138-张宏、田春雨等-天津117大厦振动台试验研究

天津高银117大厦模型振动台试验研究

张宏，田春雨，肖从真曹进哲郝伟李建赢

（中国建筑科学研究院,北京，100013）

提要：天津高银117 大厦地上共117 层，建筑高度597m，塔楼结构由钢筋混凝土核心筒，带有巨型支撑、巨型框架构成的周边结构，构成了多重抗侧力体系。为确认结构在地震作用下的安全性，对地上塔楼结构进行了模拟地震振动台试验。试验模型比例为1：40，主要采用微粒混凝土及黄铜制作。试验结果表明，结构可以满足规范的抗震设防要求，基本达到了设计要求的抗震性能目标，试验结果与原型结构的计算结果基本符合。在试验及分析结果基础上，对结构设计提出了改进意见与措施，进一步保证了结构的抗震安全性。试验为国内外类似的超高层建筑的结构抗震设计提供了参考。

关键词：超高层结构；振动台试验；抗震设计；天津高银117大厦

1工程概况

天津高银 117 大厦是一幢以甲级写

字楼为主，并且附有六星级豪华商务酒店

及相关设施的大型超高层建筑，总建筑面

积约 37 万平方米。塔楼高 597 米，大大

超过中国高层建筑设计规范限值，为超 B

级高度的建筑。塔楼地面以上 117 层，地

面以下 3 层。结构平面布局呈正方形，其

尺寸沿竖向逐渐内收，办公层平面边长由

65 米逐渐收进至 50 米，酒店则由 50 米

收进至 45 米。结构平面长宽比为 1：1，

钢筋混凝土核心筒位于结构正中，整体结

构布置规则、对称，无凹进。

本工程塔楼采用了多重结构抗侧力体

系，该体系由钢筋混凝土核心筒、带有巨

型支撑的巨型框架构成多道设防的结构体

系，提供必要的侧向刚度，共同抵抗水平

地震及风荷载。其中，巨型支撑筒和核心

筒占主要作用。塔楼结构存在高度超限、

加强层等超限内容，且抗震设防类别为乙

类，为了确保塔楼结构在地震作用下满足

规范要求，了解其结构特性和地震效应，

对地上塔楼结构进行模拟地震振动台试

验。

图1 建筑效果图图2 计算模型图3 振动台试验模型

2模型设计

2．1模型材料

试验选择弹性模量及强度均较适合的材料来制作模型。采用砂浆模拟混凝土，铅丝模拟钢筋，用黄铜模拟钢结构和型钢混凝土结构中的钢材。主要材料砂浆和黄铜的材料属性如表1所示，表中混凝土强度为抗压强度标准值，钢材强度为屈服值，砂浆和黄铜强度及弹性模量为试验值。与原型材料相比，模型材料的强度和刚度均基本满足相似比关系。

2．2试验相似关系

试验模型长度相似比（缩尺比例）为1/40，根据模型材料性能，确定材料弹模相似比S E 为1/3；根据振动台承载能力，确定质量密度相似比为5.13。通过以上三个相似比，推导得到模型的其他相似关系如表2。

2.3模型设计及简化

塔楼结构嵌固部位为地下一层夹层（B1M ），试验模型中包含地下一层，地下一层竖向构件嵌固于模型底板上；模型地上部分包括塔楼及与塔楼相连的的裙房（T1-1~T1-10轴范围）。

根据原型结构体系的特点，在满足试验目的的前提下，对模型结构进行一定简化，以加快模型加工进度，减少加工误差，简化主要有以下措施：

1）结构中的主要抗侧力构件包括核心筒、巨型柱、周边支撑及水平杆件、环形桁架，均根据原型结构严格按照相似关系缩尺制作。

2）结构体系中，周边次框架由边梁及小柱构成，约每 15 层为一段，将竖向荷载通过转换桁架传递至四角巨型角柱。周边次框架主要传递重力，对结构抗侧力能力影响较小，模型试验中对其进行适当简化，以突出主要结构，加快模型试验进度。进行简化时，外围钢柱及钢梁保留；在非加强层，每隔一层去掉一层楼面体系（见图4）。将抽掉楼层的重力荷载代表值均分到上下楼层相应位置上，使荷载沿竖向的分布与原结构基本相同，只是更加集中一些。此种简化方法已在类似的巨型框架超高层结构模型试验中采用。

3）将由组合楼板、H 型钢梁及栓钉组成的楼板体系简化为钢板－微粒混凝土组合板，保证简化后楼面体系与原型结构的面内和面外刚度基本满足相似关系，并有效地将楼面配重传递到周边钢梁和巨柱上。

4）关键节点构造按照原型结构的做法进行适当简化和加强，保证其刚接、铰接关系，避免模型试验中节点过早破坏引起结构失效，影响对结构整体抗震性能的研究。节点以焊接为主。

5）配重主要布置在核心筒及外围巨柱之间楼面上。

模型设计过程中，通过计算分析，保证以上简化证基本不影响结构整体的动力特性和地震反应。简化模型与原型计算结果的比较见表3及图5。

振动台试验模型的加工与结构实际施工过程相似，也是采用逐层施工的方法。型钢构件均采用黄铜板焊接而成。每层先安装钢构件（钢柱是若干层一次安装的），绑扎竖向构件钢筋，浇筑竖向构件，然后施工水平构件。模板采用聚苯材料。

表2 模型相似关系（缩尺模型/原型）

物理量 相似关系 物理量 相似关系 长度 1/40 质量密度 5.128 弹性模量 1/3.0 时间 0.0981 频率

10.20

加速度

2.6

表1原型及模型材料属性对比

材料 弹模（GPa ） 强度（MPa ） 原型 砼C50~C60 3.25~3.6 26.8~38.5 模型 砂浆 1.014 11.62 原型 钢材Q345 210 345 模型

黄铜

83.86

131

3试验装置及工况

试验在中国建筑科学研究院模拟地震振动台上进行。该振动台台面为6×6m ，载重量60吨，可进行空间6自由度振动。

在结构模型底板布置三向加速度传感器，测试实际的地震输入。关键楼层布置加速度计测点，用来得到结构各层的水平平动、竖向及扭转反应。在结构受力的关键部位粘贴应变片，测量在地震作用下关键部位构件的受力情况。主要布置在核心筒根部、巨型柱根部、巨型斜撑、转换桁架等关键部位构件上。

本工程所在地区抗震设防烈度为7.5度，采用与设计计算相同的地震波包括五组天然地震波及两组人工波进行试验；输入方向采用X 、Y 单向、X ＋0.85Y+0.65Z 三向。分别进行了7.5度小震（峰值加速度55cm/s 2

）、7.5度中震（峰值加速度150cm/s 2

）、7.5度大震（峰值加速度310cm/s 2

）和8度大震（峰值加速度400cm/s 2

）下的试验。

图 4 模型抽层简化示意图

194294394494594高度m

Y向误差X向误差

194294394494594