72% 。在试验正式开 始前，输入白噪声激励测试结构的动力特性，测得模 型结构沿 x 方向自振周期为 0. 510 s。由此可以看出 初步设计的 tmd 的频率参数并不能满足最优频率比 的要求。为了改变 tmd 的自振周期，使其满足频率 比的要求，调 整 tmd 质量为 214 kg，弹 簧根数为 2 根，自振周期为 0. 510 s。材料弹性模量 ese 0. 35特性体积质量 s = s / ( sa sl ) 2. 1872 质量 m s m = s s l / s a 0 000 14 长度 lsl 0. 04l几何面积 asa = s20. 001 6特性线位移 xsx = sl 0. 04角位移 s 1 l集中力 fsf = s s2 0. 000 56荷载线荷载 qsq = s sl 0. 014 面荷载 p s p = s 0. 35 刚度 ksk = se sl 0. 014周期 tst = s0. 5 s0. 5( b) 平面图la 0. 1频率 fsf = s0. 5 s0. 5动力l1. 5a 100. 5特性阻尼 csc = s sl sa0 001 4速度 vsv = ( sl sa ) 0. 5 0. 4加速度 asa 4 重力加速度 g sg 1 1. 2调谐质量阻尼器( tmd) 设计考虑到双向 tmd 设计和制作难度以及本文研究 目的只是为了验证 tmd 的减震效果，因此试验模型的 tmd 仅为 x 方向单向设置 tmd，参考相关研究成( c) 现场安装图 3 tmd 概况fig 3 survey of tmd1. 3试验加载方案d果12初 步 选 择 tmd 参 数，质 量 比 m/ m1取 值 在本试验共采用 3 条实际地震动记录和 1 条人工0. 5% 2. 0% 之间，其中 md 为 tmd 质量，m1 为第一振型质量 ( x 方向) ; 圆频率比 d / 1 在 1 左右较为 合适，其中 d 为 tmd 自振频率，1 为结构第一振型 圆频率 ( x 方向) ; 阻尼比 d 取值范围在 4% 7% 之间，本文取为 5% 。本文 tmd 的质量可通过增减附 合成地震动记录作为输入地震波，4 条地震记录分别为: 1) e1 centro 地震动记录; 2 ) 汶川( wenchuan) 地 震动记录; 3) 集集( chi-chi) 地震动记录; 4) 人工合成 地震动记录，系采用文献14编制的强震记录管理 与分析程序 eqsys 生成。( a) 2 根弹簧( b) 4 根弹簧图 4 tmd 自由衰减振动信号fig 4 damped free vibration response of tmd试验于 2011 年 10 月在同济大学土木工程防灾 国家重点实验室完成。试验中，台 面输入加速度峰 值按小量级分级递增，按 相似关系调整输入波加速pg度峰值和时间间隔。试验加载制度如表 3 所示，表中 锁定和激活分别表示 tmd 装置不工作和工作，a 表示目标峰值加速度，apg 表示实际峰值加速度。输入小振幅的白噪声激励是为了观察模型系统动力特 性的变化。1. 4试验量测试验时在每个巨型层和架空层设置位移传感器 和加速度传感器，测量其绝对位移和绝对加速度，在 部分次框架层设置加速度传感器测量绝对加速度。2试验结果及分析2. 1动力特性对模型结构 x 方向( 即单向 tmd 方向) 的结构表 3 试验加载制度apgtable 3 description of test procedure加载工况输入信号tmd地震动方向 / gapg / gx 方向y 方向z 方向x 方向y 方向z 方向1wn白噪声锁定x，y，z0. 0700. 0700. 070ex1el centro锁定x0. 1400. 136x1人工波锁定x0. 1400. 181ez1el centro锁定x，y，z0. 1400. 1190. 1190. 1300. 230 0. 0401wn-d白噪声激活x，y，z0. 0700. 0700. 070ex1-del centro激活x0. 1400. 143x1-d人工波激活x0. 1400. 1652wn白噪声锁定x，y，z0. 0700. 0700. 070ex2el centro锁定x0. 2800. 321x2人工波锁定x0. 2800. 376ey2el centro锁定x，y0. 2800. 2380. 2380. 310 0. 310ex2-del centro激活x0. 2800. 332x2-d人工波激活x0. 2800. 3743wn白噪声锁定x，y，z0. 0700. 0700. 070ex3el centro锁定x0. 4000. 426x3人工波锁定x0. 4000. 409ey3el centro锁定x，y0. 4000. 3400. 3400. 4200. 410ex3-del centro激活x0. 4000. 426x3-d人工波激活x0. 400 0. 4084wn白噪声锁定x，y，z0. 0700. 0700. 070ex4-del centro激活x0. 8801. 093x4-d人工波激活x0. 8800. 828ex4el centro锁定x0. 8800. 9325wn白噪声锁定x，y，z0. 0700. 0700. 