D0I:10.13374/i.issnl001153.2008.11.020 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2008 不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 张举兵)牟在根)孙杰12)邓新穗)赵鹏飞) 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)中国建筑科学研究院，北京100013 3)广州市市政工程设计研究院，广州510060 摘要为研究高柱支承框架结构的抗震性能，对一V形支撑立面不规则体型高层钢框架结构进行了1/12整体模型模拟地 震振动台试验，以主要结构动力特性、基底反力、柱底反力为控制目标制作模型并测试了其振型、阻尼比及其在7度多遇、7度 基本、7度罕遇烈度地震作用下的加速度和位移反应.模型总高4.65m,总质量59.2t,模拟地震波采用了El Centro波和人工 波·试验中结构表现出明显的扭转效应，悬挑部分的位移反应较大：地震波三向输入时，扭转反应比单向输入时大·根据试验 结果和相似理论，推导、分析了原型结构的地震反应，并对原型结构薄弱环节的抗震设计提出了建议， 关键词高层钢结构：振动台试验：地震反应：阻尼比：不规则体型 分类号TU317+.1 Shaking table test of a high-rise steel structure model with irregular type ZHA NG Jubing),MU Zaigen),SUN Jie2).DENG Xinsui).ZHAO Pengfei2) 1)School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China 2)China Academy of Building Research,Beijing 100013.China 3)Guangghou Municipal Engineering DesignResearch Institute.Guangzhou 510060.China ABSTRACT In order to study the aseismic performance of long"strut-braced steel frames,a shaking table test was carried out for a vertical irregular high"-rise steel structure model with a total height of 4.56m.The59.2t 1/12-scale model structure.which is mainly supported by V-shaped concrete-filled steel tube struts.was built to obtain the dynamic characteristics.foundation and column-end re- actions.The El Centro earthquake records and artificial waves were adopted to investigate the dynamic responses.Structure accelera" tion and displacement responses under the excitations of seven"degree frequent.basic,and rare eart hquakes were tested.As a result, the model exhibits considerable torsional effects:the displacements of protrudent parts are relatively greater.Compared with single di- rectional excitation,the torsional responses in three-dimensional exciting conditions are more intense.Based on the similitude theory and experimental results,the seismic responses of the prototype structure were deduced and some suggestions for improving aseismic vulnerabilities were proposed. KEY WORDS high-rise steel structure:shaking table test:seismic response:damping ratio:irregular type 振动台试验是实验室模拟地震的重要手段，比 接用原型进行试验，也只能利用缩尺模型的振动台 较接近实际地震时地面的运动情况以及地震对建筑 试验结果作为评价抗震能力的主要依据，为研究某 结构的作用情况，是研究结构地震破环机理和破坏 V形高柱支承的竖向不规则的框架钢结构的抗震性 模式、评价结构整体抗震能力的重要手段和方法，因 能，本文根据相似理论，采用缩尺模型，在振动台上 而在地震工程的理论研究和工程实际中得到了广泛 输入地震波进行激振试验，得到了模型的加速度、位 的应用，对于某些结构构件、电气产品、机械产品 移及关键构件应变的反应时程等参数：通过逐级加 等，当其体积和重量超过振动台的承载力时，不能直 大台面地震波输入，直接观察结构的破坏过程，找出 收稿日期：2007-10-30修回日期：2007-11-20 基金项目：北京自然科学基金资助项目(N。,8082017):北京市重点实验室开放基金资助项目 作者简介：张举兵(1974-)，男，讲师：牟在根(1960一)，男，教授，博士，E-mail:zgmu@ces.ustb-cdcm
