双塔连体结构的模拟地震振动台模型试验研究_图文

1、建筑结构学报Journal of Building Structures第30卷第5期2009年10月Vol130No15Oct12009004文章编号:100026869(20090520031208双塔连体结构的模拟地震振动台模型试验研究黄志华,吕西林,周颖,卢文胜,陈林之,孙宗鹏,欧阳冬(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092摘要:双塔连体结构是在两塔楼上部设置连体而形成的一种复杂的高层建筑结构形式,在我国实际工程中的应用越来越多,但目前对此类结构的抗震性能研究还不够全面和深入。针对一双塔连体高层建筑,进行了模拟地震振动台模型试验,并利用大型通用有限元分析软件ANSYS进行

2、了结构动力特性和动力反应分析。结果表明,连体刚性连接节点及墙体采取的内设型钢的加强措施可以满足结构抗震要求;连体结构的连体部分对竖向振动效应的放大十分明显;应进一步加强连体 桁架构件的整体和局部稳定性;开有较大洞口的楼层应采取改善延性的措施。关键词:钢筋混凝土;双塔连体结构;模拟地震振动台模型试验;抗震性能中图分类号:T U973112T U31711文献标志码:AShaking table model test of a multi2t o wer connected structureHUANG Zhihua,LU Xilin,Z HOU Ying,LU W ensheng,CHEN L

3、inzhi,S UN Zongpeng,OUY ANG Dong(State Key Laborat ory of D isaster Reducti on in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai200092,China Abstract:Multi2tower connected structure(MTCSis app lied widely as a new structure system of tall buildings in China,although the seis m ic behaviors of such com

4、p lex structure are not studied system ically.I n this paper,a scaled model of MTCS was fabricated and tested on a shaking table to study its dynam ic characteristics and seis m ic res ponses under different seis m ic levels.A32D numerical analysis using ANSYS was conducted to evaluate the structura

5、l seis m ic perfor mance.It is found that the rigid j oints and the shear walls reinforced by steel meet the seis m ic design requirements.The amp lification effect of the connecting trusses is significant when the MTCS is subjected to vertical vibration.Design measures to increase the gl obal and l

6、ocal stability of the connecting truss elements are necessary. The stories with large openings are suggested t o increase the ductility.Keywords:reinforced concrete;multi2tower connected structure;shaking table model test;seis m ic behavi or基金项目:国家重点基础研究发展计划973项目(2007CB714202,国家自然科学基金项目(90815029,507

7、08071,国家科技支撑计划课题(2006BAJ13B01。作者简介:黄志华(1981,女,江苏射阳人,博士研究生。E2mail:huangzhihua19811631com收稿日期:2008年5月130引言高层建筑双塔连体结构是近十几年来发展起来的一种新型结构形式。它是指两个(或多个高层建筑由设置在一定高度处的架空连接体相连而组成的建筑结构形式。一方面通过设置连体将不同建筑物连在一起,方便两者之间联系;另一方面由于连体结构独特的外形,带来强烈的视觉效果,可使建筑更具特色;同时,连体部分具有良好的采光效果和广阔的视野,可用作观光走廊或休闲活动场所等,这使得高层连体建筑越来越得到建筑师的青睐1。

8、目前已有学者针对这一结构体系从不同的角度进行了研究,其中卞朝东、李爱群等对高层连体结构的振型及其参与系数进行了分析,分析时考虑了结构的对称性及地震行波效应的影响2;聂建国、魏捷等研究了钢2混叠合板组合梁在连体结构工程中的应用,得出钢2混叠合板组合梁比钢骨混凝土梁更适用于大跨结构的结论3;侯家健、容柏生等研究了双塔连体建筑的竖向抗震实用设计方法,提出了考虑塔楼和桁架协同的地震作用实用算式4;陈朝辉、傅学怡等结合实际工程,研究了型钢混凝土空腹桁架连体结构的应用,得出空腹桁架结构抗震性能良好的结论5。但总得来说目前对这一新型结构的抗震性能研究仍大大滞后于工程应用。针对一双塔连体高层建筑,进行了模拟地

