摘要為研究某框筒結(jié)構(gòu)高層建筑的抗震性能，建立了縮尺比例為1/50的簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ停�并采用ANSYS驗(yàn)證了試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化方法的可靠性。通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)得到了模型結(jié)構(gòu)在不同烈度地震荷載作用下的固有特性和動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)該高層建筑的抗震性能進(jìn)行了分析。將試驗(yàn)推算數(shù)據(jù)和原型結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。研究結(jié)果表明，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化方法能夠滿足高層建筑抗震性能試驗(yàn)研究的要求;試驗(yàn)數(shù)據(jù)按相似比推算至原型后與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相吻合，驗(yàn)證了原型結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震設(shè)防要求。研究方法和成果可為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化以及高層建筑抗震性能研究提供參考。

　　關(guān)鍵詞框架-核心筒結(jié)構(gòu)，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，數(shù)值模擬，動(dòng)力反應(yīng)，抗震性能

　　o引言

　　框架一核心筒結(jié)構(gòu)已成為大型商務(wù)高層建筑的常用結(jié)構(gòu)形式。由于基于反應(yīng)譜法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件只能計(jì)算出結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大動(dòng)力反應(yīng)量，而無(wú)法獲得結(jié)構(gòu)的完整時(shí)程響應(yīng)。因此，我國(guó)抗震規(guī)范m規(guī)定在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，應(yīng)采用時(shí)程分析法對(duì)其抗震性能做補(bǔ)充驗(yàn)算。相比大型有限元軟件的動(dòng)力時(shí)程分析，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以其精確性、直觀性和可靠性而廣為使用。我國(guó)學(xué)者采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)從不同的角度對(duì)高層建筑的抗震性能進(jìn)行了研究。唐興榮等⑵對(duì)帶有疊層桁架轉(zhuǎn)換層的上海裕年國(guó)際商務(wù)大廈進(jìn)行了抗震性能研究，通過1：25的縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，獲得了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和破壞機(jī)理，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的良好抗震性能。

　　呂西林等⑶對(duì)一個(gè)12層的鋼一混凝土豎向混合框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了抗震性能研究，通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)獲得了鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)的抗震性能。然而，隨著高層建筑設(shè)計(jì)高度不斷增大，大比例尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹亓亢透叨纫搽S之增大，從而對(duì)振動(dòng)臺(tái)的承載力和試驗(yàn)空間高度提出了新的挑戰(zhàn)。由于振動(dòng)臺(tái)設(shè)備以及改造試驗(yàn)空間高度所需的成本較高，本文采用一種試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化方法⑷建造大比例尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，以達(dá)到減小試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭亓考案叨鹊哪康摹Ｍㄟ^模型簡(jiǎn)化方法的數(shù)值對(duì)比計(jì)算驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化方法的可靠性。根據(jù)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果，分析了模型結(jié)構(gòu)在不同烈度地震作用下的固有特性和動(dòng)力響應(yīng)。將試驗(yàn)結(jié)果按相似比推算至原型，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該高層建筑抗震性能能夠滿足我國(guó)抗震規(guī)范的各項(xiàng)要求。研究成果可為振動(dòng)臺(tái)模型簡(jiǎn)化和高層建筑抗震性能研究提供參考。

　　1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

　　1.1原型結(jié)構(gòu)

　　該高層建筑位于合肥市，地上41層，地下5層，總建筑面積95027n?。結(jié)構(gòu)形式為框架一核心筒結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，特征周期0.35g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1go梁和樓板采用C40混凝土，剪力墻采用C50混凝土，框架柱采用C60混凝土，受力鋼筋主要采用HRB400和HPB300兩種規(guī)格。

　　1.2模型的簡(jiǎn)化

　　該建筑地下共4層，相比周圍的地基土而言，地下結(jié)構(gòu)的剛度較大。因此，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎霉潭ɑ�礎(chǔ)，即上部結(jié)構(gòu)通過螺栓直接固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上。考慮到振動(dòng)臺(tái)的承載力以及試驗(yàn)場(chǎng)地空間限制，確定模型尺寸為原型的1/50，并采用抽層的方法對(duì)原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。將各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層中相鄰的上下樓板抽去，并將所抽去樓板的恒活荷載平均分配至相鄰的上下層樓板。同時(shí)，采用強(qiáng)度和剛度等效原理對(duì)柱和核心筒截面進(jìn)行修正。最終將41層的原型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為了縮尺比例為1/50的20層試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

　　1.3相似比例的確定

　　振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的相似比關(guān)系根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠癫捎迷�型材料而不同。本試�?yàn)采用非原型材料進(jìn)行模擬，用不同強(qiáng)度微�；炷�土來(lái)模擬原型結(jié)構(gòu)的混凝土，材料的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。選用抗拉屈服強(qiáng)度為295MPa的鍍鋅鐵絲近似模擬原型結(jié)構(gòu)中框架梁、樓板和剪力墻中的主筋14引。采用Buckinghamtt定理確定了物理量的相似比例。

　　1.4模型簡(jiǎn)化方法可靠性驗(yàn)證

　　模型簡(jiǎn)化前，采用有限元軟件ANSYS建立了原型結(jié)構(gòu)和抽層后的簡(jiǎn)化數(shù)值模型，通過對(duì)比地震作用下的時(shí)程分析結(jié)果，以驗(yàn)證模型簡(jiǎn)化方法的可靠性。選擇梁?jiǎn)卧?BEAM188)模擬框架梁和柱，殼單元(SHELL181)模擬剪力墻和樓板，模型底部均采用固定端約束。由計(jì)算結(jié)果可知，原型結(jié)構(gòu)的低階振型與簡(jiǎn)化模型一致。

