不同地震動對巨型框架振動臺試驗的影響

吳　明，吳　杰

(1. 合肥工業大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009；2. 安徽建筑大學 土木工程學院, 安徽 合肥 230601；3. 同濟大學 土木工程學院, 上海 200092)

不同地震動對巨型框架振動臺試驗的影響

吳明1, 2，吳杰3

(1. 合肥工業大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009；2. 安徽建筑大學 土木工程學院, 安徽 合肥 230601；3. 同濟大學 土木工程學院, 上海 200092)

通過8.04 m超高層巨型框架結構的縮尺模型試驗，探討巨型框架結構的動力特性、彈性和彈塑性地震反應及結構的破壞形式，研究持時、頻率和幅值不同的地震動對巨型框架結構的動力特性的影響.試驗結果表明，巨型框架結構體系的整體剛度大和周期長,不同的地震動作用下巨型框架結構存在明顯的差異動力反應，振動臺試驗中的地震動選取應綜合考慮巨型框架結構長周期的特性和所選地震動的持時、幅值和加速度反應譜特征.

巨型框架; 地震動; 持時; 頻率

1　模型簡介

巨型框架結構振動臺試驗模型有55層，其中50層為普通框架層，第11層、 22層、 33層、 44層、 55層為巨型框架層，模型平面尺寸為1.56 m×1.44 m，總高度為8.04 m，高寬比為5.48，四角設筒體巨型柱．巨型框架振動臺試驗模型如圖1所示，其中，4個角部為筒體，具體結構參數參閱文獻[2].根據軟件分析得到原型及模型周期[2-4]，如表1所示.

(a) 架空層平面圖

(b) 標準層及巨型層平面圖

(c) 模型立面圖1　巨型框架振動臺試驗模型Fig.1　Test model of mega frame structure

表1　原型及模型周期Table 1　Periods of practical and testing model

2　地震動的選取

地震動對結構的主要影響因素表現為地震動的持時、頻率和幅值[5-8]，考慮到巨型框架結構的周期較長，因此，試驗時選擇了El Centro-NS地震動、對長周期結構影響明顯的具有速度脈沖特性的Chi-Chi地震動、持時較長的汶川地震動以及人工地震動.

(1)El Centro-NS地震動：持時為53.73 s，南北向峰值加速度(PGA)為341.7 cm/s2、東西向加速度為210.1 cm/s2、豎直方向加速度為206.3 cm/s2，場地土為Ⅱ～Ⅲ類，其加速度時程曲線如圖2所示.(2)Chi-Chi地震動記錄：中國臺灣，峰值加速度(PGA)為341.45 cm/s2，其加速度時程曲線如圖3所示.(3)汶川地震動記錄：峰值加速度(PGA)為824.07 cm/s2,其加速度時程曲線如圖4所示.(4)人工地震動：課題組從能量分析的角度采用自行編制的EQSYS[5]程序生成的地震動，該地震動以El Centro-NS方向記錄母波，調整周期范圍為0.1～5 s，目標譜為Ⅱ類場地、設計地震分組為第2組、7度罕遇地震對應的設計譜，最大加速度為224 cm/s2，加速度時程如圖5所示，調整記錄的加速度反應譜與目標譜的對比如圖6所示，其中，縱坐標加速度單位為g，1g=9.8 m/s2.

圖2　El Centro-NS時程曲線Fig.2　El Centro-NS time history curve

圖3　Chi-Chi時程曲線Fig.3　Chi-Chi time history curve

圖4　汶川時程曲線Fig.4　Wenchuan time history curve

圖5　人工地震動時程曲線Fig.5　Artificial ground motion curve

圖6　實際反應譜與目標譜Fig.6　Real response spectrum and target spectrum

圖7為7度罕遇加速度反應譜.從圖7中可看出，Chi-Chi地震動的加速度反應譜曲線較飽滿，相對于El Centro-NS地震動、汶川地震動和人工地震動，Chi-Chi地震動長周期成分較明顯，此外，考慮到Chi-Chi地震動具有明顯的速度脈沖信號和試驗模型周期較長等因素，實際試驗選取了El Centro-NS地震動、Chi-Chi地震動、汶川地震動和和人工地震動.