不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 张举兵1） 牟在根1） 孙 杰12） 邓新穗3） 赵鹏飞2） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 中国建筑科学研究院北京100013 3） 广州市市政工程设计研究院广州510060 摘 要 为研究高柱支承框架结构的抗震性能对一 V 形支撑立面不规则体型高层钢框架结构进行了1／12整体模型模拟地 震振动台试验以主要结构动力特性、基底反力、柱底反力为控制目标制作模型并测试了其振型、阻尼比及其在7度多遇、7度 基本、7度罕遇烈度地震作用下的加速度和位移反应．模型总高4∙65m总质量59∙2t模拟地震波采用了 El Centro 波和人工 波．试验中结构表现出明显的扭转效应悬挑部分的位移反应较大；地震波三向输入时扭转反应比单向输入时大．根据试验 结果和相似理论推导、分析了原型结构的地震反应并对原型结构薄弱环节的抗震设计提出了建议． 关键词 高层钢结构；振动台试验；地震反应；阻尼比；不规则体型 分类号 TU317＋∙1 Shaking table test of a high-rise steel structure model with irregular type ZHA NG Jubing 1）MU Zaigen 1）SUN Jie 12）DENG Xinsui 3）ZHA O Pengfei 2） 1） School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） China Academy of Building ResearchBeijing100013China 3） Guangzhou Municipal Engineering Design ＆ Research InstituteGuangzhou510060China ABSTRACT In order to study the aseismic performance of long-strut-braced steel framesa shaking table test was carried out for a vertical irregular high-rise steel structure model with a total height of4∙56m．T he59∙2t1／12-scale model structurewhich is mainly supported by V-shaped concrete-filled steel tube strutswas built to obtain the dynamic characteristicsfoundation and column-end reactions．T he El Centro earthquake records and artificial waves were adopted to investigate the dynamic responses．Structure acceleration and displacement responses under the excitations of seven-degree frequentbasicand rare earthquakes were tested．As a result the model exhibits considerable torsional effects；the displacements of protrudent parts are relatively greater．Compared with single directional excitationthe torsional responses in three-dimensional exciting conditions are more intense．Based on the similitude theory and experimental resultsthe seismic responses of the prototype structure were deduced and some suggestions for improving aseismic vulnerabilities were proposed． KEY WORDS high-rise steel structure；shaking table test；seismic response；damping ratio；irregular type 收稿日期：2007-10-30 修回日期：2007-11-20 基金项目：北京自然科学基金资助项目（No．8082017）；北京市重点实验室开放基金资助项目 作者简介：张举兵（1974—）男讲师；牟在根（1960—）男教授博士E-mail：zgmu＠ces．ustb．edu．cn 振动台试验是实验室模拟地震的重要手段比 较接近实际地震时地面的运动情况以及地震对建筑 结构的作用情况是研究结构地震破坏机理和破坏 模式、评价结构整体抗震能力的重要手段和方法因 而在地震工程的理论研究和工程实际中得到了广泛 的应用．对于某些结构构件、电气产品、机械产品 等当其体积和重量超过振动台的承载力时不能直 接用原型进行试验也只能利用缩尺模型的振动台 试验结果作为评价抗震能力的主要依据．为研究某 Ⅴ形高柱支承的竖向不规则的框架钢结构的抗震性 能本文根据相似理论采用缩尺模型在振动台上 输入地震波进行激振试验得到了模型的加速度、位 移及关键构件应变的反应时程等参数；通过逐级加 大台面地震波输入直接观察结构的破坏过程找出 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．020
第11期 张举兵等：不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 .1231. 了结构薄弱环节；通过试验建立原型结构的整体力 数和模型材料性能实测值等多方面的因素后，确定 学计算模型和构件的恢复力模型，经选取适当的原 了本次试验所采用相似关系，见表1. 型结构参数，计算了原型结构的非线性地震反应，并 表1模型相似关系（原型/模型） 通过分析评价了原型结构的抗震能力 Table 1 Model similitude relation (prototype/model) 1模型设计与制作 物理量 应力 应变 弹性模量 密度 线尺寸 相似常数 1/4 12 某一不规则体型高层建筑主体结构为钢结构， 物理量 频率 加速度 速度 时间 线位移 采用比较特殊的钢框架结构体系，建筑屋面标高 相似常数 1/6 1/3 0.5 6 12 50.000m,其中的第一层和第二层为钢筋混凝土裙 房结构：裙房之上，8根钢管混凝土柱支撑着转换层 1.2 模型材料 的双向桁架结构：主体钢结构就坐落于此转换桁架 原型与模型所用材料的对应关系见表2. 