上海世博會中國館抗震分析與振動臺模型試驗研究

蔣歡軍,王 斌,呂西林,陳 云

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092)

上海世博會中國館抗震分析與振動臺模型試驗研究

蔣歡軍,王 斌,呂西林,陳 云

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092)

2010年上海世博會中國館建筑造型和結構體系獨特,主體結構為4個鋼筋混凝土筒體加組合樓蓋,筒體間樓蓋向上層層展開出挑,呈四棱臺斗冠狀。倒梯形的建筑造型使上部樓層的轉動慣量增大,導致結構的第一振型為扭轉振型,不滿足現行高層結構設計規范的要求。為了研究該結構的抗震性能,檢驗和改進結構設計,利用有限元程序ANSYS對整體結構進行了抗震分析,同時又進行了比例為1/27的模擬地震振動臺試驗。計算結果表明,雖然中國館的第一振型為扭轉,但結構的扭轉反應不大,和振動臺試驗結果具有較好的一致性。同時,原型分析和模型試驗表明結構的損傷發展符合預期的破壞形式,能夠滿足預定的抗震設防目標。根據試驗結果,給出了改進設計建議。

扭轉振型;抗震分析;模擬地震振動臺試驗;地震損傷

上海世博會中國館位于世博會園區浦東區域中心位置,其結構造型獨特。主體結構為4個鋼筋混凝土筒體加組合樓蓋,底部架空,自33.3 m標高以上層層展開,展廳面積逐漸擴大,并向外挑出,形成下部小上部大的倒梯形造型,至屋頂60.3m標高處最大懸挑跨度達33.8 m。為了滿足大空間的建筑使用功能要求,展廳內除4個樓電梯間外不設柱,利用落地的樓電梯間設置四個平面尺寸為18.6 m× 18.6 m的鋼筋混凝土筒體,結合建筑的倒梯形造型,在建筑物外圍設置20根截面尺寸為800 mm× 1 500mm的方鋼管混凝土斜撐,為大跨度樓蓋提供豎向支承。標高36.3 m～49.5 m處的樓蓋為型鋼混凝土梁-混凝土板組合樓蓋,標高60.3 m處屋面采用鋼桁架-混凝土板組合樓蓋[1]。其建筑效果圖和屋蓋結構平面布置如圖1和2所示。

圖1 中國館建筑效果圖

圖2 屋蓋結構平面圖

由于倒梯形的建筑造型使結構上部樓層的轉動慣量逐漸增大,導致結構的第一振型為扭轉振形[1-2]。結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比大于0.85,未能滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)[3]4.3.5條的要求。同時,由于本工程的中間部分為32.7 m ×32.7m的中庭,在標高38.55 m～46.65 m間樓板錯層布置,使得樓層平面布置局部不連續[4]。

鑒于此,同濟大學土木工程防災國家重點實驗室在原型結構抗震計算分析的基礎上,對該結構進行了模擬地震振動臺試驗,模型尺寸的比例為1/ 27,主要考察結構在地震作用下的破壞機理和抗震薄弱環節。根據抗震分析和試驗結果的綜合對比研究,判斷結構地震反應是否滿足有關規范要求,評價結構的總體抗震性能,并提出相應的改進措施。

1 原型結構抗震計算分析

采用ANSYS分析程序[5]對中國館進行了彈性計算分析,主要對其在7度多遇地震作用下的地震響應進行研究。

1.1 結構有限元分析模型

整體結構計算模型由beam單元和shell單元組成,beam單元用于建立梁、柱、桁架和斜撐等構件, shell單元用于建立樓板和筒體剪力墻構件,其中樓板考慮其彈性變形。Beam單元數12 374,Shell單元數9 087,共計單元數21 461,節點數9 685。結構計算總質量為1.23×105t。整體結構計算分析模型如圖3所示。計算模型的材料強度值采用設計強度,結構各部位構件所用材料及設計強度見表1。

1.2 主要分析參數與計算方法

結構抗震設防烈度按7度考慮,場地類別為IV類,場地特征周期取為0.9 s,模態阻尼比取0.04。采用時程分析法計算結構在多遇地震作用下的地震響應。

選取3條地震加速度時程曲線作為輸入地震波,其中2條為天然波,1條為人工波,天然波選用El Centro(1940)波和Pasadena(1952)波,人工模擬地震波為上海市《建筑抗震設計規程》[6]中的人工波SHW 2。計算輸入地震波加速度反應譜與上海市的規范反應譜[6]的比較見圖4所示。