9、震振动台模型试验,并利用大型通用有限元分析软件ANSYS进行了结构动力特性和动力反应分析。通过对试验和计算结果的对比分析,揭示了此类结构在地震作用下的受力性能和反应特点,并提出改善结构抗震性能的建议。1结构特点该双塔连体高层建筑由1、2号楼及设置在上部的连体组成。1、2号楼地上18层,为钢筋混凝土框架2剪力墙结构,结构总高度(室外地面至大屋面檐口8215m。两塔楼除1号楼局部楼层开有较大洞口外,基本对称布置。双塔顶部为58m净跨的大跨连体结构,连体部分采用高度为4m的钢桁架,与两侧塔楼刚性连接,桁架弦杆延伸至连体两侧各一跨范围内,并在塔楼相应位置的核心筒内设置型钢混凝土边框柱和边框梁,型钢柱向

10、下延伸至15层。在屋面设置现浇钢筋混凝土楼板与两侧塔楼形成整体,保证平面刚度,协调变形。1、2号楼墙、柱混凝土强度等级为12层:C55;37层:C40;817层:C35; 18F:C40。梁、板混凝土强度等级为17层:C40;817层:C35;18层:C40。钢构件采用Q345B级钢。根据JGJ32002高层建筑混凝土结构技术规程6(以下简称高规及G B500112001建筑抗震设计规范7,该结构为复杂超限高层建筑。其主要超限情况如下:(1平面不规则:1号楼914层开有较大洞口,洞口面积约为楼层面积的25%,Y向楼板连接宽度不足总宽度的50%(图1;(2竖向严重不规则:1、2号塔楼顶部形成连体

11、,引起结构顶部抗侧刚度突变(图2、3,该结构通过连体桁架在X方向形成门式结构(图4。为了确保该复杂超限高层结构抗震的安全和可靠,除了采取有效的计算分析设计手段和构造措施之外,有必要对该结构体系进行模拟地震振动台试验,研究结构的动力特性和在不同设防烈度地震作用下的动力反应及破坏情况。尤其是连体桁架、连体与两塔楼的连接节点、节点两侧重点加强的钢筋混凝土墙体及底部加强区的受力、破坏情况。大跨连体结构在竖向地震作用下的地震反应也是本次试 验研究的重点。图1结构914层平面示意图Fig.19th t o14th fl oor p lan图2结构17层平面示意图Fig.217th fl oor p lan

12、23 图3连体桁架Fig .3Connecting trusses图4原型立面图Fig .4Elevati on of p r ot otype structure2模拟地震振动台试验211模型设计模型设计时把握构件层次上与原型结构相似的原则,对正截面承载能力的控制,依据抗弯能力等效原则,对斜截面承载能力的模拟,按照抗剪能力等效原则8。分别根据原型结构的配筋面积或配筋率计算出模型结构的配筋面积,设计制作了比例为125的整体模型(图5,考虑了混凝土强度和钢筋强度之间采用了不同的相似常数的影响。竣工后的模型总高度约为313m,模型总重约23t,其中模型及配重约18t,刚性底座重约5t 。21111

13、相似关系在综合考虑了振动台性能参数、试验吊装能力、模型材料性能实测值等多方面的因素后,最终确定的试验采用的主要相似关系见表1。21112 模型材料图5模型结构全貌Fig .5Model structure该双塔连体结构模型选用微粒混凝土模拟原型结构的混凝土材料,镀锌铁丝模拟原型结构的钢筋,铜板模拟原型结构的型钢。模型施工完成后,对施工过程中同步制作的立方体和棱柱体混凝土试块分别进行了材性试验,得到了实测的微粒混凝土抗压强度和弹性模量,如表2所示。确定了相似关系及模型材料后可设计得到模型结构的构件尺寸及配筋。表3和表4分别为模型结构17层钢筋混凝土柱和梁的尺寸及配筋。该层钢筋混凝土剪力墙配筋网片