　　前兩階振型分別為沿y軸和X軸方向的彎曲;第三振型為扭轉(zhuǎn)振型;第四、五階振型分別為沿丫軸和X軸方向的剪切變形，且均具有一個(gè)反彎點(diǎn)。將兩個(gè)模型的固有周期、最大層間位移和最大層間位移角進(jìn)行對(duì)比。固有周期最大誤差為2.6%，層間位移的最大誤差為5.42%，層間位移角的最大誤差為8.56%。簡(jiǎn)化模型的結(jié)構(gòu)特性與原型結(jié)構(gòu)較為接近，因此該簡(jiǎn)化方法是可行的，簡(jiǎn)化后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢宰鳛樵囼?yàn)的研究對(duì)象。

　　2試驗(yàn)結(jié)果分析

　　2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸逃刑匦?/p>

　　通過四次白噪聲掃頻，得到了固有頻率隨地震峰值加速度增大而發(fā)生的變化。由幅頻曲線，采用半功率帶寬法得到了結(jié)構(gòu)在不同地震烈度作用后的阻尼比。各階段固有頻率和阻尼比的計(jì)算結(jié)果如表9所示。隨著地震峰值加速度的增大，結(jié)構(gòu)的X軸和y軸方向的固有頻率均不斷減小，阻尼比均不斷增大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度也隨之減小。經(jīng)歷了7度多遇和7度罕遇地震，結(jié)構(gòu)X軸和y軸固有頻率的降幅分別為9.7%和12.2%，由于剛度變化的比率是頻率變化比率的平方倍，因此y軸方向水平抗側(cè)剛度相比X軸降低更為明顯。

　　8度罕遇地震作用后結(jié)構(gòu)x軸和r軸固有頻率的降幅分別為23.6%和18.3%，結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了破壞，剛度減小，固有頻率與受到地震激勵(lì)之前有較大變化。9度罕遇地震作用后結(jié)構(gòu)X軸和y軸固有頻率的降幅分別為37.5%和26.8%，結(jié)構(gòu)的破壞加重。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的模型X軸方向第一和第三階的平動(dòng)振型。由于框架和核心筒的振動(dòng)特性不同，框架的變形呈剪切形，核心筒的變形呈彎曲形，兩者組合后使得X軸第一階振型呈彎剪形，第三階振型岀現(xiàn)了反彎點(diǎn)，該結(jié)果與ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

　　2.2加速度響應(yīng)

　　加速度響應(yīng)表征了結(jié)構(gòu)振動(dòng)劇烈的程度，展示了結(jié)構(gòu)頂部角點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線。為便于描述整個(gè)結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，定義加速度放大系數(shù)為模型各層與基底加速度最大絕對(duì)值的比值[8-l01o各工況下模型的放大系數(shù)。在三種地震波作用下，各樓層的動(dòng)力放大系數(shù)均小于3.0，屋蓋最大動(dòng)力放大系數(shù)為3.98，結(jié)構(gòu)各層的動(dòng)力響應(yīng)無(wú)突變現(xiàn)象，鞭梢效應(yīng)較明顯。

　　2.3位移響應(yīng)

　　由于位移計(jì)布置得較少，為了獲得結(jié)構(gòu)更多的位移響應(yīng)，通過MATLAB軟件將加速度轉(zhuǎn)換成頻域后再進(jìn)行二次積分，最后再將頻率積分結(jié)果轉(zhuǎn)換為時(shí)域，即可得到點(diǎn)位的位移時(shí)程。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到了不同工況下試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲗拥淖畲髮娱g位移和層間位移角。

　　3試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

　　3.1數(shù)值模型

　　由于原型建筑采用YJK軟件設(shè)計(jì)，直接采用該軟件的結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊進(jìn)行有限元建模，其時(shí)程計(jì)算結(jié)果能更準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。因此，本文采用YJK軟件的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。YJK軟件采用梁?jiǎn)卧�模擬框架柱、框架梁和次梁，采用殼單元模擬樓板和剪力墻，模型底部采用固定端約束。

　　4結(jié)論

　　本文通過對(duì)某高層建筑進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到結(jié)論如下：

　　(1)采用抽層以及強(qiáng)度和剛度等效原則建立的簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型建筑的固有特性和動(dòng)力響應(yīng)誤差較小，驗(yàn)證了試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?jiǎn)化方法的可靠性，該方法可為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮?jiǎn)化設(shè)計(jì)提供參考。

　　(2)試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖畲髣?dòng)力反應(yīng)量均小于我國(guó)抗震規(guī)范中各項(xiàng)限值規(guī)定，且滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防要求。

　　(3)試驗(yàn)結(jié)果按相似比推算至原型結(jié)構(gòu)后，與有限元軟件模擬結(jié)果較為接近，證明了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和研究方法的正確性。

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　　建筑工程師論文投稿刊物：《建筑結(jié)構(gòu)》為面向全國(guó)建筑工程界的科技刊物，是我國(guó)建筑科學(xué)類核心期刊和建設(shè)部?jī)?yōu)秀科技期刊�！督ㄖ�結(jié)構(gòu)》以服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、繁榮建筑科學(xué)技術(shù)、推動(dòng)我國(guó)建筑科學(xué)技術(shù)進(jìn)步為宗旨;以實(shí)用性、科學(xué)性、系統(tǒng)性、導(dǎo)向性和信息資料性為特色，是我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)、土木工程領(lǐng)域的一份重要刊物。