按照工程所在7度抗震設防區,輸入地震波加速度峰值取35 cm/s2。地震波輸入方法如下：El Centro波和Pasadena波三向輸入,分別以結構X向、Y向作主水平向,并考慮Z向輸入,三方向加速度幅值比為1：0.85：0.65。上海人工波SHW 2,分別在X和Y向單向輸入。

圖3 結構計算模型

表1 結構構件材料及設計強度

圖4 輸入地震波的反應譜與上海規范譜對比

1.3 時程計算分析結果

結構的前6階振型特性見表2,第1階振型為扭轉,2和3階分別為Y向和X向平動,其周期比不滿足現行高層結構設計規范的要求。

在3種地震波輸入下,計算得到的最大層間位移角和扭轉位移比(最大樓層位移與平均樓層位移的比值)見表3所示。從表1中可以看出,作為主要抗側力構件的4個筒體為整體結構提供了足夠的剛度,其最大層間位移角滿足現行規范限值1/1 000的要求。

結構的整體變形是由各個結構單體變形協調的結果。國家館的4個筒體作為結構的主要抗側力構件,在平面布置上規則對稱,結構的整體扭轉則由4個筒體的綜合抗扭剛度來抵抗。計算結果表明,雖然結構的第一振型為扭轉,但是從表2整體結構的扭轉位移比來看,結構的扭轉效應并不明顯,其對結構的抗震性能影響不大。

表2 結構自振特征

表3 結構最大層間位移角和位移比

圖5給出了在7度多遇地震SHW 2作用下屋面的兩個角點A和B(見圖2所示)在X向的位移時程。可以看出兩個節點的X向位移時程大部分重合,最大相差值僅為5.7mm(8.16 s時),屋面結構在地震作用下所激勵起來的平面內轉角僅為4.1×10-5rad。也就是說,結構的扭轉反應沒有被激勵起來。

圖5 節點A和B時程位移曲線

通過考察筒體在地震作用下的剪應力,可以預測結構構件是否出現損傷情況。考慮到在多遇地震作用時,結構在SHW 2作用下地震響應最大,所以此處只列出墻體在SHW 2作用,頂層位移最大時的墻體的剪應力,見圖6所示。其中墻體1為A-A軸處墻體,墻體2為A-2軸處墻體。

從圖中可以看出,大部分墻體的剪應力遠小于混凝土剪切極限強度,具有良好的安全儲備。轉換層處的墻體與深連梁(標高28.8 m～33.3m)受力復雜,出現應力集中現象,該處有少量混凝土剪應力值已超出剪切極限強度。

考慮到屋頂處樓蓋懸挑跨度過大,為了考察樓板的承載力要求,圖7列出SHW 2作用和僅考慮重力荷載作用下屋蓋樓板表面的拉應力圖。

從圖中可以看出,在X向地震作用(包括重力荷載)和僅考慮重力作用下,絕大部分樓蓋拉應力小于混凝土抗拉強度。在與筒體與斜撐相交位置的樓板有部分應力集中情況超出了混凝土抗拉強度。鑒于此,在實際的結構設計中,設計方通過適當提高板的配筋率,控制板筋的應力水平及施加無粘結預應力等措施,達到滿足承載力的要求和控制樓板裂縫的目的[2]。同時,也可以看出重力荷載作用下所產生的樓蓋拉應力約占總應力值的75%,說明樓蓋的應力主要由結構的自重荷載所引起。

圖6 墻體在SHW 2作用下剪應力圖/MPa

圖7 屋蓋拉應力云圖/MPa

考察外圍設置的20個方鋼管混凝土斜撐在地震作用下的軸向應力。在X向地震作用下,斜撐的軸向壓應力最大值為18.4 MPa。而僅在自重荷載作用下,其軸向應力最大值為17.6 MPa,二者均在設計范圍之內。相對于4個筒體,斜撐的側向剛度很小。因此,地震作用引起的斜柱軸力較小,斜柱軸力主要由豎向荷載引起。