14、均为22#25。表5为连体桁架构件尺寸。表1模型主要相似关系Ta b l e 1Typ i ca l s i m ilitude fac t o rs o f m o de l s truc tu re物理参数长度等效弹性模量频率加速度质量密度集中力相似常数1/250139918421502150410×10-4表2模型混凝土抗压强度和弹性模量Ta b l e 2Com p re ss i ve streng th a nd e l a s ti c m o du l u so f m i c r o co nc re te层数立方体抗压强度/MPa弹性模量/MPa墙、柱梁、板墙、柱

15、梁、板21114271271138×1041103×1044510781920175×1041146×1046319641080132×1040162×1048415141510180×1040163×10410512661050158×1040190×104128104111001107×1041112×10414514131630190×1040156×10416514751410144×1040168×10418417021820

16、137×1040140×104平均值519851970173×1040182×104212传感器布置10个应变测点分布在连体桁架、塔楼和连体的连接楼层、底层剪力墙及角柱。在6个楼层沿X 、Y 、Z 向布置25个位移传感器和40个加速度传感器。具体布置如下:底座设3个位移传感器和3个加速度传感器;3、9和14层各设4个位移传感器和633表3钢筋混凝土柱尺寸及配筋Ta b l e3Pa ram e te rs a nd re i nfo rcem e n t o f RC co l um n s编号截面(矩形纵筋箍筋b/mm h/mm根数规格规格间距/mmZ

17、13636420#22#20Z22828420#22#20Z32836420#22#20Z43636420#22#20Z53638420#22#20表4钢筋混凝土梁尺寸及配筋Ta b l e4Pa ram e te rs a nd re i nfo rcem e n t o f RC be am s编号截面(矩形纵筋箍筋b/mm h/mm上/下规格间距/mmL112281根18#22#25 L218321根16#22#25 L312301根18#22#25 L410201根22#22#25 L512401根18#22#25表5连体桁架构件尺寸Ta b l e5Pa ram e te rs o

18、f co nne c ted tru sse s截面杆件名称截面参数h/mm b/mm t w/mm t f/mm工字形BR1,SRCC22220018014 SRCC12624110015 S B3014014012 BR22220016013 CHORD12620018014 CHORD23022018014箱形SP1010015015注:h为截面高度,b为截面宽度,tw 为腹板厚度,tf为翼缘厚度。个加速度传感器;17层设4个位移传感器和8个加速度传感器;屋顶设6个位移传感器和11个加速度传感器9。2 13输入台面激励该双塔连体结构处于类场地,按7度抗震设防。根据原型结构的动力特性和场地

19、条件,试验选用了两条实际地震记录和一条人工模拟地震时程曲线作为模拟地震振动台台面输入波,分别是:El Centr o波;Pasadena波;上海规程地震波SH W2。各烈度下台面激励按照的顺序依次输入,输入加速度幅值按照加速度相似关系进行放大。在7度多遇、基本和罕遇烈度试验阶段,、的输入为双向水平输入和单向竖向输入,为分别沿结构X、Y、Z向单向输入。为进一步考查该复杂结构的抗震性能,还进行了8度罕遇烈度试验,其中、的输入为三向输入,三向输入方向加速度幅值之间的比例关系为101850165,仍为分别沿结构X、Y、Z向单向输入。3试验现象在7度多遇烈度试验阶段,按加载顺序依次输入El Centr

20、o波、Pasadena波和SH W2波。各地震波输入后,模型表面未发现可见裂缝。地震波输入结束后用白噪声扫频,发现模型自振频率略有下降,试验阶段模型结构基本处于弹性工作阶段,模型结构满足“小震不坏”的抗震设防目标。图6模型破坏形式Fig.6Model failure patterns在7度基本烈度试验阶段,各地震波输入下,1号楼5层连梁端部已有裂缝出现(图6a,结构的自振频率下降。在7度罕遇烈度试验阶段,1号楼更多的连梁端部开裂,2号楼尚无可见裂缝出现。结构的自振频率继续下降,模型结构满足设防烈度地震下“大震不倒”的抗震设防要求。在8度罕遇烈度试验阶段,1、2号楼剪力墙普遍水平开裂,墙的转角处

