高華國， 張令心， 李 行， 朱柏潔， 李 銳

(1. 中國地震局 工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080；2. 中國地震局 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080； 3. 遼寧科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程加速發(fā)展，城市人口急劇增加，20～30層的剪力墻住宅樓在大、中型城市占據(jù)很大比例。研究者對地處重要城市的住宅建筑地震破壞機(jī)理研究非常重視，聶建國[1]認(rèn)為應(yīng)該重視和完善結(jié)構(gòu)整體抗震性能的研究，開展結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力特性、破壞機(jī)理、震害原因的重要手段之一，可以為開展靜力試驗(yàn)提供理論依據(jù)。程紹革[2]進(jìn)行1/20模型試驗(yàn)，彈性階段吻合良好，低樓層外圍墻肢出現(xiàn)水平裂紋，在模擬大震試驗(yàn)階段，底部外圍墻肢水平裂縫貫通。郭宏超等[3]針對西安火車站東配樓復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)開展了振動(dòng)臺試驗(yàn)，得出結(jié)構(gòu)在9度罕遇地震下剛度退化率達(dá)到23.73%，與數(shù)值模擬進(jìn)行了對比，得出振動(dòng)臺可以有效的對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[4-5]在剪力墻結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)臺試驗(yàn)中，出現(xiàn)外圍墻體出現(xiàn)水平裂縫，指出體系扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能忽略。比例尺過小導(dǎo)致模型軸壓比與原模型軸壓比的比例失真，墻肢破壞表現(xiàn)出小軸壓比的破壞現(xiàn)象，不能很好的體現(xiàn)出罕遇地震下結(jié)構(gòu)的真實(shí)破壞機(jī)理。文獻(xiàn)[6]試驗(yàn)結(jié)果表明，剪力墻結(jié)構(gòu)破壞主要發(fā)生在與墻肢相連的連梁端部，連梁是短肢剪力墻的薄弱環(huán)節(jié)。規(guī)程對于剪力墻結(jié)構(gòu)關(guān)于樓層最大層間位移與層高之比的限值對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)來說過于嚴(yán)格。短肢剪力墻墻體縱筋配筋率不宜小于1.2%，其他部位不宜小于1.0%的規(guī)定過于保守，結(jié)構(gòu)剛度偏大，規(guī)范對短肢剪力墻的布置、抗震等級及其軸壓比限值等給出了比普通剪力墻更為嚴(yán)格的限制，而對短肢剪力墻的計(jì)算模型、適用高度和構(gòu)造措施等均未明確說明。王威等[7]對雙向加載下波形鋼板剪力墻抗震性能進(jìn)行研究，提出雙向加載下的鋼板剪力墻面內(nèi)抗震性能出現(xiàn)不可忽視的削弱，并且滯回曲線出現(xiàn)明顯的捏攏現(xiàn)象，認(rèn)為雙向地震作用對構(gòu)件的削弱不可忽視，建議適當(dāng)增加安全系數(shù)。Martinelli等[8]對7層足尺剪力墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行非線性動(dòng)力分析，分析結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好，受試驗(yàn)條件限制，足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭荒苋〕龊唵谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)和計(jì)算，不具備普遍性。因此，有必要開展大比例尺、全人工質(zhì)量的剪力墻結(jié)構(gòu)體系模型試驗(yàn)。

我國近期大型地震主要發(fā)生在剪力墻結(jié)構(gòu)分布較少的地區(qū)，剪力墻震害現(xiàn)象較少，2010年2月27日發(fā)生在南美洲智利的8.8級地震中，高層剪力墻結(jié)構(gòu)破壞比較嚴(yán)重，文獻(xiàn)[9-13]中震害表明，不合理的邊緣構(gòu)件設(shè)置、軸壓比過大、構(gòu)造要求不合理等是造成高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系破壞的直接原因，規(guī)范滯后成為居住要求提高的主要瓶頸，也是地震震害產(chǎn)生的根本原因。文獻(xiàn)[14]提及到的位于智利的Concepción市15層Alto Río剪力墻居民樓整體倒塌，主要可能破壞原因是受力鋼筋屈服、箍筋屈服、受壓區(qū)混凝土破壞、墻體剪切破壞。高層倒塌會導(dǎo)致大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失，開展大比例尺振動(dòng)臺實(shí)際模型試驗(yàn)研究大震下剪力墻抗震結(jié)構(gòu)體系的破壞機(jī)制成為目前迫切需要解決的問題，基于此筆者以某高層住宅樓為原型，以1/8大比例尺為幾何相似關(guān)鍵參數(shù)，開展震動(dòng)臺試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)損傷及地震響應(yīng)，為該類建筑的施工與設(shè)計(jì)、加固與改造提供一定的技術(shù)支持。

