高层框筒结构建筑抗震性能试验研究与数值模拟

　　摘要为研究某框筒结构高层建筑的抗震性能，建立了缩尺比例为1/50的简化试验模型，并采用ANSYS验证了试验模型简化方法的可靠性。通过振动台试验得到了模型结构在不同烈度地震荷载作用下的固有特性和动力响应，并对该高层建筑的抗震性能进行了分析。将试验推算数据和原型结构数值模拟结果进行对比，验证了试验数据的可靠性。研究结果表明，该试验模型简化方法能够满足高层建筑抗震性能试验研究的要求;试验数据按相似比推算至原型后与数值模拟数据相吻合，验证了原型结构能够满足抗震设防要求。研究方法和成果可为振动台试验模型简化以及高层建筑抗震性能研究提供参考。

　　关键词框架-核心筒结构，振动台试验，数值模拟，动力反应，抗震性能

　　o引言

　　框架一核心筒结构已成为大型商务高层建筑的常用结构形式。由于基于反应谱法的结构设计软件只能计算出结构在地震作用下的最大动力反应量，而无法获得结构的完整时程响应。因此，我国抗震规范m规定在设计高层建筑时，应采用时程分析法对其抗震性能做补充验算。相比大型有限元软件的动力时程分析，振动台试验以其精确性、直观性和可靠性而广为使用。我国学者采用振动台试验从不同的角度对高层建筑的抗震性能进行了研究。唐兴荣等⑵对带有叠层桁架转换层的上海裕年国际商务大厦进行了抗震性能研究，通过1：25的缩尺模型振动台试验，获得了结构的动力特性和破坏机理，验证了结构的良好抗震性能。

　　吕西林等⑶对一个12层的钢一混凝土竖向混合框架结构模型进行了抗震性能研究，通过振动台试验获得了钢一混凝土混合结构的抗震性能。然而，随着高层建筑设计高度不断增大，大比例尺振动台试验模型的重量和高度也随之增大，从而对振动台的承载力和试验空间高度提出了新的挑战。由于振动台设备以及改造试验空间高度所需的成本较高，本文采用一种试验模型简化方法⑷建造大比例尺试验模型，以达到减小试验模型重量及高度的目的。通过模型简化方法的数值对比计算验证了该简化方法的可靠性。根据振动台试验结果，分析了模型结构在不同烈度地震作用下的固有特性和动力响应。将试验结果按相似比推算至原型，并与数值模拟结果进行对比，验证了该高层建筑抗震性能能够满足我国抗震规范的各项要求。研究成果可为振动台模型简化和高层建筑抗震性能研究提供参考。

　　1试验模型

　　1.1原型结构

　　该高层建筑位于合肥市，地上41层，地下5层，总建筑面积95027n?。结构形式为框架一核心筒结构，抗震设防烈度为7度，特征周期0.35g，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.1go梁和楼板采用C40混凝土，剪力墙采用C50混凝土，框架柱采用C60混凝土，受力钢筋主要采用HRB400和HPB300两种规格。

　　1.2模型的简化

　　该建筑地下共4层，相比周围的地基土而言，地下结构的刚度较大。因此，试验模型采用固定基础，即上部结构通过螺栓直接固定在振动台台面上。考虑到振动台的承载力以及试验场地空间限制，确定模型尺寸为原型的1/50，并采用抽层的方法对原型结构进行简化。将各个标准层中相邻的上下楼板抽去，并将所抽去楼板的恒活荷载平均分配至相邻的上下层楼板。同时，采用强度和刚度等效原理对柱和核心筒截面进行修正。最终将41层的原型结构简化为了缩尺比例为1/50的20层试验模型。

　　1.3相似比例的确定

　　振动台试验的相似比关系根据试验模型是否采用原型材料而不同。本试验采用非原型材料进行模拟，用不同强度微粒混凝土来模拟原型结构的混凝土，材料的力学性能参数如表2所示。选用抗拉屈服强度为295MPa的镀锌铁丝近似模拟原型结构中框架梁、楼板和剪力墙中的主筋14引。采用Buckinghamtt定理确定了物理量的相似比例。

　　1.4模型简化方法可靠性验证

　　模型简化前，采用有限元软件ANSYS建立了原型结构和抽层后的简化数值模型，通过对比地震作用下的时程分析结果，以验证模型简化方法的可靠性。选择梁单元(BEAM188)模拟框架梁和柱，壳单元(SHELL181)模拟剪力墙和楼板，模型底部均采用固定端约束。由计算结果可知，原型结构的低阶振型与简化模型一致。

