趙書(shū)寧

0 引言

模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)具有其他抗震動(dòng)力和靜力試驗(yàn)不同的特點(diǎn)，振動(dòng)臺(tái)能再現(xiàn)各種形式的地震波，它可以按照人們的要求，借助于地震波的研究及輸入，模擬在任何場(chǎng)地上的地面運(yùn)動(dòng)特性，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)分析。當(dāng)今針對(duì)復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的抗震理論分析研究還不是很充分，不能夠全面認(rèn)識(shí)該種結(jié)構(gòu)的受力性能，而振動(dòng)臺(tái)整體模型試驗(yàn)是了解和洞察結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接、最有力的手段。

廣州某 49層高層建筑，地面以上高度 159.1m，4層設(shè)置型鋼混凝土梁式轉(zhuǎn)換層，該結(jié)構(gòu)多處超限[1，2]，屬于超高層復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)。本文通過(guò)此結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及試驗(yàn)過(guò)程，來(lái)探討整體高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)及不足。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取

當(dāng)前動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃?全相似模型、人工質(zhì)量模型、忽略重力效應(yīng)模型、混合相似模型。其中混合相似模型原理為采用一定的人工質(zhì)量盡量減少忽略重力效應(yīng)影響的一種模型，其為克服忽略重力效應(yīng)造成模型反應(yīng)失真的情況，通過(guò)附加人工質(zhì)量，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹亓π?yīng)和慣性作用，但不影響結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和阻尼特性，許多學(xué)者對(duì)此相似模型進(jìn)行了研究[3，4]。在充分發(fā)揮振動(dòng)臺(tái)承載力和盡量降低加速度相似比的條件下，本次試驗(yàn)采用了混合相似模型。

1.2 用量綱法求相似系數(shù)

綜合考慮振動(dòng)臺(tái)的性能參數(shù)、試驗(yàn)室吊車性能參數(shù)和模型材料彈性模量等多方面的因素，首先確定幾何相似比Sl=1/20;在根據(jù)模型施工后的材料彈性模型實(shí)測(cè)值修正后，材料彈性模量比SE=1/2.38;加速度相似比Sa=1.69，其他未知量的相似常數(shù)根據(jù)各物理量基本量綱的關(guān)系，由線性方程組計(jì)算出來(lái)。相似關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 模型相似關(guān)系表

1.3 模型自重及配重

根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的承載能力和模型的實(shí)際重量，計(jì)算出所需配重。配重采用比重大的鉛塊作為附加質(zhì)量，將其用水泥砂漿粘貼在樓板上。在附加質(zhì)量布置過(guò)程中，考慮了偶然偏心影響。模型總高度為8.16m，總重59.9 t，其中模型9.78 t、配重55.9 t。

2 模型制作

2.1 模型選用材料

制作模型采用的材料主要有水泥砂漿、鍍鋅鐵絲及鍍鋅鐵絲網(wǎng)和 Q235鋼板。模型施工時(shí)模板采用泡沫板，由于泡沫塑料和砂漿相比，在彈性模量、抗剪模量、密度方面都很小，因此對(duì)模型剛度影響較小，而且制作方便。模型配筋按面積相似原則及等強(qiáng)度要求確定配筋量，模型結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際工程及配筋情況設(shè)計(jì)并加工。本試驗(yàn)主要研究模型在地震作用下的動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮抗側(cè)力構(gòu)件的動(dòng)力相似條件，構(gòu)件正截面承載力按受彎承載力等效、斜截面承載力按受剪等效的原則進(jìn)行模擬。

2.2 模型的制作

在模型制作之前，首先要制作模型底板。底座上預(yù)留螺栓孔，四角設(shè)起吊用的錨鉤。在模型各層制作過(guò)程中，首先制作墻、柱豎向構(gòu)件，然后再制作梁和樓板。當(dāng)該層鋼筋綁扎完畢之后，用泡沫塑料板為模板，形成梁、板構(gòu)件空間，進(jìn)行本層水泥砂漿的澆筑工作，邊澆筑邊振搗密實(shí)，梁、板一次成型。待形成強(qiáng)度后，進(jìn)行上一層構(gòu)件配筋和安置模板，重復(fù)以上步驟，直至模型制作完畢。

3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)建筑科學(xué)研究院大型高性能空間六自由度模擬地震振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行。該振動(dòng)臺(tái)為目前我國(guó)最大振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)面尺寸6m×6m，最大載重量為80 t，實(shí)驗(yàn)室吊車起重量為32 t。

3.2 地震波選取

根據(jù)場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，選出引起結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)最大的一條場(chǎng)地波作為試驗(yàn)用波，另外兩條試驗(yàn)用波為:EL-CENTRO波、LIVERMOR波。

3.3 傳感器布置

本次試驗(yàn)共使用了 47個(gè)加速度傳感器，其布置情況如下:基座上X，Y向各布置一個(gè)(2個(gè));1，4，5，11，17，23，29，35，41，49十層在平面中心及一端X，Y向各布置一個(gè)(40個(gè));為觀測(cè)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在 4，11，23，35，49層平面的另一端 Y向布置一個(gè)傳感器(5個(gè))，共 47個(gè)。為了研究結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力性能，應(yīng)變片主要布置在核心筒剪力墻，鋼管混凝土框支柱及型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁上，共計(jì)64片。