圖8為時間壓縮后的7度多遇地震動的加速度反應譜，該時間坐標根據相似關系壓縮為原來的1/10，縱坐標是原來的4倍，該加速度反應譜曲線中，不同周期T對應的加速度Sa值如表2所示，與表1中的模型周期相比可知，Chi-Chi地震動對結構影響較大.

圖7　7度罕遇加速度反應譜Fig.7　Seven degree rare acceleration response spectrum

圖8　7度多遇加速度反應譜Fig.8　Seven degree frequent acceleration response spectrum

表2　反應譜周期對應的加速度SaTable 2　Acceleration corresponding to response spectrum periods

3　試驗結果的動力分析

3.1試驗破壞現象

模型在7度基本地震動作用下，在巨型層附近的筒體表面出現了較多的細小裂縫，發生在水平、豎向和斜向方向上，表明結構出現輕微破壞，如圖9(a)所示.模型在7度罕遇地震動作用下，距模型底部約100 mm處發生了粉刷層剝落的現象，同時，第22層、 33層、 44巨型框架層的附近出現了很多裂縫，次框架柱底部出現混凝土剝落現象，如圖9(b)所示.

(a) 細小裂縫

(b)混凝土剝落圖9　破壞現象Fig.9　Damage phenomenon

3.2樓層最大剪力

1.2 試驗材料 供試玉米品種：鄭單958；肥料增效劑：長效復合增效劑( NAM: 由氫醌、雙氰胺、絡合稀土和沸石粉組成)、脲酶抑制劑氫醌 ( HQ)、硝化抑制劑雙氰胺 (DCD)、復硝酚鈉、DA-6胺鮮酯。

通過振動臺數據采集系統獲得巨型框架模型結構的加速度響應，經過平滑、濾波處理后得到模型結構的樓層加速度，將加速度乘以相應的樓層質量得到相應的樓層剪力，不同地震動下7度基本地震后樓層最大剪力分布如圖10(a)所示，El Centro-NS地震動作用下的樓層最大剪力分布如圖10(b)所示.從圖10可看到，最大樓層剪力從上向下呈直線分布，表明了巨型框架結構體系的整體剛度較大，這是由于巨型框架結構筒體剛度大并且樓層剪力主要由筒體承擔的緣故.

(a) 7度基本地震

(b) El Centro-NS圖10　樓層剪力包絡圖Fig.10　Envelope diagrams of floor shear force

3.3加速度反應

振動臺MTS數據采集系統獲得的各水準地震作用下加速度傳感器的反應信號，經過濾波、平滑處理得到模型的加速度反應.El Centro-NS地震動作用下模型結構各層最大加速度放大系數見圖11所示.

圖11　各層最大加速度放大系數Fig.11　Maximal acceleration amplification factors

試驗加載順序為7度多遇、7度基本、7度罕遇、臺面極值(相當于原型作用0.3g的地震動).由圖11可看出，隨著加載的進行，El Centro-NS地震動的加速度放大系數曲線變得越來越傾斜，同時加速度系數大小發生一系列變化，最終加速度放大系數有所降低.這是由于模型隨著加載的加速度峰值的提高以及加載的不斷進行，逐漸發生結構損傷、剛度退化及阻尼比增大的緣故.

3.4模型結構位移反應

模型結構位移反應值由加速度值積分獲得，在不同水準的El Centro-NS地震動作用下模型結構的位移時程曲線如圖12所示.

(a) 7度多遇　　(b) 7度基本

(c) 7度罕遇圖12　不同水準地震作用下的位移時程曲線Fig.12　Displacement time history curves under different earthquake levels

在不同烈度、相同的地震動作用下模型結構的最大位移如圖13所示，同一烈度、不同的地震動作用下模型結構的最大位移如圖14所示.

(a) El Centro-NS

(b) 人工

(c) Chi-Chi圖13　不同烈度、相同的地震動作用下模型結構的最大位移Fig.13　Maximum displacements under different intensities with the same seismic waves

由圖13和14可以看出，在7度多遇和7度基本地震試驗階段，El Centro-NS地震動單向輸入時的位移反應小于人工地震動及雙向輸入的El Centro-XY地震動的位移反應；人工波的低頻加速度反應譜值較大，相對于單向輸入的El Centro-NS波，人工波更能激發結構的反應；同樣烈度的地震動作用下，Chi-Chi波位移反應明顯大于El Centro-NS地震動的位移反應，表明結構的最大位移不僅與輸入的地震動烈度的大小有關，還與地震動的頻譜特性與結構自振特性有關.