1 振動(dòng)臺試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，模型取自課題組在某地區(qū)抗震普查中比較典型的住宅樓為試驗(yàn)體，共15層，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組一組，場地類別為Ⅱ類，層高2.9 m，總高度為43.5 m，剪力墻厚度為200 mm，受力鋼筋采用RRB400，箍筋采用HPB300，墻體混凝土采用C30，1～3層連梁截面尺寸為200×500，4～15層尺寸為200×400，板厚為120。連梁、板混凝土采用C30?；撅L(fēng)壓0.35 kN/m2，基本雪壓0.55 kN/m2，活載為0.2 kN/m2，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)按照2010版以后相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)。模型采用配合比為：1∶3.2∶0.6的砂漿，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試7 d，14 d，28 d強(qiáng)度，考慮施工、制作等因素，選定M7.5的砂漿作為最終的模型用材料。受力筋采用鍍鋅鐵絲Φ2.5，Φ1.6，分布鋼筋及箍筋采用配點(diǎn)焊鐵絲網(wǎng)，根據(jù)試驗(yàn)條件，采用全人工質(zhì)量配重，配置人工質(zhì)量14 t，結(jié)構(gòu)體系以剪力墻為為主，構(gòu)件布置圖如圖1所示，模型施工、竣工圖如圖2所示。

圖1 構(gòu)件圖Fig.1 Component diagram

圖2 模型施工圖Fig.2 Model construction drawing

1.2 試驗(yàn)相似比

動(dòng)力相似比通過似量綱分析[15]等方法先確定模型的主要參數(shù)相似比，再確定其他參數(shù)相似比。本文采用大比例尺，全人工質(zhì)量[16]以更好的與實(shí)際模型的受力匹配，各物理量的相似關(guān)系如表1所示。

表1 模型相似比Tab.1 Model similarity ratio

1.3 傳感器布置

試驗(yàn)主要目的是測試結(jié)構(gòu)各層加速度、位移、扭轉(zhuǎn)、應(yīng)變等地震響應(yīng)，在質(zhì)心布置水平和豎向3個(gè)方向加速度傳感器30個(gè)，在角部布置兩個(gè)方向拉線位移計(jì)12個(gè)，聯(lián)肢墻，長墻布置相應(yīng)的應(yīng)變片測試墻體及連梁的受力狀態(tài)，傳感器布置如圖3所示。

圖3 傳感器布置Fig.3 Sensor layout

1.4 地震波加載制度

為研究不同地震動(dòng)輸入對剪力墻結(jié)構(gòu)影響，參考翟長海等[17-18]及GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的選波原則，考慮結(jié)構(gòu)的基本周期及波的頻譜特性，選擇El Centro(Array #9)，Taft (NO. 095)，Wolong (051WCW)3條典型地震動(dòng)，罕遇地震下的3條地震動(dòng)輸入時(shí)程曲線，經(jīng)歸一化的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與地震輸入反應(yīng)譜對比如圖4所示，選擇持時(shí)較長的Wolong波主要研究地震輸入持時(shí)對結(jié)構(gòu)的不利影響。2工況～4工況分別沿結(jié)構(gòu)單向、雙向、三向輸入El Centro波，其他工況地震動(dòng)按照原波三向(X，Y，Z)輸入到模型中，按照不同設(shè)防烈度分38次逐級調(diào)整峰值加速度，并分別進(jìn)行白噪聲掃頻以研究頻率衰減規(guī)律，具體加載制度如表2所示。在經(jīng)歷各級地震動(dòng)地震后，輸入7度中震強(qiáng)度，驗(yàn)算余震后模型的地震響應(yīng)，為以后該類結(jié)構(gòu)的加固與改造提供技術(shù)參考。

圖4 設(shè)計(jì)譜與地震輸入譜對比圖Fig.4 Comparison chart of design spectrum and seismic input spectrum