21、出现贯穿的水平裂缝(图6b; 1号楼底层角柱柱脚开裂(图6c;连体桁架腹杆多处屈曲(图6d;连体桁架与两塔楼的连接节点没有可见破坏;连体下部塔楼钢筋混凝土型钢柱转化为钢筋混凝土柱处的梁端发生了较为严重的剪切破坏(图6e。434原型结构动力反应结果及分析411原型结构动力特性根据模型与原型结构之间的动力相似关系,可由模型结构的振动频率推算出原型结构的振动频率。表6给出了试验推算和ANSYS 软件弹性计算的原型结构动力特性,从表中可以看出: 图7结构前3阶振型形态Fig .7First three vibrati on modes of structure表6原型结构振动频率和振型形态Tab l

22、e 6V i b ra ti o n fre que nc i e s a nd vi b ra ti o n m o de s o f p r o t o typ e struc tu re振型f t /Hzf n /Hz7度多遇烈度7度基本烈度7度罕遇烈度8度罕遇烈度f t /Hz f f t /Hz f f t /Hz f f t /Hz f 振型形态1阶振型014960149101496001447-919%01397-2010%01298-4010%Y 向平动2阶振型014960152901447-919%01447-919%01347-3010%01248-5010%X 向平动3阶

23、振型016230156401602-314%01595-415%01523-1610%01481-2218%扭转注:表中f t 为由模拟地震振动台试验结果推算的振动频率;f n 为ANSYS 有限元程序计算的振动频率;f 为试验输入各设防烈度地震后结构频率相对初始频率的变化率。(1由试验所测得的结构周期可知:T 3/T 1=T 3/T 2=0180,满足“高规”6中第41315条对扭转周期的抗震设计要求,结构的扭转效应不是非常明显。(2对各阶频率变化率进行分析,可以得知:7度多遇烈度地震作用下,结构Y 向等效刚度没有下降、X 向等效刚度下降了1818%;7度基本烈度地震作用下,结构的X 、Y

24、向等效刚度均下降了1818%;7度罕遇烈度地震作用下,结构的Y 向等效刚度下降了3610%、X 向等效刚度下降了5110%;8度罕遇烈度地震作用下,结构的Y 向等效刚度下降了6410%、X 向等效刚度下降了7510%。分析认为,结构X 向刚度下降较快,是由于该结构在X 方向形成门式结构,且在地震作用下出现破坏造成的。(3结构计算的前3阶振型形态(图7,与试验结果相同,表明试验与计算结果吻合较好。从结构的前3阶振型形态可以看出,大跨连体由于建筑开洞,削弱了平面内外刚度,其对总体结构的刚度贡献较弱。412原型结构加速度反应原型结构1、2号楼X 、Y 方向的加速度放大系数与楼层的关系如图8所示,图例

25、中F7、B7、R7和R8分别表示输入地震作用为7度多遇烈度、7度基本烈度、7度罕遇烈度和8度罕遇烈度。从图8中可看出:(11、2号楼在7度多遇烈度地震作用下水平加速度放大系数均较大。随着台面输入加速度峰值的提高,两塔楼水平加速度放大系数有所降低,在7度罕遇烈度地震作用下两塔楼水平加速度放大系数均较小。(21、2号楼Y 方向水平加速度放大系数规律基本相同;X 方向在连体层1号楼有较大的放大,而2号楼趋缓。由此可见,两塔楼虽在顶部通过连体桁架形成整体,但由于连体中部开有较大洞口削弱了连体层的平面内刚度,导致两塔楼连体层X 方向的加速度放大系数有较大的不同。原型结构屋面在各设防烈度地震作用下的竖向加

26、速度如图9所示,其中7度多遇烈度、7度基本烈度、7度罕遇烈度和8度罕遇烈度地震作用下地面竖向加速度峰值分别为01023g 、01065g 、01143g 和01260g 。图中距跨中-4217m 处为1号楼中部,-1511m 处为连体1/4处,4217m 处为2号楼中部。从图9中不难看出,1、2号楼屋面竖向加速度基本相同,连体跨中最大。在7度多遇烈度、7度基本烈度、7度罕遇烈度和8度罕遇烈度地震作用下连体跨中处竖向加速度峰值分别达到01290g 、01914g 、53下楼层剪重比分布比较均匀 ; 7 度罕遇烈度地震作用 下在中部楼层剪重比有一定的减小 , 到上部楼层时 又逐渐增大 。 表 7