　　前两阶振型分别为沿y轴和X轴方向的弯曲;第三振型为扭转振型;第四、五阶振型分别为沿丫轴和X轴方向的剪切变形，且均具有一个反弯点。将两个模型的固有周期、最大层间位移和最大层间位移角进行对比。固有周期最大误差为2.6%，层间位移的最大误差为5.42%，层间位移角的最大误差为8.56%。简化模型的结构特性与原型结构较为接近，因此该简化方法是可行的，简化后的试验模型可以作为试验的研究对象。

　　2试验结果分析

　　2.1试验模型固有特性

　　通过四次白噪声扫频，得到了固有频率随地震峰值加速度增大而发生的变化。由幅频曲线，采用半功率带宽法得到了结构在不同地震烈度作用后的阻尼比。各阶段固有频率和阻尼比的计算结果如表9所示。随着地震峰值加速度的增大，结构的X轴和y轴方向的固有频率均不断减小，阻尼比均不断增大，说明结构不断发生破坏，结构的抗侧刚度也随之减小。经历了7度多遇和7度罕遇地震，结构X轴和y轴固有频率的降幅分别为9.7%和12.2%，由于刚度变化的比率是频率变化比率的平方倍，因此y轴方向水平抗侧刚度相比X轴降低更为明显。

　　8度罕遇地震作用后结构x轴和r轴固有频率的降幅分别为23.6%和18.3%，结构已经发生了破坏，刚度减小，固有频率与受到地震激励之前有较大变化。9度罕遇地震作用后结构X轴和y轴固有频率的降幅分别为37.5%和26.8%，结构的破坏加重。由试验数据得到的模型X轴方向第一和第三阶的平动振型。由于框架和核心筒的振动特性不同，框架的变形呈剪切形，核心筒的变形呈弯曲形，两者组合后使得X轴第一阶振型呈弯剪形，第三阶振型岀现了反弯点，该结果与ANSYS数值模拟结果相吻合。

　　2.2加速度响应

　　加速度响应表征了结构振动剧烈的程度，展示了结构顶部角点的加速度时程曲线。为便于描述整个结构的加速度响应，定义加速度放大系数为模型各层与基底加速度最大绝对值的比值[8-l01o各工况下模型的放大系数。在三种地震波作用下，各楼层的动力放大系数均小于3.0，屋盖最大动力放大系数为3.98，结构各层的动力响应无突变现象，鞭梢效应较明显。

　　2.3位移响应

　　由于位移计布置得较少，为了获得结构更多的位移响应，通过MATLAB软件将加速度转换成频域后再进行二次积分，最后再将频率积分结果转换为时域，即可得到点位的位移时程。经数据处理后，得到了不同工况下试验模型各层的最大层间位移和层间位移角。

　　3试验与数值模拟结果对比

　　3.1数值模型

　　由于原型建筑采用YJK软件设计，直接采用该软件的结构计算模块进行有限元建模，其时程计算结果能更准确地反映设计结构的动力响应。因此，本文采用YJK软件的数值模拟结果与试验结果进行对比，从而验证试验结果的可靠性。YJK软件采用梁单元模拟框架柱、框架梁和次梁，采用壳单元模拟楼板和剪力墙，模型底部采用固定端约束。

　　4结论

　　本文通过对某高层建筑进行振动台试验和数值模拟得到结论如下：

　　(1)采用抽层以及强度和刚度等效原则建立的简化试验模型与原型建筑的固有特性和动力响应误差较小，验证了试验模型简化方法的可靠性，该方法可为振动台试验模型的简化设计提供参考。

　　(2)试验结果表明，试验模型的最大动力反应量均小于我国抗震规范中各项限值规定，且满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防要求。

　　(3)试验结果按相似比推算至原型结构后，与有限元软件模拟结果较为接近，证明了试验数据的可靠性和研究方法的正确性。

　　参考文献

　　[1]中华人民共和国住房与城乡建设部•GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.MinistryofHousingandUrban-RuralDevelopmentofthePeople*sRepublicofChina.GB50011—2010Codeforseismicdesignofbuildings[S].Beijing：ChinaArchitecture&BuildingPress，2010.(inChinese)

　　[2]唐兴荣，王恒光，等.带叠层桁架转换层高层建筑结构整体模型振动台试验研究[J].建筑结构学报，2011，32(6):18-26.

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