表2 振動(dòng)臺加載工況Tab.2 Vibration table loading conditions

2 模型破壞特征

2.1 剛度退化

試驗(yàn)通過10次白噪聲掃頻，確定結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)輸入下的剛度退化規(guī)律，研究結(jié)構(gòu)的破壞程度，采用有限元及YJK設(shè)計(jì)軟件分別計(jì)算原模型第一周期為1.256，1.278，結(jié)構(gòu)的周期相似比為2.828，得到模型結(jié)構(gòu)的一階周期理論值分別0.444，0452，通過白噪聲掃頻由Y向15層、Y向9層、X向15層采集的數(shù)據(jù)分析得到模型結(jié)構(gòu)的一階周期分別為0.420，0.438，0.445，最大誤差為5.4%，說明原結(jié)構(gòu)與模型結(jié)構(gòu)的周期吻合良好。一階頻率退化趨勢如圖5所示：結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷7度基本烈度后開展第4次白噪聲掃頻，頻率降低不明顯說明結(jié)構(gòu)損傷不嚴(yán)重。第5～第7次掃頻，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷7度、8度罕遇地震后，結(jié)構(gòu)剛度退化較為嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)體系中長肢墻出現(xiàn)大量繼續(xù)延伸的斜向裂縫，短肢剪力墻出現(xiàn)水平彎曲裂縫。第8～第10次掃頻，結(jié)構(gòu)剛度退化較慢，結(jié)構(gòu)位移變化明顯，構(gòu)件出現(xiàn)水平和斜向裂縫，混凝土局部出現(xiàn)壓潰破壞現(xiàn)象。

圖5 一階頻率退化規(guī)律Fig.5 First-order frequency degradation law

2.2 試驗(yàn)破壞現(xiàn)象

通過布設(shè)128個(gè)加速度、位移等傳感器對短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行全面采集數(shù)據(jù)，并觀察結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)，如圖6～圖11所示。7度多遇地震設(shè)防烈度下，主要抗側(cè)力構(gòu)件GBZ2承受水平地震作用，產(chǎn)生水平裂縫，如圖10所示。9度罕遇地震設(shè)防烈度下，YBZ11出現(xiàn)與智利地震類似的距離底部約束端的水平通縫，結(jié)構(gòu)的剛度急劇下降，說明結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，如圖8所示。在8～15工況下，長肢剪力墻主要發(fā)生斜向裂縫，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的主要破壞特征為剪切破壞，如圖8所示，在20工況后長肢剪力墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)邊緣約束構(gòu)件的水平橫向受拉裂縫，連梁產(chǎn)生豎向、斜向裂縫，如圖11所示。整體結(jié)構(gòu)的破壞集中分布在9層以下部位，長肢墻的破壞主要分布在1～4樓層，整體結(jié)構(gòu)體系中長肢墻作為抗震第一道防線，有效的耗散地震能量，短肢墻體的破壞并不十分嚴(yán)重。

圖6 左側(cè)山墻體整體破壞Fig.6 Overall destruction of the left gable

圖7 左側(cè)墻體細(xì)部破壞Fig.7 Detail damage of left wall

圖8 YBZ11出現(xiàn)的水平通縫Fig.8 YBZ11 horizontal penetrating gap

圖9 右側(cè)YBZ2墻體產(chǎn)生塑性鉸區(qū)Fig.9 Plastic hinge zone on the YBZ2 wall on the right

