超限高层建筑结构振动台试验模型设计的研究

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超限高层建筑结构振动台试验模型设计的研究!
钱德玲5 6张泽涵5 6戴启权5 6杨远威5 6蒋玉敏5 6钱礼平3
!5/合肥工业大学土木与水利工程学院" 合肥6374448# 3/安徽省建筑科学研究设计院" 合肥6374445$
66摘6要! 针对超限高层建筑高度高%层数多%整体结构复杂等特点"依据一致相似率对一超限高层建筑进行 振动台试验模型设计& 通过计算探讨超限高层建筑结构模型分别采用人工质量模型%忽略重力模型%欠人工质 量模型三种方式的合理性& 研究结果表明’欠人工质量模型的设计是合理可行的"可以通过附加人工质量来调 整加速度相似比至合理水平"以利于振动台试验的实施& 通过合理的配重模型设计"可以减小重力失真效应造 成的不利影响"从而使振动台试验更加准确地反映原型结构在地震作用下的动力响应和动力特性& 66关键词! 振动台试验# 超限高层建筑# 模型设计# 欠人工质量模型 66!"#’ $%&$’(%) *+,-.+/(%$0%(%%‘
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(&( K 确 定 模 型 相 似 关 系
相似关系的设计在模拟地震动的振动台试验中
占有重要地位& 确定相似条件一般有方程式分析法
和量纲分析法两种& 本次模型设计采用量纲分析法
来确定各相似关系& 量纲分析法需要遵循两个相似
的定理"即’相似物理现象的 !数相等! 量 纲 可 以 确 定 ! $ V%$ 个 !数! 第二相似定理$ (T) &
件质量#*)为模型中设置的人工质量#*,M 为模型中
活载和非结构构件的模拟质量#*L 为 原 型 结 构 构 件
的质量#*,L 为原型中活载和非结构构件的质量&
试验原型结构构件的 质 量 *L 为 WT W13/1 &"原
型中 活 载 和 非 结 构 构 件 的 质 量 *,L 为 3T 155/1 &&
工业建筑63451 年第 01 卷第 3 期
更加准确地反映原型结构在地震作用下的动力响应 和动力特性& 对此"本研究采用一致相似率对超限 高层建筑结构模型设计的几种方式"即分别对人工 质量模型%忽略重力模型%欠人工质量模型三种模型 配重方式进行计算分析"论证欠人工质量模型设计 的可行性&
$K结构概况 合肥新交通大厦是一栋集商业%写字楼%地铁运
力
时间
变位
速度
加速度
频率
相似比
&’ "5 ,T4 &R "5 ,7 &" " &" "0/78 &# " &R "5 ,7
槡 && "&’
&" "4/4W7 &R
&’ " &’ "5 ,T4
槡 &G "
&R "4/3Q &"
(K振动台模型设计 (&$ K 模 型 材 料 选 取
在选用模型材料时"为保证模型结果应按相似 系数相等条件推算到原型结构上去& 模型材料选用 微粒混凝土%镀锌铁丝%白铁皮和铁丝网& 微粒混凝 土用较大粒径的砂砾作为粗骨料代替普通混凝土的 碎石"以较小 粒 径 的 砂 砾 作 为 细 骨 料 代 替 普 通 混 凝 土的砂砾"其施工方法%振捣方式和养护条件都与普
营控制中心于一体的大型超限高层建筑& 大厦用地 面积 Q 01Q M3 "建筑 平 面 为 70 M j70 M 正 方 形"其 中地上 05 层& 大 厦 底 层 层 高 1/T M"3 l7 层 层 高 T/T M" 0 lT 层 层 高 0/Q M" T 层 以 上 层 高 皆 为 0/3 M"整 体 设 计 为 框 架 V核 心 筒 结 构& 标 准 层 结 构平面如图 5 所示&
在大量振动台模型设计当中"对振动台模型配 重设计的研究较少& 模型配重的合理设计可以减小 重力失真效应造成的不利影响"从而使振动台试验
! 国家自然科学基金资助项目!T57WQ51Q$ #中央高校基本科研业务 费专项资金资助项目!3453DY<@4430 $ & 第一作者’钱德玲"女"5810 年出生"博士"教授"博士生导师& 电 子 信 箱 ’#*a()" U %(")O-,M 收稿日期’345T V43 V45
材料的特性确定弹性模量相 似 比 &R"考 虑 到 白 铁 皮 与微粒混凝土的弹性模量"将模型的弹性模量相似
比 &R初步确定为 5 _7& 以一致相似律表示的质量密
度相似比 &" 为’
&"
"&"
"
*M +*) +*,M &7’! *L +*,L $