070ccx5-dchi-chi激活x0. 8801. 0146wn白噪声锁定x，y，z0. 0700. 0700. 070ex6el centro锁定x1. 2001. 222ccx6chi-chi锁定x1. 2000. 832wx6-1wenchuan锁定x0. 4000. 473wx6-2wenchuan锁定x0. 8800. 875wx6-3wenchuan锁定x1. 2001. 1477wn白噪声锁定x，y，z0. 0700. 0700. 070( a) 次框架 26 层自振周期进行分析，结果如表 4 所示，可以看出，当激 活 tmd 装 置 后，结 构 的 第 1 阶 自 振 周 期 增 大 14. 3% ，说明 tmd 减震效果较为明显; 结构在峰值加 速度为 0. 400g ( 相当于原型 7 度基本烈度) 的地震 动作用后( 工况 x3-d 结束) ，结构的第 1 阶自振周 期增大 14. 3% ，说明结构的损伤不大; 当峰值加速度 为 0. 880g ( 相当于原型 7 度罕遇烈度) 的地震动作 用后( 工况 ex4 结束) ，结构的第 1 阶自振周期增大 37. 6% ，说明结构损伤较大，这与实际观察的模型结 构损伤进展现象一致，随着峰值加 速度的进一步增 大，结构的损伤继续发展，自振周期也持续增长。( b)次框架 36 层表 4 模型结构 x 方向前三阶自振周期table 4 period of test model( first three orders in x -direction)加载工况t1 / s t2 / st3 / s 1wn0. 5100. 158 0. 0741wn-d0. 5830. 146 0. 0742wn0. 5440. 155 0. 0763wn0. 5830. 158 0. 0794wn0. 5830. 169 0. 0825wn0. 7020. 186 0. 0896wn0. 8330. 243 0. 1107wn0. 9630. 243 0. 1082. 2 位移响应模型结构的位移响应通过对记录得到加速度响 应信号进行二次积分得到，积分前 对得到的加速度 响应信号进行平滑和滤波预处理，其中减震结构的 位移响应乘以修正系数 ，以减少因为不同工况中 因为实际台面加速度峰值的少量差异带来影响。( c) 主框架 44 层apg，notmd在峰值加速度为 0. 880g 的 el centro 波作用时，结构已 经出现了损伤，结构的第 1 阶周期为 0. 583 s，已经偏 离 tmd 的自振周期，导致减震效果下降。 = apg，tmd( 1)式中，apg，notmd 和 apg，tmd 分别为 tmd 锁定和 tmd 激活的台面加速度峰值。模型结构的位移响应时程曲线如图 5 7 所示， 当峰值加速度为 0. 140g 的 el centro 波作用时( 图 5) ， 工况 ex1-d 次框架 26 层和 36 层的位移响应比工况 ex1 分别减少 6% 和 20% ，主框架 44 层和 55 层分别 减少 22% 和 13% ; 当 峰 值 加 速 度 为 0. 400g 的 el centro 波作用时( 图 6) ，工况 ex3-d 次框架 26 层和 36 层的位移响应比工况 ex3 分别减少 70% 和 65% ， 主框架 44 层和 55 层分别减少 71% 和 68% ; 当峰值 加速度为 0. 880g 的 el centro 波作用时( 图 7 ) ，工况 ex4-d 次框架 26 层和 36 层的位移响应比工况 ex4 分别减少 29% 和 26% ，主框架 44 层和 55 层分别减 少 37% 和 31% 。由此可知在峰值加速度为 0. 400g 的 el centro 波作用时，减震效果最明显，这主要是由 于峰值加速度较大时，tmd 工作效果才能充分发挥，( d) 主框架顶点图 5 模型结构位移响应( el centro 波，0. 140g )fig 5 lateral displacement responses under el centro wave of 0. 140gtmd 位移与顶点位移如图 8 所示，从 图中可以 看出，tmd 的峰值位移相对于结构顶点峰值位移滞 后，这正 是 tmd 可以减震的原 因; 在 峰 值 加 速 度0. 400g 的 el centro 波作用下，tmd 的位移与顶点位 移的比值比 0. 140g 和 0. 880g 作用后的位移比要大 很多; 峰 值 加 速 度 0. 400g 的 el centro 波 作 用 下， tmd 减震效果最明显。( a) 次框架 26 层( b) 次框架 36 层( c) 主框架 44 层( d) 主框架顶点图 6 模型结构位移响应( el centro 波，0. 400g )fig 6 lateral displacement responses under el centro wave of 0. 400g( a) 次框架 26 层( b) 次框架 36 层( c) 主框架 44 层( d) 主框架顶点图 7 模型结构位移响应( el centro 波，0. 880g )fig 7 lateral displacement responses under el centro wave of 0. 