(a) 7度多遇

(b) 7度基本

(c) 7度罕遇圖14　同一烈度、不同的地震動作用下模型結構的最大位移Fig.14　Maximum displacements under different seismic waves with the same intensity

3.5層間位移角

在地震動作用下，層間位移角變化如圖15所示.由圖15可看出，在地震動作用下巨型層層間位移角明顯小于其他層層間位移角，7度罕遇地震作用及7度基本地震作用下側移線基本均勻，7度罕遇地震作用下最大層間位移角為1/184 rad(37層)，該位移角小于文獻[9]規定的1/120 rad，但明顯大于其他層的層間位移角，所以巨型框架結構設計不但要重視主框架層的側移剛度設計，也應該重視次框架層的側移剛度設計.圖15也表明層間位移角隨著輸入加速度峰值的不斷提高而增大.

圖15　層間位移角Fig.15　Interlayer displacement Angle

4　結　語

本文通過對超高層巨型框架結構的縮尺模型進行試驗研究和理論分析，探討了不同地震動對巨型框架結構動力特性的影響，得出以下主要結論.

(1) 巨型框架結構的周期較長，振動臺試驗方案中的地震動的選擇應綜合考慮地震動的持時、幅值、地震加速度反應譜特征周期和結構基本自振周期等影響因素.

(2) 巨型框架結構體系的整體剛度大，建筑結構整體性好，樓層剪力主要由筒體承擔.

(3) 隨著加載的加速度峰值的提高，巨型框架結構將發生損傷和剛度退化，從而導致加速度放大系數變化、層間位移角增大.

(4) 巨型框架結構的最大位移不僅與輸入的地震動烈度的大小有關，還與地震動的頻譜特性與結構自振特性有關.

[1] 中國建筑科學研究院. PKPM用戶手冊及技術條件[R].北京:中國建筑科學研究院PKPM CAD 工程部,2008．

[2] 吳明,葉獻國,蔣慶，等.巨型框架振動臺試驗設計[J].工業建筑,2013,43(6):47-51.

[3] 黃維平,鄔瑞鋒,張前國.配重不足時的動力試驗模型與原型相似關系問題的探討[J].地震工程與工程振動,1994,14(4):64-71.

[4] 鄒昀,呂西林,盧文勝，等.上海環球金融中心大廈整體結構振動臺試驗設計[J].地工程與工程振動,2005,25(4):54-59.

[5] 王德才.基于能量分析地震動輸入選擇及能量譜研究[D].合肥:合肥工業大學土木與水利工程學院,2010:113-146.

[6] 謝禮立,翟長海.抗震結構最不利設計地震動研究[J].地震學報,2005,38(12):51-58.

[7] 周靖,方小丹.速度脈沖激勵作用下混凝土框架柱抗剪性能研究[J].振動與沖擊, 2011,30(10):109-115.

[8] 蔣慶.巨型框架結構的地震反應及基于小波分析的損傷研究[D].合肥:合肥工業大學土木與水利工程學院，2011:33-34.

[9] 中華人民共和國城鄉和建設部．JGJ3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011：19-20.

Effect on Dynamic Characteristics of Mega Frame Structures with Different Ground Motion

WUMing1, 2,WUJie3

(1. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Civil Engineering School, Anhui Jianzhu University,Hefei 230601, China;3. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Dynamic characteristics, elastic and plastic seismic responses are discussed based on the model test of an 8.04 m mega frame structure. The structural performances under different seismic duration and amplitude and frequency are studied. The test results show that the structural dynamic responses of mega frame structure with large overall stiffness and long period significantly vary under different ground motion, and the influence factors of shaking table test include structural natural vibration periods, motion duration, motion amplitude and characteristic periods of acceleration response spectrum.

mega frame; ground motion; duration; frequency

1671-0444(2015)04-0513-05

2015-04-05

國家自然科學基金重大研究計劃資助項目(90715016)；土木工程防災國家重點實驗室開放課題基金資助項目(SLDRCE08-HZ-01)

吳明(1969-)，男，安徽蕪湖人，講師，博士研究生，研究方向為結構工程.E-mail：frank_wucn@126.com

P 315.8

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