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式中’ &" 为等效质量密度相似比#*M 为 模 型 结 构 构
经计算"模型结构 构 件 质 量 *M 为 4/08 &"模 型 中 活
载和非结构构件的模拟质量 *,M 和模型中设置的人
工质量 *) 之 和 为 7/4W &"通 过 式 ! 5 $ 可 以 计 算 得 到
质 量密度相似比 &" 为 0/78& 由这 7 个基本相似比"
根据一致相似律表示的相似比公式可计算出其他相
通混凝土相同& 模型施工前做微粒混凝土级配试
验"以确定具体的级配关系& 钢筋混凝土构件中配
筋面积根据承载能力等效计算得出"镀锌铁丝具有
良好的韧性和弹性"作为振动台试验模型材料来模
拟钢筋"箍筋采用焊接铁丝网& 本次试验中考虑到
尺寸效应%材料强度和施工等方面的因素"模型中的
梁%边柱! <7 $ 采 用 白 铁 皮 制 作" 同 时 剪 力 墙 四 角 工 字型钢也采用白铁皮来制作&
图 56原型标准层平面 9(>O56X*)" ,EL’,&,&HL=%&)"#)’# E*,,’
6
大厦结构高度 5WQ/7 M" 根据我国 ZYZ7*3454 0 高层建筑混凝土结构设计规范1 (0) "W 度地区 ;级 高度 框 架 V核 心 筒 结 构 最 大 适 用 高 度 为 574 M" K 级高 度 框 架 V核 心 筒 结 构 最 大 适 用 高 度 为 5Q4 M& 大厦属于 K级高度 结 构 超 限 高 层 建 筑 工 程"应 按 规 定进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查& 鉴于 大厦结构体系的超限情况"在同济大学土木工程防 灾国家重点实验室振动台试验室对该结构进行了振 动台模型试验"研 究 该 结 构 在 地 震 作 用 下 的 动 力 响 应和动力特性"评估其抗震性能&
考虑到振动台的实际承载能力"采用国家地震
局工程力 学 研 究 所 研 究 员 张 敏 政 推 导 的 一 致 相 似 率(1) 进行模型设计& 在相 似 关 系 的 诸 多 参 数 中 需
预先确定 7 个可控 相 似 比" 这 里 选 几 何 相 似 比 &’% 弹性模量相似比 &R 和质量密度相似比 &" 作为可控 相似参 数& 首 先 确 定 几 何 相 似 比 &’" 其 限 制 因 素 有 如下两点’5 $ 大 厦 为 超 限 结 构" 缩 尺 后 的 模 型 高 度
超 限 高 层 建 筑 结 构 振 动 台 试 验 模 型 设 计 的 研 究 """ 钱 德 玲 !等
76W
似比& 得到的模型相似比如表 5 所示&
表 $K模型相似比’ 模型 *原型( 6D@MG$K<IJGMAPNPMDCCDBPI ’ NIJGM*OCIBIB.OG(
物理量 长度
弹性模量 等效密度
需满足试验室制作场地 高度的要求#3$ 考虑到 土 体
边界条件的模拟"要 满 足 结 构 模 型 的 尺 寸 与 周 围 土 体边界相比小于一定比例的要求(W) "本次试验取土
箱直径 (与结构平面尺寸 ) 之比为 T& 根据以 上 两
点"将长度 相 似 比 定 为 5 _T4& 其 次" 根 据 选 用 模 型
6716!"#$%&’()*+,"%&’$-&(," .,*/01!2,/3!3451
法(5) & 邹昀等对层数为 545 层%结构高度 083 M的 上海环球金融中心大厦进行了 5 _T4 的振动台试 验" 提出了具有三重结构体系的组合结构的模型设计方 法 (3) & 李书进等对 某 超 高 层 住 宅 进 行 了 5 _74 的 振 动台试验"提出了剪力墙结构的模型设计方法(7) &
66 近些年"随着 我 国 经 济 % 技 术 的 不 断 发 展" 以 及 土地资源的紧缺"建筑的高度和复杂程度持续增加" 且越来越多地超出了国家设计控制标准(5) 的限制" 形成了各种高度和平面超限的高层建筑& 对于超限 高层建筑"在目前理论分析还不成熟完善的情况下" 振动台模拟试验已成为研究高层建筑抗震性能和动 力特性的一种行之有效的方法& 然而"由于超限高 层建筑具有高度高%层数多%整体结构复杂等特点" 且受振动台台面尺寸%承载力和其他因素的限制"超 限高层建筑的振动台试验都是小比例试验"给振动 台模型设计方面增加了难度& 许多学者都对超限高 层建筑振动台试验模型设计方法进行了研究& 卢文 胜等对某立面收 进 的 超 限 高 层 建 筑 进 行 了 5 _7T 的 振动台试验"提出了立面收进 结 构的 模 型 设计 方