圖10 長墻裂縫開展變化趨勢Fig.10 Development trend of long wall cracks

圖11 連梁根部產(chǎn)生的豎向裂縫Fig.11 Vertical cracks at the root of the connecting beam

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加速度反應(yīng)分析

課題組分別按照單向、雙向、三向輸入峰值加速度為35 Gal的El Centro波并采集各個(gè)關(guān)鍵樓層的加速度響應(yīng)，如圖12所示。從試驗(yàn)分析曲線可以看出，在8層、9層加速度有突變，與數(shù)值分析結(jié)果吻合度很高，分析原因是在8層、9層結(jié)構(gòu)的變形曲線存在一個(gè)拐點(diǎn)，是由于在該兩層的加速度響應(yīng)不同導(dǎo)致出現(xiàn)拐點(diǎn)。彈性階段各個(gè)位置傳感器測試的加速度的放大系數(shù)吻合度很高，說明中國地震局工程力學(xué)研究所研制的FBA-12型力平衡加速度傳感器可以可靠的測試彈性階段的建筑物的加速度。從分析的數(shù)據(jù)看，7度多遇地震作用下，按照單向、雙向、三向輸入地震動(dòng)所得各個(gè)樓層加速度的響應(yīng)最大誤差在7層，誤差值為11.4%，最小誤差為1.8%，分布在第5層，各層的平均誤差小于10%，其精度在工程領(lǐng)域的多遇地震作用的抗震設(shè)計(jì)中是足夠滿足的，因此，在設(shè)計(jì)某個(gè)方向規(guī)則的抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)可按照單向輸入地震動(dòng)開展相關(guān)設(shè)計(jì)。換言之，對于規(guī)則的建筑，在不考慮扭轉(zhuǎn)響應(yīng)的影響下，可按照單向輸入地震動(dòng)開展彈性階段設(shè)計(jì)。進(jìn)入塑性階段，考慮損傷影響，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不容忽視，彈性階段的結(jié)論不能夠用于塑性階段的設(shè)計(jì)。從分析數(shù)據(jù)看，1～8層加速度放大在3種輸入方式下基本一致或者吻合，8層以上，即拐點(diǎn)以上部分的加速度放大系數(shù)對次要方向的地震動(dòng)輸入依賴性較強(qiáng)，對地震動(dòng)的輸入方向的敏感性較高。另外，從地震加速度放大系數(shù)分布看，頂層的加速度放大系數(shù)為2.6～3.0，頂層結(jié)構(gòu)的層間剪力較大，與華南理工大學(xué)周靖關(guān)于超高層鋼管混凝土重力柱-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺試驗(yàn)研究[19]的結(jié)果高度吻合，頂層結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)的表現(xiàn)特性，證明在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中頂層墻體的地震剪力要做加強(qiáng)，是否類似鞭稍效應(yīng)影響尚需進(jìn)一步研究。

圖12 不同輸入模式下的El Centro波加速度放大倍數(shù)Fig.12 Acceleration amplification factor in different input

如圖13所示，由1層、8層、15層各地震波作用下的豎向地震加速度放大的分布數(shù)據(jù)可以得出，結(jié)構(gòu)在8層豎向地震作用放大系數(shù)在2.0～3.5，8層豎向加速度放大系數(shù)接近15層豎向加速度放大系數(shù)的2倍，結(jié)構(gòu)在9度大震烈度，Taft波、Wolong 波作用下8層的豎向加速度放大系數(shù)在3.0～4.3，對于Taft波、Wolong 波下結(jié)構(gòu)經(jīng)歷大震損傷后，7度余震下結(jié)構(gòu)的豎向地震放大作用加大，El Centro波在大震輸入下的豎向反應(yīng)不明顯，由數(shù)據(jù)分析得，結(jié)構(gòu)豎向響應(yīng)對地震動(dòng)類型依賴程度很高。由此可得出剪力墻結(jié)構(gòu)在損傷后要考慮中部樓層的豎向地震作用引起的附加重力二階效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的不利影響，在結(jié)構(gòu)體系經(jīng)歷大震損傷后豎向地震作用會明顯增加各個(gè)豎向構(gòu)件的軸力，是在結(jié)構(gòu)損傷后期導(dǎo)致軸壓破壞的重要因素。

圖13 不同烈度不同地震動(dòng)輸入下結(jié)構(gòu)豎向加速度放大倍數(shù)Fig.13 Amplification coefficient of vertical acceleration of structure under different intensities and different ground motions

分析了各個(gè)工況下不同地震動(dòng)峰值加速度放大系數(shù)包絡(luò)圖，如圖14所示，結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)作用下，7度小震和7度中震的加速度放大倍數(shù)基本是一致的。7度大震后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的破壞，結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，對應(yīng)結(jié)構(gòu)第14～第16工況，對應(yīng)結(jié)構(gòu)第5次白噪聲掃頻，結(jié)構(gòu)頻率降低17.43%，剛度退化嚴(yán)重。與圖7所描述的長肢剪力墻結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)斜裂紋破壞描述是一致的。頂層結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)的放大倍數(shù)在2～3，與El Centro波彈性階段的頂層放大倍數(shù)基本一致。證明高層建筑設(shè)計(jì)中要充分考慮頂層豎向承重構(gòu)件的抗剪切承載力的加強(qiáng)。經(jīng)過7度大震后，由于損傷累計(jì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的塑性變形，部分砂漿退出工作，結(jié)構(gòu)的層剛度嚴(yán)重退化，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)比較明顯，結(jié)構(gòu)每層的加速度放大系數(shù)明顯降低。在9度罕遇地震工況中，El Centro、Taft地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)放大倍數(shù)小于1，通過第9次白噪聲掃頻，得出頻率降低了58.5%，可見結(jié)構(gòu)整體剛度退化嚴(yán)重。YBZ11出現(xiàn)與智利地震類似的水平剪切破壞通縫。在經(jīng)過9度大震后，輸入7度中震地震動(dòng)，開展余震下?lián)p傷結(jié)構(gòu)體系的研究，由圖14所示，損傷后的結(jié)構(gòu)體系整體剛度退化嚴(yán)重，不具備繼續(xù)承受荷載的能力，必須采取加固措施。結(jié)構(gòu)由于是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，因?yàn)檩^高的配筋率，其延性較好，經(jīng)歷9度罕遇地震后，結(jié)構(gòu)并無倒塌的現(xiàn)象。說明結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)三水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，完成7度大震下結(jié)構(gòu)不倒塌的設(shè)計(jì)要求，證明該結(jié)構(gòu)體系的合理性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖14 不同烈度不同地震動(dòng)輸入下各層加速度放大系數(shù)Fig.14 Acceleration amplification factor of each layer under different seismic intensity and different ground motion input