27、为按试验结果推算和 ANSYS计算得到的原 型结构最大位移反应 总位移角 /H 和最大层间位 、 移角 dm ax / h 。从表 7 可以看出 : ( 1 在 7 度多遇烈度地震作用下 , 原型结构变形 4 14 原型结构位移反应 X dm ax / h 较小 , 总 位 移 角 的 最 大 值 为 : X 向 1 /1083, Y 向 1 /1463; 最大 层 间位 移 角 dm ax / h : X 向 1 /850, Y 向 1 /829,均小于 1 /800,则原型结构能满足“ 小震不坏 ” 的抗震设防标准 。 ( 2 在 7 度罕遇烈度地震作用下 , 总位移角的最 大值为 : X

28、 向 1 /322, Y 向 1 /330; 最大层间位移角 dm ax / h : X 向 1 /112, Y 向 1 /123, 均小于 1 /100, 则原 型结构能满足“ 大震不倒 ” 的抗震设防标准 。 表 7 原型结构最大位移 、 总位移角和 最大层间位移角 图 8 1、 号楼水平加速度放大系数 2 Fig 8 Horizontal acceleration amp lification coefficient . of Tower 1 & Tower 2 Ta b le 7 a xi um d rifts a nd m a xi um in te rs to ry M m

29、 m d rifts o f p ro to typ e s truc tu re 7 度多遇烈度 Y 7 度基本烈度 X Y 7 度罕遇烈度 X Y 高 ,竖向加速度放大系数有所降低 , 表明连体桁架逐 渐发生了破坏 。 示 ,从图中可以看出 : 震作用下的楼层剪力计算结果与 ANSYS的弹性时程 结构比较接近 , 证实了结构在 7 度多遇烈度地震作 用下处于弹性状态 。 ( 2 从图 10a、 中可以看出沿楼层的剪力分 10b 布大致呈三角形 ; 从图 10c、 中可以看出 , 7 度多 10d 遇烈度地震作用下剪重比沿楼层分布比较均匀 ; 7 度 基本烈度地震作用下顶部两层剪重比相对较大

30、 , 以 36 11260 g 和 11890 g 。随着台面输入加速度峰值的提 图 9 屋面竖向加速度 Fig 9 Vertical acceleration on roof floor . 试验研究和利用 ANSYS 进行的三维有限元计算分 析 ,可得到的结论和提出的相应建议如下 : ( 1 结构两塔楼通过顶部的连体桁架形成门式 4 13 原型结构剪力及剪重比分布 结构 ,但连体因建筑需要开洞 , 削弱了平面内外的刚 度 ,其对结构的刚度贡献较弱 。 ( 2 7 度罕遇烈度地震作用下 , 只有部分连梁端 原型结构剪力和剪重比沿楼层分布如图 10 所 ( 1 在原型结构的 X 向和 Y 向

31、, 7 度多遇烈度地 部出现斜向裂缝 , 刚性连接节点未出现破坏 , 同时连 体两侧重点加强的钢筋混凝土墙体未发现裂缝 , 说 明连接节点及墙体采取的加强措施可以满足结构抗 震要求 。 8 度罕遇地震作用下 , 1、 号楼剪力墙普遍 2 水平开裂 ; 底层角柱承受双向水平地震作用且承受 较大的轴力和倾覆力矩 , 试验中柱脚处被水平拉裂 ; 连体桁架腹杆多处屈曲 , 但构件间连接基本保持完 好 ; 连体下部塔楼钢筋混凝土型钢柱转化为钢筋混 凝土柱处的梁端发生了较为严重的剪切破坏 。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publis