上，8根钢管混凝土柱与其他裙房柱均延伸至地下 表2原型结构与模型间的材料对应关系 室一5.800m标高处，该建筑体型较为特殊，上部 Table 2 Material corresponding relation of the prototype structure and 11层主体结构坐落于转换层上，转换层以下为8根 model 竖直的或带有一定斜度的钢管混凝土柱；转换层本 部位 原型材料 模型材料 身为带悬挑的双向钢桁架结构，转换层以上的结构 主体钢结构 钢材Q345B 钢材Q345B 采用钢柱、钢一混凝土组合梁、钢筋混凝土楼板，建 钢管混凝土柱内 C60混凝土 C60混凝土 筑物基本设防烈度为7度，设计基本地震加速度为 混凝土楼板 C40混凝土 配双层钢丝网的砂浆 0.10g（g为重力加速度)，地震分组为第一组，场地 类别为Ⅱ类 1.3 模型制作 鉴于模型试验考察的重点在主体钢结构，且裙 模型材料以钢材为主；构件间的连接均以焊接 房高度低，结构形式简单，所以以结构主要特性、基 的方式实现；主要构件均没有现成的型材，均由板材 底反力、钢管混凝土柱底反力为控制目标，对结构进 焊接而成，所以焊接工作量较大；由于体型较为复 行理论分析和试验研究.对于模型设计按动力相似 杂，构件的定位、连接存在较大的困难，特别是转换 理论进行，构件正截面承载力按受弯承载力等效、斜 层的双向桁架部分；结构下部的倾斜钢管混凝土柱 截面承载力按受剪等效的原则进行模拟，首先确定 是变直径的，此变直径杆件的直径由140mm变为 结构的几何和物理（此处主要指弹性模量）相似常 100mm,杆件长度约为1000mm,因此其制作工艺 数，并由此得到反映相似模型整个物理过程的其他 较为复杂 相似条件.本次设计制作的1/12的钢结构整体模 2模拟地震振动台试验 型竣工后的底座和模型总高度4.65m,总质量 59.2t,模型自重6.2t,配重40.5t,底板12.5t:试 2.1加速度传感器的布置 验模型见图1. 布置加速度传感器的目的在于测试振型、加速 度放大倍数、位移反应等结构的动力反应.共布置 加速度传感器47个 台面布置3个传感器，X、Y和Z向各一个. 根据结构的特点及计算分析结果，在以下位置 设置加速度传感器. (1)裙房：用于监测裙房的动力反应，由于裙 房的楼层刚度较大，这些测点也可以代表钢管混凝 土柱与裙房交接处的反应， (2)钢管混凝土柱的变直径部分的上端和 下端. 图1振动台试验模型 Fig-I Model for shaking tahle test (3)转换层桁架 1.1相似关系 (4)楼层3,5,6,10,13,14.各楼层布置3~5 综合考虑振动台性能参数、试验室吊车性能参 个传感器，用于得到楼层水平双向的线位移反应及
了结构薄弱环节；通过试验建立原型结构的整体力 学计算模型和构件的恢复力模型经选取适当的原 型结构参数计算了原型结构的非线性地震反应并 通过分析评价了原型结构的抗震能力． 1 模型设计与制作 某一不规则体型高层建筑主体结构为钢结构 采用比较特殊的钢框架结构体系．建筑屋面标高 50∙000m．其中的第一层和第二层为钢筋混凝土裙 房结构；裙房之上8根钢管混凝土柱支撑着转换层 的双向桁架结构；主体钢结构就坐落于此转换桁架 上．8根钢管混凝土柱与其他裙房柱均延伸至地下 室—5∙800m 标高处．该建筑体型较为特殊上部 11层主体结构坐落于转换层上转换层以下为8根 竖直的或带有一定斜度的钢管混凝土柱；转换层本 身为带悬挑的双向钢桁架结构转换层以上的结构 采用钢柱、钢—混凝土组合梁、钢筋混凝土楼板．建 筑物基本设防烈度为7度设计基本地震加速度为 0∙10g （ g 为重力加速度）地震分组为第一组场地 类别为Ⅱ类． 鉴于模型试验考察的重点在主体钢结构且裙 房高度低结构形式简单所以以结构主要特性、基 底反力、钢管混凝土柱底反力为控制目标对结构进 行理论分析和试验研究．对于模型设计按动力相似 理论进行构件正截面承载力按受弯承载力等效、斜 截面承载力按受剪等效的原则进行模拟首先确定 结构的几何和物理（此处主要指弹性模量）相似常 数并由此得到反映相似模型整个物理过程的其他 相似条件．本次设计制作的1／12的钢结构整体模 型竣工后的底座和模型总高度 4∙65m总质量 59∙2t模型自重6∙2t配重40∙5t底板12∙5t．试 验模型见图1． 图1 振动台试验模型 Fig．1 Model for shaking table test 1∙1 相似关系 综合考虑振动台性能参数、试验室吊车性能参 数和模型材料性能实测值等多方面的因素后确定 了本次试验所采用相似关系见表1． 表1 模型相似关系（原型／模型） Table1 Model similitude relation （prototype／model） 物理量 应力 应变 弹性模量 密度 线尺寸 相似常数 1 1 1 1／4 12 物理量 频率 加速度 速度 时间 线位移 相似常数 1／6 1／3 0∙5 6 12 1∙2 模型材料 原型与模型所用材料的对应关系见表2． 表2 原型结构与模型间的材料对应关系 Table2 Material corresponding relation of the prototype structure and model 部位 原型材料 模型材料 主体钢结构 钢材 Q345B 钢材 Q345B 钢管混凝土柱内 C60混凝土 C60混凝土 混凝土楼板 C40混凝土 配双层钢丝网的砂浆 1∙3 模型制作 模型材料以钢材为主；构件间的连接均以焊接 的方式实现；主要构件均没有现成的型材均由板材 焊接而成所以焊接工作量较大；由于体型较为复 杂构件的定位、连接存在较大的困难特别是转换 层的双向桁架部分；结构下部的倾斜钢管混凝土柱 是变直径的此变直径杆件的直径由140mm 变为 100mm杆件长度约为1000mm因此其制作工艺 较为复杂． 2 模拟地震振动台试验 2∙1 加速度传感器的布置 布置加速度传感器的目的在于测试振型、加速 度放大倍数、位移反应等结构的动力反应．共布置 加速度传感器47个． 台面布置3个传感器X、Y 和 Z 向各一个． 根据结构的特点及计算分析结果在以下位置 设置加速度传感器． （1） 裙房：用于监测裙房的动力反应．由于裙 房的楼层刚度较大这些测点也可以代表钢管混凝 土柱与裙房交接处的反应． （2） 钢管混凝土柱的变直径部分的上端和 下端． （3） 转换层桁架． （4） 楼层356101314．各楼层布置3～5 个传感器用于得到楼层水平双向的线位移反应及 第11期 张举兵等： 不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 ·1231·