2 模擬地震振動臺試驗

為了確保復雜超限高層結構抗震的安全可靠,除了采取有效的計算分析手段外,有必要進行模擬振動臺試驗,以便直觀的研究結構的地震破壞機理,檢驗和改進結構設計[7-9]。鑒于此,同濟大學土木工程防災國家重點實驗室對結構縮尺模型進行了模擬地震振動臺試驗。

2.1 模型設計

模型設計制作嚴格按照相似理論進行[10],同時需要抓住結構的主要影響因素,簡化和減少一些次要的相似要求,對于不同材料的高層結構模型設計,需要把握構件層次上的相似原則[11]。主要的簡化內容包括部分樓面主次梁的簡化、核心筒內墻的規則化及樓面主次梁截面配鋼形式的簡化、部分樓層夾層簡化和樓面開洞的歸一化。按照承載力相似關系設計構件配筋[12]。在該結構模型設計制作時,未考慮結構地下室部分,將整體模型嵌固在剛性底座上。試驗模型中,混凝土用微粒混凝土模擬,型鋼用紫銅模擬,鋼筋用鍍鋅鐵絲模擬。試驗模型如圖8所示。

圖8 中國館試驗模型

2.2 相似關系

由于該結構為倒梯形造型,懸挑部分大,因此豎向地震動及結構自重對結構的影響較重要。為消除重力失真的影響,結構的加速度相似系數取為1。其次,綜合考慮實驗室臺面的大小和試驗室可以實現的混凝土強度關系確定長度相似比和應力相似比。模型結構的主要相似關系見表4。試驗時的模型相似關系按微粒混凝土強度和彈性模量實測值、模型實際附加質量等進行適當調整。

2.3 輸入臺面激勵

根據7度抗震設防及IV類場地的要求以及上海市《建筑抗震設計規程》(DGJ 08-9-2003)的規定,選用與計算所用一致的地震波,依次進行了7度多遇、7度基本烈度、7度罕遇及8度罕遇地震作用下的試驗。在不同水準地震動輸入前后,均對模型進行白噪聲掃頻,以量測結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數。

表4 模型主要相似關系

2.4 動力特性

表5列出了模型在初始階段和8度罕遇地震輸入后模型動力特性的變化。

表5 模型動力特性

從表5中可以看出,在8度罕遇地震作用后,結構的頻率分別下降了27.9%(扭轉)、28.6%(Y向平動)和38.1%(X向平動)。初始結構的第一振型為扭轉,而在8度罕遇地震作用后,第一振型為X向平動,這也說明了結構X向的損傷程度大于Y向。

根據相似關系計算原型結構前三階的自振周期分別為1.13 s、0.97 s和0.97 s,與表2中原型結構的自振周期相比差別約在15%左右。

2.5 試驗損傷現象

7度多遇地震試驗階段,模型表面未發現可見裂縫。地震波輸入結束后用白噪聲掃頻,發現模型自振頻率未下降,試驗階段模型結構處于彈性工作階段。

7度基本烈度地震試驗階段,主體結構基本完好,少部分筒體連梁產生細微裂縫,個別斜撐出現扭曲現象,見圖9所示。

7度罕遇地震試驗階段,中下部大部分筒體連梁(原結構標高9.0m～28.8 m)端部出現彎曲裂縫,上部部分筒體(原結構標高33.3 m以上)連梁端部出現彎曲裂縫,同時在原結構標高33.3m處的深連梁上出現對角斜裂縫;中下部筒體剪力墻上出現水平和斜裂縫,見圖10所示。之前出現扭曲現象的斜撐的扭曲變形未進一步發展。

在8度罕遇地震試驗階段,絕大部分筒體連梁出現裂縫,部分連梁端部混凝土剝落;下部筒體剪力墻(特別是墻體根部)出現較多裂縫,部分墻體根部混凝土壓碎剝落,見圖11所示。之前有扭曲現象的斜撐扭曲變形未進一步發展。

圖9 試驗模型破壞現象(7度基本地震)

圖10 試驗模型破壞現象(7度罕遇地震)

圖11 試驗模型破壞現象(8度罕遇地震)