32、hing House. All rights reserved. /mm 75116 54135 131138 163101 256141 250122 试验推算 /H 1 /1083 1 /1463 1 /627 1 /506 1 /322 1 /330 1 /850 1 /829 1 /171 1 /261 1 /112 1 /123 5 结论与建议 /mm 64105 57185 ANSYS /H 1 /1271 1 /1374 计算 dm ax / h 1 /1022 1 /986 通过对该双塔连体高层结构的整体结构振动台 图 10 剪力和剪重比分布图 Fig 10 D istribu

33、tion of shear force & ratio of shear force to weight . ( 3 振动台试验表明 ,连体结构的连体部分对竖 向振动效应的放大作用十分明显 。连体位于整体结 构的上部 ,在连体两端竖向地震反应已有一定放大 的基础上 ,连体跨中竖向地震反应较大 , 在跨中产生 较大竖向变形 。 ( 4 对文中的大跨连体结构体系建议如下 : 为使连体部分能更有效地抵抗板内可能出现 的拉力 ,建议加强连体层楼板配筋 。 为确保地震作用下连体部分的安全和可靠 , 应进一步加强连体桁架构件的整体和局部稳定性 。 建议加强钢筋混凝土型钢柱与钢筋混凝土柱 的合理转换

34、 ,转化位置应在楼层半高处 , 且在同一楼 层转换的构件不能超过半数 , 部分构件可以再向下 延伸一层转化 ,同时应加强转化处梁的延性 。 两塔楼除 1 号楼局部楼层开有较大洞口外 , 基本对称布置 ,结构的扭转效应不是非常明显 。但 1 号楼因相对比较薄弱 , 试验中首先出现破坏 , 之后其 破坏程度也相对严重 , 建议对 1 号楼开有较大洞口 的楼层采取改善延性的措施 。 ( 5 由于振动台噪声要求 、 模型的大缩尺比例及 振动台承载能力限制等原因 , 加速度相似常数大于 1,即存在重力失真效应 。对高层建筑的模型试验 , 往往通过附加质量来减小重力失真效应的影响 , 但 通常的混合模型设

35、计不能完全消除影响 , 因此模型 竖向构件的应力 、 刚度 、 轴压力和破坏形态等与原型 会存在一定的差异 。但是通过合理的相似关系设计 及模型制作 ,结构层间剪力及倾覆弯矩可保持相似 , 整体结构薄弱环节及破坏过程可基本相似 。 参 考 文 献 1 徐培福 . 复杂高层建筑结构设计 M . 北京 : 中国 2 卞朝东 ,李爱群 ,娄宇 , 等 . 高层连体结构振型及其 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 聂建国 ,魏捷 ,陈戈 . 钢 2 叠合板

36、组合梁在连体结构 混 4 侯家健 ,容柏生 ,韩小雷 , 等 . 双塔连体建筑的竖向 5 陈朝辉 ,傅学怡 ,杨想兵 , 等 . 型钢混凝土空腹桁架 6 JGJ 3 2002 高层建筑混凝土结构技术规程 S . betw een the buildings J . Building Structure, 2002, 32 ( 4 : 17 2 18. ( in Chinese in t in2tower tall building J . Building Structure, w 2007, 37 ( 9 : 6 2 ( in Chinese 9. steel reinforced conc

37、rete vierendeel portal structure: 建 筑 工 业 出 版 社 , 2005. ( XU Peifu. Design of comp lex high2rise structures M . Beijing: China A rchitecture & Building Press, 2005. ( in Chinese Building Science, Chinese 参与系数的分析 J . 建筑科学 , 2002, 18 ( 4 : 20 2 24. ( B I N Chaodong, L I A iqun, LOU Yu, et al A . Analysis of vibration modes and participating 工程中的应用 J . 建筑结构 , 2002, 32 ( 4 : 17 2 18. (N ie J ianguo, W ei J ie, Chen Ge. App lication of 连体结构研究应用 : 深圳大学科技楼连体结构解析 J . 建 筑结构 学报 , 2004, 25 ( 2 : 64 2 71. ( CHEN Chaohui, FU Xueyi, YANG Xiangbin, e