.1232 北京科技大学学报 第30卷 角位移反应 0.07g,0.12g,0.17g和0.22g;然后又进行了对应 (5)另考虑到结构一侧存在较大悬挑的情况， 于原型结构的峰值加速度为0.26g、0.30g和 在楼层10及13的悬挑端部设置了两个竖向传 0.33g的试验（对应于模型结构的峰值加速度则是 感器， 0.78g、0.90g和1.0g) 2.2模型试验加载方案 一般地，在每一震级的试验中，首先进行水平单 对于试验模型，依次进行了7度小震、8度小 向试验，再进行三向或双向试验，具体加载方案见 震、7度中震、7度中震加强、7度大震的振动台试 表3（限于篇幅只列出了前30个工况） 验，分别对应于原型结构峰值加速度为0.042g, 表3模型试验加载方案 Table 3 Loading plan of model test 工况 序号 名称 波形 加速度蜂值/g WX1.WY1 第一次白噪声扫描 0.05 2 EX1 El Centro一X向 ETXI El Centro2X向 TXI Tat波一X向 SX1 人工波一X向 7度小震 0.042×3=0.126 EY1 El Centrol-y向 7 ETY1 El Centro2ZY向 8 TYI Taft波一Y向 9 SY1 人工波一Y向 10 DS1 三向人工波一X向，Y向，Z向 X:Y:Z=0.107:0.126:0.082 11 WX2.WY2 第二次白噪声扫描 0.05 12 EX2 El Centro-X向 13 ETX2 El Centro2-X向 14 TX2 Taft波一X向 15 SX2 人工波一X向 8度小震 0.07×3=0.21 16 EY2 El Centro-Y向 17 ETY2 El Centro2-Y向 18 TY2 Taf波一Y向 19 SY2 人工波一Y向 20 DS2 三向人工波一X向，Y向，Z向 X:YZ=0.178:0.210:0.137 21 WX3.WY3 第三次白噪声扫描（看裂缝） 0.05 22 EX3 El Centro-X向 23 ETX3 El Centro2-X向 24 TX3 Taft波一X向 25 SX3 人工波一X向 7度中震 0.12×3=0.36 26 EY3 El Centro-y向 27 ETY3 El Centro2-Y向 28 TY3 Taft波一Y向 29 SY3 人工波一Y向 30 DS3 三向人工波一X向，Y向，Z向 X:Y:Z=0.3060.360:0.234 注：EX”一El Centro波的南北向记录；ETX'一El Centro波的东西向记录；Ds'一人工波的双向输入；人工波一《安评报告》提供 的一条人工合成波；X向一振动台南北方向：Y向一振动台东西方向，为结构的受力薄弱方向
角位移反应． （5） 另考虑到结构一侧存在较大悬挑的情况 在楼层10及13的悬挑端部设置了两个竖向传 感器． 2∙2 模型试验加载方案 对于试验模型依次进行了7度小震、8度小 震、7度中震、7度中震加强、7度大震的振动台试 验分别对应于原型结构峰值加速度为0∙042g 0∙07g0∙12g0∙17g 和0∙22g；然后又进行了对应 于原 型 结 构 的 峰 值 加 速 度 为 0∙26g、0∙30g 和 0∙33g 的试验（对应于模型结构的峰值加速度则是 0∙78g、0∙90g 和1∙0g）． 一般地在每一震级的试验中首先进行水平单 向试验再进行三向或双向试验．具体加载方案见 表3（限于篇幅只列出了前30个工况）． 表3 模型试验加载方案 Table3 Loading plan of model test 工况 序号 名称 波形 加速度峰值／g — 1 WX1WY1 第一次白噪声扫描 0∙05 2 EX1 E1Centro1—X 向 3 ETX1 E1Centro2—X 向 4 TX1 Taft 波—X 向 7度小震 5 SX1 人工波—X 向 0∙042×3＝0∙126 6 EY1 E1Centro1—Y 向 7 ETY1 E1Centro2—Y 向 8 TY1 Taft 波—Y 向 9 SY1 人工波—Y 向 10 DS1 三向人工波—X 向Y 向Z 向 X∶Y∶Z＝0∙107∶0∙126∶0∙082 — 11 WX2WY2 第二次白噪声扫描 0∙05 12 EX2 E1Centro1—X 向 13 ETX2 E1Centro2—X 向 14 TX2 Taft 波—X 向 8度小震 15 SX2 人工波—X 向 0∙07×3＝0∙21 16 EY2 E1Centro1—Y 向 17 ETY2 E1Centro2—Y 向 18 TY2 Taft 波—Y 向 19 SY2 人工波—Y 向 20 DS2 三向人工波—X 向Y 向Z 向 X∶Y∶Z＝0∙178∶0∙210∶0∙137 — 21 WX3WY3 第三次白噪声扫描（看裂缝） 0∙05 22 EX3 E1Centro1—X 向 23 ETX3 E1Centro2—X 向 24 TX3 Taft 波—X 向 7度中震 25 SX3 人工波—X 向 0∙12×3＝0∙36 26 EY3 E1Centro1—Y 向 27 ETY3 E1Centro2—Y 向 28 TY3 Taft 波—Y 向 29 SY3 人工波—Y 向 30 DS3 三向人工波—X 向Y 向Z 向 X∶Y∶Z＝0∙306∶0∙360∶0∙234 注：EX ∗———E1Centro 波的南北向记录；ETX ∗———E1Centro 波的东西向记录；DS ∗———人工波的双向输入；人工波———《安评报告》提供 的一条人工合成波；X 向———振动台南北方向；Y 向———振动台东西方向为结构的受力薄弱方向． ·1232· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 张举兵等：不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 ,1233 在试验中，将地震波的峰值加速度从0.126g 震能保持弹性，均达到了既定设计目标 逐级增加到1.0g·模型发生的主要反应及变化为： (5)各震级的试验结束后，对模型外观均进行 (1)7度小震后模型结构自振频率与震前基本 了检查，除转换层桁架中一处斜撑的端部连接焊缝 相同，表明结构在7度小震下保持弹性 在7度大震后出现开裂外，未发现模型有其他明显 (2)从总体上讲，7度中震后，结构的频率逐级 破坏现象或构件失稳的现象， 下降，说明结构中有构件陆续进入塑性，但从频率 3模型试验结果及分析 下降的幅度来看，直至7度大震后，结构的塑性发展 也是有限的 3.1模型结构动力特性 (③)在地震波的作用下，结构的反应随震级的 模型结构动力特性见表4.