從模型結構的破壞情況來看,隨著地震輸入的不斷增大,首先在連梁端出現裂縫,然后是剪力墻體上出現裂縫,結構具有良好的耗能破壞機制,符合預期的破壞形式。

2.6 原型結構位移響應

由模型試驗計算原型結構位移的公式如下：

其中和分別是原型和模型的位移和aa分別是按照相似關系要求應輸入的加速度和實際輸入的加速度;Sd是模型位移相似關系。

圖12列出了原型結構在不同地震輸入下樓層的最大位移。從圖中可以看出,X向的位移大于Y向產生的位移。這可能是由于試驗時,每次地震動三向輸入都是以X向為主方向,使得整體結構在X向的動力反應值大于Y向的值。

圖12 樓層最大位移

分別計算原型結構在不同地震輸入下的最大層間位移角和最大扭轉位移比,如表6所示。在7度多遇地震作用時,X向和Y向最大層間位移角分別為1/2 003和1/2 893,均小于1/1 000的限值。在7度罕遇地震作用下,X向和Y向最大層間位移角分別為1/352和1/634,均小于1/120的限值。

表6 最大層間位移角與最大扭轉位移比

從表6中也可以看出整體結構的扭轉位移比只有在X向和三向多遇地震輸入時超出了1.2,小于1.5的限值,說明整體結構扭轉反應較小。

2.7 原型結構層間剪力

圖12列出了不同地震輸入下結構樓層的剪力分布。總體而言,結構樓層剪力呈三角形分布。隨著地震輸入的不斷增大,樓層剪力也隨之增大。在X向的樓層剪力大于Y向剪力的分布,這也與圖11中樓層位移的變形趨勢一致。

圖13 樓層剪力分布

3 結論與建議

通過上海世博會中國館的計算分析和模擬地震振動臺試驗研究,分析了結構的位移反應和破壞模式,綜合以上分析,可以得出如下結論：

1)在7度多遇地震作用下,結構未出現損壞情況,滿足“小震不壞”的抗震設防標準,整體結構的層間位移角滿足規范的要求。

2)在7度基本地震作用下,只有少部分筒體連梁端部出現細微裂縫,滿足“中震可修”的抗震設防標準。

3)在7度罕遇地震作用下,大部分筒體連梁出現彎曲裂縫,深連梁上出現對角裂縫,中下部筒體剪力墻出現水平和斜裂縫,滿足“大震不倒”的抗震設防標準。整體結構的最大層間位移角滿足規范要求。同時,結構達到預期的損傷破壞形式,具有合理的耗能機制。

4)結構的彈性第一階振型為扭轉振型,其周期比超限,但整體結構在地震作用下的扭轉反應不大,樓層位移比基本滿足規范要求。

5)為改善結構的抗震性能,建議適當減小標高33.3 m處的連梁截面高度(原高度為4.5 m)及加強構造措施,避免出現剪切破壞;加強斜撐之間的橫向連接,使其能夠抵抗較大的平面外地震作用;適當增強高度9.0 m～33.3 m范圍內結構構件的延性。

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(編輯 胡 玲)

Seism ic Analysis and Shaking Table Test of China Pavilion for EXPO 2010 Shanghai

JIANGHuan-jun,WANGBin,LUXi-lin,CHENYun
(State Key laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai200092,P.R.China)

China Pavilion for Expo 2010 Shanghai is designed w ith peculiar style and special structural system.Themain structure is com posed of four concrete tubes with steel-concrete composite floors.It is designed with a shape of inverted trapezoid in elevation.The fundamental vibrationm ode of this structure isa torsionalmodedue to the special shapewith greatermomentof inertia in upper floor,which exceeds the limit value stipulated in Chinese code.The seism ic analysis of p rototype is carried out by ANSYS p rogram to evaluate its overall seism ic performance and im prove the structural design.A t the same time,shaking table tests of a 1/27-scale structural model are conducted.It is faund that although the first m ode is torsional,the torsional responses are not so large,which agrees well w ith the results of shaking table tests.Both the test results and calculation results demonstrate that the designed structural system satisfies the seism ic damage patte rns and m eets the p re-defined performance ob jectives.Based on the test resu lts, suggestions for improving design are also put forward.

torsionalmode;seism ic analysis;shaking table test;seism ic damage

TU973.31

A

1674-4764(2011)03-0013-06

2010-12-01

國家自然科學基金項目(51078272,51021140006);上海市教委科研創新項目(09ZZ32);北京市科技計劃重點項目(D09050600370000)

蔣歡軍(1973-),男,教授,博士,主要從事工程抗震與防災研究,(E-mail)jhj73@tong ji.edu.cn。