3.4 試驗(yàn)工況

在模型試驗(yàn)加載過(guò)程中，各試驗(yàn)階段首先用峰值加速度為0.05g的白噪聲對(duì)模型進(jìn)行 X向、Y向頻譜掃描，得出模型自身特性。各試驗(yàn)階段試驗(yàn)完后，觀測(cè)模型的破壞情況。然后，用所選用的三條地震波分別進(jìn)行X向、Y向及EL-CENTRO波雙向輸入。依次進(jìn)行 7度小震、7度中震、7度大震、8度中震加強(qiáng)、8度大震、8度大震加強(qiáng)、9度大震弱的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。根據(jù)相似關(guān)系比，將輸入的地震波進(jìn)行調(diào)整，輸入地震波峰值加速度分別為 0.059g，0.169g，0.372g，0.507g，0.676g，0.845g和1.014g。由于振動(dòng)臺(tái)條件限制，實(shí)際上共進(jìn)行了 59個(gè)試驗(yàn)工況。

4 誤差分析

4.1 模型自振誤差分析

采用三維空間有限元程序 SAP2000進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)有限元分析。通過(guò)分析，自振頻率計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表 2。

表2 模型自振頻率對(duì)比

從表 2可以看出，模型自振頻率計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差為0.41%～13.26%，X方向、Y方向的第一階頻率誤差分別為6.63%和5.81%，X向誤差大于Y向。X向計(jì)算頻率均小于試驗(yàn)值，而Y向兩者基本相同?？梢哉J(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果的誤差可以接受。

通過(guò)理論分析，各層加速度最大值與試驗(yàn)值的誤差多數(shù)在30%以內(nèi)，多數(shù)工況下各層加速度計(jì)算值和試驗(yàn)值變化規(guī)律相同。誤差產(chǎn)生的主要原因是:

1)計(jì)算模型里未考慮構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)剛域及核心筒剪力墻端部型鋼，使模型的計(jì)算剛度降低;

2)模型的鋼管混凝土柱與型鋼梁的型鋼采用Q 235的鋼板模擬，導(dǎo)致實(shí)際構(gòu)件的剛度變大;

3)加大模型配重，尤其在結(jié)構(gòu)底部幾層鉛塊布置過(guò)多，樓層間空隙很小，可能使結(jié)構(gòu)剛度變大。

表3 典型高層建筑振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)誤差分析

4.2 國(guó)內(nèi)高層建筑振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)誤差分析

根據(jù)文獻(xiàn)[5]～[8]，國(guó)內(nèi)其他 4棟高層建筑振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前四階自振頻率試驗(yàn)結(jié)果與理論分析誤差如表 3所示，誤差在5.52%～15.23%，誤差是可以接受的?？梢?jiàn)，目前振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)于高層結(jié)構(gòu)抗震性能研究還是一種有效的分析手段。本文平均誤差為6.55%，誤差偏小，可見(jiàn)加大尺寸比，降低加速度比是可以進(jìn)一步降低試驗(yàn)誤差的。

5 高層振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的一些問(wèn)題

對(duì)于整體動(dòng)力模型在復(fù)雜高層振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，目前在應(yīng)用中還是存在一些局限性:

1)受試驗(yàn)?zāi)芰Φ南拗疲囼?yàn)?zāi)Ｐ捅壤豢赡芎艽?，并且由于輸入地震波頻率按比例放大，振動(dòng)臺(tái)不能完全再現(xiàn)高頻率試驗(yàn)波，因此加大國(guó)內(nèi)大型振動(dòng)臺(tái)的研究開(kāi)發(fā)是勢(shì)在必行的。

2)針對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的模型尺寸效應(yīng)研究不多，此應(yīng)為今后關(guān)于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究關(guān)注的一個(gè)方面。

3)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)激勵(lì)加速度由小至大，試驗(yàn)中在下一次地震波輸入之前，模型可能已經(jīng)存在一定的損傷，這與實(shí)際地震的一次激勵(lì)不相符，如何精確考慮模型的已有損傷需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4)參照地震工程聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)[9]，對(duì)于大型動(dòng)力試驗(yàn)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)力研究分解為若干可操作的模塊，各個(gè)模塊按計(jì)劃或進(jìn)行物理模型的動(dòng)力試驗(yàn)或進(jìn)行有限元模擬的數(shù)值模擬試驗(yàn)。進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)是未來(lái)發(fā)展的方向。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，通過(guò)相似關(guān)系原理，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ停敿?xì)描述了模型設(shè)計(jì)、模型制作、試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過(guò)程。并根據(jù)有限元軟件分析對(duì)比了試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，分析了誤差原因。目前振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)于高層結(jié)構(gòu)抗震性能還是一種有效的分析手段。最后提出了高層結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的一些問(wèn)題。

[1] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3-2002，J 86-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 張敏政，孟慶利，劉曉明.建筑結(jié)構(gòu)的地震模擬試驗(yàn)研究[J].工程抗震，2003(4):31-35.

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