从表中可以看出：随 加大而加大，在整个结构中，位移反应最大的部分 着地震强度的逐步加大，结构模型的自振周期与阻 是第二轴及其悬挑部分，层数越高，反应越剧烈.同 尼比的总体变化是增大的趋势：7度小震后的自振 时，上述悬挑部分在地震波的峰值过后，比结构的其 频率与震前基本相同，说明结构在小震下基本保持 他部位需要更长的时间归位，即不但反应大，而且 弹性；7度中震后，结构的频率略有下降，说明结构 反应消失需要的时间也长 中有部分构件进入塑性，但从频率下降的幅度来 (4)应变片的试验结果说明，钢管混凝土柱（含 看，直至7度大震后，结构的塑性发展也是有限的 变直径部分)在7度大震下保持弹性，转换桁架在中 表4模型结构动力特性 Table 4 Dynamic characteristics of model structure 侧振振型 扭振振型 工况 X向平动 Y向平动 Z向扭转 第一阶频率/ 第一阶频率相当于 第一阶频率/ 第一阶频率相当于 第一阶频率/ 第一阶须率相当于 业 初始值的百分比/% 业 初始值的百分比/% 业 初始值的百分比/% 震前 4.50 100 2.84 100 6.02 100 7度小震 4.50 100 2.79 98 5.88 98 8度小震 4.40 98 2.73 96 5.77 96 7度中震 4.28 95 2.59 % 5.62 91 7度中震加强 4.16 92 2.65 93 5.56 93 7度大震 4.06 90 2.53 5.39 89 0.78g 4.03 90 2.45 男 5.39 86 0.90g 4.00 90 2.44 86 5.26 86 1.0g 3.91 87 2.44 86 5.25 86 3.2模型结构的加速度反应分析 应峰值与台面加速度峰值之比确定，El Centro波南 3.2.1主体结构加速度反应 北向记录以不同震级、不同地震波作用时，模型加速 各层的加速度放大系数由该层的绝对加速度反 度放大系数沿楼层的分布见图2. 14 14 12 12 10 10 ◆7度小震 ◆7度小震 器 -8度小震 ●8度小震 7度中震 6 7度中震 6 ·7度中震 加强 7度中震加强 7度大震 一7度大震 2 2 0 2 2 放大系数 放大系数 (a)X向 (b)Y向 图2 El Centro波南北向记录不同工况下楼层加速度放大系数 Fig.2 Magnification coefficient of floor acceleration by the north and south records of EI Centro wave in different conditions
在试验中将地震波的峰值加速度从0∙126g 逐级增加到1∙0g．模型发生的主要反应及变化为： （1）7度小震后模型结构自振频率与震前基本 相同表明结构在7度小震下保持弹性． （2） 从总体上讲7度中震后结构的频率逐级 下降说明结构中有构件陆续进入塑性．但从频率 下降的幅度来看直至7度大震后结构的塑性发展 也是有限的． （3） 在地震波的作用下结构的反应随震级的 加大而加大．在整个结构中位移反应最大的部分 是第二轴及其悬挑部分层数越高反应越剧烈．同 时上述悬挑部分在地震波的峰值过后比结构的其 他部位需要更长的时间归位．即不但反应大而且 反应消失需要的时间也长． （4） 应变片的试验结果说明钢管混凝土柱（含 变直径部分）在7度大震下保持弹性转换桁架在中 震能保持弹性均达到了既定设计目标． （5） 各震级的试验结束后对模型外观均进行 了检查除转换层桁架中一处斜撑的端部连接焊缝 在7度大震后出现开裂外未发现模型有其他明显 破坏现象或构件失稳的现象． 3 模型试验结果及分析 3∙1 模型结构动力特性 模型结构动力特性见表4．从表中可以看出：随 着地震强度的逐步加大结构模型的自振周期与阻 尼比的总体变化是增大的趋势；7度小震后的自振 频率与震前基本相同说明结构在小震下基本保持 弹性；7度中震后结构的频率略有下降说明结构 中有部分构件进入塑性．但从频率下降的幅度来 看直至7度大震后结构的塑性发展也是有限的． 表4 模型结构动力特性 Table4 Dynamic characteristics of model structure 工况 侧振振型 扭振振型 X 向平动 Y 向平动 Z 向扭转 第一阶频率／ Hz 第一阶频率相当于 初始值的百分比／％ 第一阶频率／ Hz 第一阶频率相当于 初始值的百分比／％ 第一阶频率／ Hz 第一阶频率相当于 初始值的百分比／％ 震前 4∙50 100 2∙84 100 6∙02 100 7度小震 4∙50 100 2∙79 98 5∙88 98 8度小震 4∙40 98 2∙73 96 5∙77 96 7度中震 4∙28 95 2∙59 91 5∙62 91 7度中震加强 4∙16 92 2∙65 93 5∙56 93 7度大震 4∙06 90 2∙53 89 5∙39 89 0∙78g 4∙03 90 2∙45 86 5∙39 86 0∙90g 4∙00 90 2∙44 86 5∙26 86 1∙0g 3∙91 87 2∙44 86 5∙25 86 3∙2 模型结构的加速度反应分析 3∙2∙1 主体结构加速度反应 各层的加速度放大系数由该层的绝对加速度反 应峰值与台面加速度峰值之比确定．El Centro 波南 北向记录以不同震级、不同地震波作用时模型加速 度放大系数沿楼层的分布见图2． 图2 El Centro 波南北向记录不同工况下楼层加速度放大系数 Fig．2 Magnification coefficient of floor acceleration by the north and south records of EI Centro wave in different conditions 第11期 张举兵等： 不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 ·1233·