3.2 位移反應(yīng)分析

沿著結(jié)構(gòu)的單向、雙向、三向輸入峰值加速度為35 Gal的EL Centro波，分析結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)如圖15所示。結(jié)構(gòu)在8層以下，層位移值基本一致，基本不受輸入方向的影響。8層以上沿著3個(gè)方向輸入地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)的位移影響比較大。以7～8層層間位移角為例，結(jié)構(gòu)7～8層在沿單向、雙向、三向的層間位移角分別為1/1 721，1/1 520，1/1 410均小于高層技術(shù)規(guī)程規(guī)定的1/1 000，說明該結(jié)構(gòu)體系能較好的滿足彈性位移限值要求。兩者之間誤差最大值為18.07%，說明三向輸入地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)的層間位移角影響較大。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，建議高層設(shè)計(jì)在彈性時(shí)程計(jì)算中，按照三向地震動(dòng)輸入計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。

圖15 彈性階段不同輸入方式下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)Fig.15 Structural displacement response under different input modes in elastic stage

研究不同地震動(dòng)輸入下不同烈度的結(jié)構(gòu)位移曲線，由圖16分析得到：結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷7度大震后結(jié)構(gòu)層間位移產(chǎn)生第一次較大變化，但層間位移角變化并不明顯，8度罕遇地震下結(jié)構(gòu)位移較7度烈度位移變化明顯，層間位移角明顯變大，對應(yīng)結(jié)構(gòu)第22～第24工況，此刻連梁發(fā)生剪切破壞，長肢墻與短肢墻不再協(xié)同工作，整體結(jié)構(gòu)剛度降低較快，與白噪聲掃頻剛度退化的數(shù)據(jù)一致。9度罕遇地震下的位移角增加顯著，最大位移角發(fā)生在7層、8層、9層，位移變化量較8度變化梯度減弱，但結(jié)構(gòu)尚未倒塌，說明結(jié)構(gòu)基于性態(tài)的設(shè)計(jì)理念要充分考慮承載能力及使用狀態(tài)兩種設(shè)計(jì)要求，對結(jié)構(gòu)要基于位移及承載力均要進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)算。在El Centro波、Taft波作用下分析橫向短肢墻結(jié)構(gòu)體系的位移變化規(guī)律，結(jié)構(gòu)在7度小震下仍然處于彈性階段，7度中震的頂層變形量基本為彈性位移的2倍，7度余震下的位移接近彈性位移的3倍。但是，Wolong波從設(shè)計(jì)譜與地震動(dòng)輸入譜對比圖看，在第一周期處并未包絡(luò)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，從試驗(yàn)結(jié)果可以統(tǒng)計(jì)出，其彈塑性層間位移角與彈性位移角的差別較大，說明彈塑性位移角與彈性位移角接近的前提是長周期(周期大于0.8 s)、在弱和中等非線性階段，并且地震動(dòng)反應(yīng)譜要包絡(luò)相對應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，可應(yīng)用等位移原理。補(bǔ)充了孫景江等[20]提出的等位移原理的假設(shè)條件，進(jìn)一步驗(yàn)證等位移原理的合理性。位移變化曲線與圖14描述的加速度變化曲線的變化趨勢吻合良好。對于7度余震作用下，3種地震動(dòng)下的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)在8層以上的位移變化較大，在8層以下較7度中震下的變形基本一致。說明余震對震后損傷的高層建筑的頂層影響較大，建議嚴(yán)格驗(yàn)算震損后的高層結(jié)構(gòu)頂層位移限值。Wolong波在7度各地震動(dòng)輸入中位移變化基本不明顯，從整體結(jié)構(gòu)的位移曲線分析，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)屬于彎剪型變形曲線，很好的說明長肢墻體作為抗震的第一道防線，短肢剪力墻作為抗震的第二道防線，可以有效的實(shí)現(xiàn)抗震的三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。