880g( a) 工况 ex1-d( b) 工况 ex3-d( c) 工况 ex4-d图 8 模型结构顶点和 tmd 位移响应fig 8 lateral displacement responses of floor 55 and tmd3结论1) 由试验结果可知，在峰值加速度为 0. 140g 的 地震波( 相当于原型 7 度多遇地震) 作用后，模型结 构处在弹性工作状态; 在峰值加速度为 0. 400g 的地 震波( 相当于原型 7 度基本烈度) 作用后，模型结构 出现轻微破坏; 在峰值加速度为 0. 880g 的地震波( 相 当于原型 7 度罕遇地震) 作用后，模型结构出现中等 破坏，原型结构的抗震性能可满足抗震设计要求。2) 由结构的动力特性分析可知，安装 tmd 后结 构的第 1 阶自振周期增长，表明 tmd 具有一定的减 震效果; 随着结构损伤的发生和发展，结构的自振周 期逐渐增长。3) 由结构的位移响应可以看出，tmd 对该巨型 框架结 构 具 有 较 好 的 减 震 效 果，在峰值加速度为 0. 400g 的 el centro 波作用时，减震效果比在峰值加 速度为 0. 140g 和 0. 880g 的 el centro 波作用时更为 明显。参考文献1 taranath b s steel，concrete，and composite design of tall buildingsm new york，usa: mcgraw hill， 1997: 1-502 kim j，jung m progressive collapse-resisting capacity of modular mega-frame buildingsj the structural design of tall and special buildings，2013，22 ( 6 ) : 471-4843 feng m q，mita a vibration control of tall buildings using megasubconfigurationj journal of engineering mechanics，1995，121 ( 10) : 1082-10884 zhang x a， zhang j l， wang d， jiang j s controlling characteristic passive mega-sub controlled frame subjected to random wind loadsj journal of engineering mechanics，2005，131( 10) : 1046-10555 shu g p，zhang y f，lu z t，zuo j，xia c c，jiang han the aseismic capability and shaking table experiment of mega-frame structuresc/ / innovation sustainability of structures: proceedings of the international symposium on innovation sustainability of structures in civil engineering nanjing: southeast university press，2005: 398-4146 lan z j，tian y j，fang l，liang s t，wang x d an experimental study on seismic responses of multifunctional vibration-absorption reinforced concrete megaframe structuresj earthquake engineering andstructural dynamics，2004，33( 1) : 11-147 jgj 32002 高层建筑混凝土结构技术规程s 北京: 中国建筑工业出版社，2002 ( jgj 32002 technical specification for concrete structures of tall buildings beijing: china architecture building press，2002 ( in chinese) )8 蒋庆 巨型框架结构的地震反应及基于小波分析的 损伤研究d 合肥: 合肥工业大学，2011: 27-44 ( jiang qing seismic response and damage analysis based on wavelet analysis of mega-frame structured hefei: hefei university of technology，2011: 27-44 ( in chinese) )9 吕西林 复杂高层建筑结构抗震理论与应用m 北京: 科学技术出版社，2007: 201-218 ( lu xilin seismic theory and application of complex hig