1234 北京科技大学学报 第30卷 通过考察楼层峰值加速度及加速度放大系数可 减小 以得出：(1)人工波作用下，模型的反应往往较小. 3.2.2转换层加速度反应 (2)结构模型在Y向地震波下的效应要明显大于X 考虑到转换层对于本结构的特殊意义，专门对 向地震波.(3)一般地，7度小震时的加速度放大系 其加速度反应进行讨论，在变径柱的柱头也布置了 数较之其他震级是最大的；而7度大震时加速度放 三个加速度测点，表5是响应的量测结果（限于篇 大系数较之其他震级时最小的，因为随着地震烈度 幅仅列出El Centro波作用下的记录，且只截取了部 的增加，结构进入塑性的程度也在增加，抗侧力刚度 分测点) 表5转换层上加速度测点的部分结果 Table 5 Partial results of acceleration measuring point in transformation floor El Centro波南北向记录 El Centro波东西向记录 位置 测点 工况 X Y X Y 7度小震 0.195g 0.153g 0.232g 0.262g 变径柱的柱头 7度中震 0.413g 0.477g 0.505g 0.676g 7度大震 0.763g 0.692g 0.826g 0.868g 7度小震 0.201g 0.176g 0.191g 0.257g 转换桁架 7度中震 0.370g 0.485g 0.475g 0.726g 7度大展 0.675g 0.782g 0.886g 0.940g 从表5中可以看出：(1)与布置在上部结构上的 统的“层”概念，所以重点关注6层以上的楼层峰值 测点一样，对于转换层上的测点来说，地震波的Y 位移响应，由图3可以看出：在不同设防水准地震 向输入产生的反应一般比X向大；(2)由于转换层 作用下结构的X向响应普遍大于Y向响应，反应出 的高度有限，刚度较之其他层又大，所以转换层的加 结构X和Y向抗侧力刚度的差异；随着加速度峰值 速度反应要小于第6层及其以上层；(3)测点10的 的提高，结构的位移响应逐渐增大，但都基本保持弹 反应一般大于测点8和9，这和第3,5,6层的测点C 性变形，说明结构的设计达到了预期的“中震保持弹 或D反应较大是吻合的；(4)变径柱柱头的加速度 性”的要求 测点的测量结果与转换桁架大致相当，这充分说明 转换层的刚度是较大的 4原型结构抗震性能分析 3.3模型结构位移反应 4.1原型结构动力特性 图3为结构各楼层相对于台面的位移包络图， 按照相似关系，模型的自振周期可以换算成为 由于结构在6层以下体形非常的不规则，且没有传 原型结构的自振周期，实测值与计算值的比较见 表6. 表6模型自振周期与原型结构的比较 2 Table 6 Comparison of free vibration period of the model and prototype 10 structure 方向 数值类别 第一阶周期/s 第二阶周期/s 实测值 1.32 0.55 ◆7度小展，X向 X向 ■一7度中震，X向 计算值 1.62 0.69 一7度大震，X向 7度小展，Y向 实测值 2.10 0.36 米-7度中震，Y向 Y向 计算值 2.50 0.42 ●-7度大震，Y向 20 40 80 试验结果表明，模型的实测自振周期比计算结 蜂值位移mm 果小一些.二者存在差异的原因主要为：由于一些 图3不同设防水准下楼层峰值位移反应 构件的刚度无法考虑在内，计算模型的刚度总是比 Fig.3 Displacement responses of the floor peak value in different 实际结构小. design intensities
通过考察楼层峰值加速度及加速度放大系数可 以得出：（1）人工波作用下模型的反应往往较小． （2）结构模型在 Y 向地震波下的效应要明显大于 X 向地震波．（3）一般地7度小震时的加速度放大系 数较之其他震级是最大的；而7度大震时加速度放 大系数较之其他震级时最小的因为随着地震烈度 的增加结构进入塑性的程度也在增加抗侧力刚度 减小． 3∙2∙2 转换层加速度反应 考虑到转换层对于本结构的特殊意义专门对 其加速度反应进行讨论在变径柱的柱头也布置了 三个加速度测点．表5是响应的量测结果（限于篇 幅仅列出 El Centro 波作用下的记录且只截取了部 分测点）． 表5 转换层上加速度测点的部分结果 Table5 Partial results of acceleration measuring point in transformation floor 位置 测点 工况 El Centro 波南北向记录 El Centro 波东西向记录 X Y X Y 7度小震 0∙195g 0∙153g 0∙232g 0∙262g 变径柱的柱头 5 7度中震 0∙413g 0∙477g 0∙505g 0∙676g 7度大震 0∙763g 0∙692g 0∙826g 0∙868g 7度小震 0∙201g 0∙176g 0∙191g 0∙257g 转换桁架 8 7度中震 0∙370g 0∙485g 0∙475g 0∙726g 7度大震 0∙675g 0∙782g 0∙886g 0∙940g 从表5中可以看出：（1）与布置在上部结构上的 测点一样对于转换层上的测点来说地震波的 Y 向输入产生的反应一般比 X 向大；（2）由于转换层 的高度有限刚度较之其他层又大所以转换层的加 速度反应要小于第6层及其以上层；（3）测点10的 反应一般大于测点8和9这和第356层的测点 C 或 D 反应较大是吻合的；（4）变径柱柱头的加速度 测点的测量结果与转换桁架大致相当这充分说明 转换层的刚度是较大的． 图3 不同设防水准下楼层峰值位移反应 Fig．3 Displacement responses of the floor peak value in different design intensities 3∙3 模型结构位移反应 图3为结构各楼层相对于台面的位移包络图． 由于结构在6层以下体形非常的不规则且没有传 统的“层”概念所以重点关注6层以上的楼层峰值 位移响应．由图3可以看出：在不同设防水准地震 作用下结构的 X 向响应普遍大于 Y 向响应反应出 结构 X 和 Y 向抗侧力刚度的差异；随着加速度峰值 的提高结构的位移响应逐渐增大但都基本保持弹 性变形说明结构的设计达到了预期的“中震保持弹 性”的要求． 4 原型结构抗震性能分析 4∙1 原型结构动力特性 按照相似关系模型的自振周期可以换算成为 原型结构的自振周期实测值与计算值的比较见 表6． 