圖16 不同地震動(dòng)輸入下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分布Fig.16 Displacement response distribution of structure under different ground motion input

按照高層技術(shù)規(guī)程，剪力墻結(jié)構(gòu)在彈性范圍的層間位移角限值為1/1 000，塑性層間位移角限值為1/120，結(jié)構(gòu)體系按照7度設(shè)防設(shè)計(jì)，7層、8層層間位移角試驗(yàn)及數(shù)值分析結(jié)果，如表3所示。試驗(yàn)與數(shù)值分析吻合良好，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系有較好的抗震性能，層間位移角可以滿足結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷損傷后，余震下的層間位移角依然可滿足規(guī)范要求，因此可證明該結(jié)構(gòu)體系可以較好的實(shí)現(xiàn)基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

表3 試驗(yàn)及數(shù)值分析層間位移角限值對比Tab.3 Comparison of experimental and numerical analysis of displacement angle limits between layers

4 結(jié) 論

(1) 通過頻譜分析輸入3條不同地震動(dòng)，研究剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度退化規(guī)律及損傷特點(diǎn)，經(jīng)掃頻得模型周期為0.434，與通過相似準(zhǔn)則計(jì)算的原結(jié)構(gòu)模型周期0.444基本一致，說明結(jié)構(gòu)可以很好的反演原模型結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷7度罕遇地震作用下剛度退化速率較大，對應(yīng)長肢剪力墻斜向裂縫延伸，短肢墻出現(xiàn)不同的水平彎曲裂縫，連梁端部出現(xiàn)斜向剪切裂縫，墻體不能協(xié)同工作，9度地震動(dòng)輸入后，中心部位YBZ11長墻作為抗震第一道防線出現(xiàn)與智利地震類似的墻體剪切破壞通縫。

(2) 7度多遇地震作用下，按照單向、雙向、三向輸入地震動(dòng)所得各個(gè)樓層加速度的響應(yīng)最大誤差在7層，誤差值為11.4%，最小誤差為1.8%，分布在第5層，各層的平均誤差小于10%，其精度在工程領(lǐng)域的多遇地震作用的抗震設(shè)計(jì)中是足夠滿足的。開展豎向地震動(dòng)放大系數(shù)分析，結(jié)構(gòu)在8層豎向地震作用放大系數(shù)在2.0～3.5，8層豎向加速度放大系數(shù)接近15層豎向加速度放大系數(shù)的2倍，結(jié)構(gòu)在9度大震烈度Taft波、Wolong 波作用下8層的豎向加速度放大系數(shù)在3.0～4.3。大震下豎向地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)軸向作用不可忽略。開展水平地震動(dòng)放大系數(shù)分析，得出7度小震和7度中震的加速度放大倍數(shù)基本是一致的。7度大震后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的破壞，結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，對應(yīng)結(jié)構(gòu)第14～第16工況，結(jié)構(gòu)第5次白噪聲掃頻后，結(jié)構(gòu)頻率降低17.43%，剛度退化嚴(yán)重。在9度罕遇地震工況中，El Centro波、Taft地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)放大倍數(shù)小于1，通過第9次白噪聲掃頻，得出頻率降低了58.5%，可見結(jié)構(gòu)整體剛度退化嚴(yán)重。

(3) 結(jié)構(gòu)在7度大震下依然能夠滿足框架結(jié)構(gòu)的彈性位移限值，在經(jīng)歷8度大震后層間位移角明顯變大。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明：在周期大于0.8 s，位移反應(yīng)在弱和中等線性階段，地震動(dòng)反應(yīng)譜在前幾階周期處能夠包絡(luò)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的條件下可應(yīng)用等位移原理進(jìn)行彈塑性層間位移角的估計(jì)計(jì)算。各個(gè)工況下結(jié)構(gòu)層間位移角能夠很好的滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的彈性、塑性限值要求。