表6 模型自振周期与原型结构的比较 Table6 Comparison of free vibration period of the model and prototype structure 方向 数值类别 第一阶周期／s 第二阶周期／s X 向 实测值 1∙32 0∙55 计算值 1∙62 0∙69 Y 向 实测值 2∙10 0∙36 计算值 2∙50 0∙42 试验结果表明模型的实测自振周期比计算结 果小一些．二者存在差异的原因主要为：由于一些 构件的刚度无法考虑在内计算模型的刚度总是比 实际结构小． ·1234· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 张举兵等：不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 ,1235 4.2原型结构位移反应 扭转反应比单向输入时大；模型在Y向地震波下的 楼层层间位移角的最大值见表7.需要说明的 加速度、位移、层间位移角和楼层扭转角反应高于X 是，这里的最大值包含的范围是第5层至第13层， 方向地震波下的反应，这说明结构在两个方向上的 表格内的数据代表此最大值出现的层号，未注明时 抗震性能有所不同，设计中应注意提高第2轴线及 为第13层.鉴于结构X向反应普遍小于Y向反 悬振部分的刚度 应，此处只列出了Y层间位移角的最大值 参考文献 表7层间位移角的最大值(Y) [1]Yang J J.Similarity Theory and Structural Model Test. Table 7 Maximum values of displacement angle of the floors(Y) Wuhan:Wuhan University of Technology Press.2005 El Centro波El Centro波 (杨俊杰，相似理论与结构模型试验.武汉：武汉理工大学出 工况 Taf波 人工波 南北向记录 东西向记录 版社，2005) 7度小震1/454(10) 1/342 1/476(10) 1/1250 [2]GB 50011-2001 Code for Seismic Design of Buildings.Bei- 7度中震 1/140(10) 1/120(10) 1/182(10)1/256(10) jing:China Building Industry Press,2001 (GB50011一2001建筑抗震设计规范.北京：中国建筑工业出 7度大震1/80(10) 1/80(10)1/137(10)1/90(10) 版社，2001) [3]Experimental Report of Simulating Shaking Table Structural 根据层间位移角的实测结果，可以看出：(1)地 Model in Jingji Dameisha Hotel in Shenzhen.Beijing:China 震波沿X和Y向作用时，层间位移角沿楼层的分布 Academy of Building Research.2005 (深圳京基大梅沙酒店模拟地震振动台结构模型试验报告·北 情况有所区别，前者的最大值往往出现在第13层， 京：中国建筑科学研究院，2005) 后者的最大值则一般在第10层出现.(2)结构在 [4]Zhang M Z.A study on the earthquake simulation test of building Y向地震波作用下，层间位移角反应明显大于X向 structures.Earthquake Resistant Eng.2003():31 地震波地作用，(3)在7度小震作用下，层间位移角 (张敏政.建筑结构的地震模拟试验研究.工程抗震，2003 最大值为1/342，小于《建筑抗震设计规范》中规定 (4):31) 的1/300的限值及《高层民用建筑钢结构技术规程》 [5]Zhou Y.Lu W S.Lv X L.Practical model design method of shaking table tests.Struct Eng.2003(3):30 中规定的1/250的限值；大震下的层间位移角最大 (周颖，卢文胜，吕西林。模拟地震振动台模型实用设计方法， 值为1/80，小于《高层民用建筑钢结构技术规程》中 结构工程师，2003(3)：30) 规定的1/70的限值及《建筑抗震设计规范》中规定 [6]Lin S H.The application of earthquake response spectrum theory 的1/50的限值. in the design of building aseismic.Build Tech Dev.2005.32 (6):11 5结论 (林松辉.地震反应谱理论在建筑抗震设计中的应用.建筑技 术开发，2005,32(6)：11) (1)该结构抗震性能基本满足7度抗震设防的 [7]Qu Y Q.Liang W X.Tian Y.Evaluation of seismic damage per- 要求；在7度小震作用后，结构能够保持弹性；在7 formance based on energy analysis.World Earthquake Eng 度中震及大震作用后，模型频率稍有下降，表明结构 2006,22(1):109 陆续有构件进入塑性， (翟岳前，梁兴文，田野，基于能量分析的地震损伤性能评估 世界地震工程，2006,22(1)：109) (2)试验表明，作为本结构重要的构件，钢管混 [8]Cai J,Zhou J.Yu Q C.Progress of seismic design theory of 凝土柱及转换桁架均可达到原定设计目标：在7度 buildings.J Guang=hou Univ Nat Sei Ed.2005.4(1):65 大震下8根钢管混凝土柱维持弹性；转换桁架在7 (蔡健，周靖，禹奇才·建筑抗震设计理论研究进展。广州大学 度中震下维持弹性 学报：自然科学版，2005,4(1)：65) (③)试验模型自始至终都未出现构件破坏或失 [9]Bertero R D.Bertero VV.Performance-based seismic engineer- 稳的现象，但由于其体型特殊，结构在地震作用下表 ing:The need for a reliable conceptual comprehensive approach. Earthquake Eng Struct Dyn.2002.31(3):627 现出了明显的扭转效应，尤其是结构第2轴线及悬 [10]Otani S.Earthquake resistant design of reinforced concrete 挑部分的位移反应较大；地震波三向输入时，结构的 building's past and future.JAde Concr Technol.2004,2(1):3
4∙2 原型结构位移反应 楼层层间位移角的最大值见表7．需要说明的 是这里的最大值包含的范围是第5层至第13层． 表格内的数据代表此最大值出现的层号未注明时 为第13层．鉴于结构 X 向反应普遍小于 Y 向反 应此处只列出了 Y 层间位移角的最大值． 表7 层间位移角的最大值（ Y ） Table7 Maximum values of displacement angle of the floors（ Y ） 工况 El Centro 波 南北向记录 El Centro 波 东西向记录 Taft 波 人工波 7度小震 1／454（10） 1／342 1／476（10） 1／1250 7度中震 1／140（10） 1／120（10） 1／182（10） 1／256（10） 7度大震 1／80（10） 1／80（10） 1／137（10） 1／90（10） 根据层间位移角的实测结果可以看出：（1） 地 震波沿 X 和 Y 向作用时层间位移角沿楼层的分布 情况有所区别前者的最大值往往出现在第13层 后者的最大值则一般在第10层出现．（2） 结构在 Y 向地震波作用下层间位移角反应明显大于 X 向 地震波地作用．（3） 在7度小震作用下层间位移角 最大值为1／342小于《建筑抗震设计规范》中规定 的1／300的限值及《高层民用建筑钢结构技术规程》 中规定的1／250的限值；大震下的层间位移角最大 值为1／80小于《高层民用建筑钢结构技术规程》中 规定的1／70的限值及《建筑抗震设计规范》中规定 的1／50的限值． 5 结论 （1） 该结构抗震性能基本满足7度抗震设防的 要求；在7度小震作用后结构能够保持弹性；在7 度中震及大震作用后模型频率稍有下降表明结构 陆续有构件进入塑性． （2） 试验表明作为本结构重要的构件钢管混 凝土柱及转换桁架均可达到原定设计目标：在7度 大震下8根钢管混凝土柱维持弹性；转换桁架在7 度中震下维持弹性． （3） 试验模型自始至终都未出现构件破坏或失 稳的现象但由于其体型特殊结构在地震作用下表 现出了明显的扭转效应尤其是结构第2轴线及悬 挑部分的位移反应较大；地震波三向输入时结构的 扭转反应比单向输入时大；模型在 Y 向地震波下的 加速度、位移、层间位移角和楼层扭转角反应高于 X 方向地震波下的反应这说明结构在两个方向上的 抗震性能有所不同设计中应注意提高第2轴线及 悬振部分的刚度． 参 考 文 献 ［1］ Yang J J． Similarity Theory and Structural Model Test． Wuhan：Wuhan University of Technology Press2005 （杨俊杰．相似理论与结构模型试验．武汉：武汉理工大学出 版社2005） ［2］ GB50011—2001 Code for Seismic Design of Buildings．Beijing：China Building Industry Press2001 （GB50011—2001建筑抗震设计规范．北京：中国建筑工业出 版社2001） ［3］ Experimental Report of Simulating Shaking Table Structural Model in Jingji Dameisha Hotel in Shenz hen．Beijing：China Academy of Building Research2005 （深圳京基大梅沙酒店模拟地震振动台结构模型试验报告．北 京：中国建筑科学研究院2005） ［4］ Zhang M Z．A study on the earthquake simulation test of building structures．Earthquake Resistant Eng2003（4）：31 （张敏政．建筑结构的地震模拟试验研究．工程抗震2003 （4）：31） ［5］ Zhou YLu W SLv X L．Practical model design method of shaking table tests．Struct Eng2003（3）：30 （周颖卢文胜吕西林．模拟地震振动台模型实用设计方法． 结构工程师2003（3）：30） ［6］ Lin S H．The application of earthquake response spectrum theory in the design of building aseismic．Build Tech Dev200532 （6）：11 （林松辉．地震反应谱理论在建筑抗震设计中的应用．建筑技 术开发200532（6）：11） ［7］ Qu Y QLiang W XTian Y．Evaluation of seismic damage performance based on energy analysis． World Earthquake Eng 200622（1）：109 （瞿岳前梁兴文田野．基于能量分析的地震损伤性能评估． 世界地震工程200622（1）：109） ［8］ Cai JZhou JYu Q C．Progress of seismic design theory of buildings．J Guangz hou Univ Nat Sci Ed20054（1）：65 （蔡健周靖禹奇才．建筑抗震设计理论研究进展．广州大学 学报：自然科学版20054（1）：65） ［9］ Bertero R DBertero V V．Performance-based seismic engineering：The need for a reliable conceptual comprehensive approach． Earthquake Eng Struct Dyn200231（3）：627 ［10］ Otani S． Earthquake resistant design of reinforced concrete building’s past and future．J Adv Concr Technol20042（1）：3 第11期 张举兵等： 不规则体型高层钢结构模拟地震振动台试验研究 ·1235·
