某钢管混凝土框架-核心筒结构振动台模型试验
吕西林，殷小溦，蒋欢军，卢文胜，周颖，王墩
(同济大学 土木工程防灾国家重点实验室，上海，200092)
摘要：某钢管混凝土框架-核心筒结构高264 m，抗侧力体系由钢管混凝土外框架、钢板混凝土组合剪力墙和伸臂桁架3个部分组成。为了解此类结构在地震作用下的受力性能和反应特点，对该结构进行了 1/30 缩尺模型模拟地震振动台试验。通过分析模型结构在 8 度多遇、基本、罕遇地震和 9 度罕遇地震作用下的动力特性，对模型结构和原型结构的破坏模式、层间位移、楼层剪力等动力反应进行研究。结合大型通用有限元分析软件 ETABS 和 ANSYS 的分析结果，对原型结构的抗震设计提出了改进建议。研究结果表明：原型结构能够满足我国现行规范“小震不坏、大震不倒”的抗震设防标准，即使在 9 度罕遇特大地震作用下，仍然表现出优良的抗震性能。
关键词：超高层建筑；振动台试验；抗震性能；钢管混凝土框架；钢板混凝土剪力墙
中图分类号：TU317.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)01-0328-10
Shaking table test on super-tall building with CFT frame and composite core wall
L? Xi-lin, YIN Xiao-wei, JIANG Huan-jun, LU Wen-sheng, ZHOU Ying, WANG Dun
(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: A super-tall building is 264 m in height, which employs the composite system consisting of a concrete filled steel tube frame and a composite core wall. The building employs three parallel structural systems, i.e., the concrete filled steel tube perimeter frame, the composite steel plate reinforced concrete core wall, and the outrigger trusses, to resist vertical and lateral loads. In order to capture the seismic performances of the structure, shaking table test of a 1/30 scaled model was conducted. Through the observation of seismic performance of the model during frequent, basic, rare earthquake of degree 8, and rare earthquake of degree 9, the failure patterns of the model and prototype structure were studied. The corresponding dynamic characteristics of prototype structure were obtained. Some corresponding measures for improving the design of this structure were also put forward. The results show that the prototype structure can meet the requirement of no damage during frequent earthquakes and no collapse in rare earthquakes. The structural system is able to ensure the life safety even when there is extremely strong earthquake of degree 9.
Key words: super-tall building; shaking table test; seismic performance; concrete filled steel tube frame; composite steel plate reinforced shear wall
钢管混凝土是在薄壁钢管内填充混凝土形成的一种组合结构。钢管混凝土结构由于具有承载力高、塑性及韧性好、施工方便和耐火性能好等优点，被日益广泛应用于高层和超高层建筑中，有着广阔的应用前景。钢板混凝土组合剪力墙是在钢板剪力墙两侧浇注混凝土而形成的一种新型抗侧力构件。内部钢板由于受到外部混凝土的约束，有效地避免了钢板局部屈曲，同时也克服了钢结构耐火性能差的弱点。此外，该种结构解决了钢筋混凝土剪力墙自重大、混凝土易开裂等问题，具有较高的承载力和较强的耗能能力。目前，将钢板混凝土组合剪力墙应用于高层和超高层建筑是结构工程的一个重要趋势。钢板混凝土组合剪力墙在我国研究较少，国内对这种新型剪力墙结构的承载能力、变形能力和抗震性能的系统研究仍处于起步阶段，设计方法尚不成熟，能够为结构分析和设计提供参考的工程实例也极为缺乏[1-3]。北京财富中心二期写字楼工程同时采用钢管混凝土框架柱与钢板混凝土剪力墙构件，形成了一种新型抗侧力组合结构体系，这种结构形式在国内尚属首次应用。为了了解此种结构在地震作用下的受力性能和反应特点，提出改善结构抗震性能的建议，除了采用常规的计算分析、有效的设计手段和构造措施外，有必要对其进行整体结构模型的模拟地震振动台试验，从而更深入、全面地研究该结构的抗震性能，以便为今后我国结构规范的修订提供可靠的试验依据。
1 工程概况
北京财富中心二期办公楼高264 m，地上共59层(局部61层)，抗侧力体系由核心筒、钢管混凝土外框架和伸臂桁架三部分组成。建筑外轮廓平面尺寸(长×宽)约为64.0 m×41.5 m。塔楼沿东西方向高宽比达到6.41，核心筒高宽比为16.6，尺寸较短，刚度较小，因此在该方向采用伸臂桁架和腰桁架形成的加强层(28和44层)来增大结构的侧向刚度，控制侧向位移。结构立面和平面布置图如图1所示。
本工程在核心筒底部加强区(基础底部至地上19层)的主要墙体内设置钢板及钢暗撑形成组合钢板剪力墙及带钢暗撑剪力墙。各剪力墙内部均设置了型钢暗柱和钢暗梁，以有效约束组合钢板剪力墙中的钢板，充分发挥钢板的承载能力。其余各层剪力墙内设置钢筋混凝土暗支撑和型钢暗柱，48层至屋顶层的核心筒剪力墙局部收进。塔楼周边外框架则由力学及抗震性能优异的钢管混凝土柱和钢框梁构成。由于结构平面长边中部建筑有凹进部位，结构梁在此处有错位，故腰桁架采用两道U型环桁架的布置方案[4]。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)，型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体结构在8度区的最大适用高度为150 m[5]，本结构超出此限值114 m，即超出了76%，属于高度超限高层[6]。结构设计时全面融入了性能化设计的思想，明确了结构整体和各构件的抗震目标，结构性能目标见文献[7]。
图1 结构立面图、标准平面图和加强层透视图
Fig.1 Elevations, structural plan of typical floor and perspective view of strengthened floor
有鉴于此，对北京财富中心二期办公楼进行了1/30缩尺模型的振动台试验。通过试验结果的分析并与大型通用有限元分析软件ETABS和ANSYS的计算结果相比较，研究该结构在地震作用下的动力特性和结构的动力反应，进而评价整体结构的抗震性能，以验证和优化结构设计。
2 试验设计
在结构模型设计制作过程中，未考虑土-结相互作用，仅对原型上部结构进行模拟。模型结构被嵌固在刚性底座上，其结构形式严格按照设计院提供的设计图纸资料确定。按动力相似理论进行模型设计，对正截面承载能力的控制，依据抗弯能力等效原则，对斜截面承载力的模拟，按照抗剪能力等效原则。首先确定结构的几何和物理相似常数，并由此得到反映相似模型整个物理过程的其他相似条件[8]。
为了模型施工的简单可行同时保证将结构抗侧刚度的变化控制在允许误差范围内，根据其他工程模型试验的经验，在确保结构整体性能一致的前提下，经过研究论证，采取以下措施适当简化模型的设计与制作：
(1) 主要结构构件严格满足相似关系；
(2) 构件节点按设计计算要求制作；
(3) 忽略次要构件，如结构周边梁、楼面次梁、楼面较小的开洞等；
(4) 核心筒上墙体的开洞适当进行归一化处理。
2.1 模型材料及相似关系的确定
根据相似关系的要求，模型材料一般应具有尽可能低的弹性模量和尽可能大的密度，同时在应力－应变关系方面尽可能与原型材料的相似[9]。因此，北京财富中心二期办公楼动力模型选用微粒混凝土、镀锌铁丝和铁丝网来模拟原型结构的钢筋混凝土部分，采用紫铜模拟原型结构的钢板和型钢。在模型的设计和制作中为使构件控制截面的内力相似，各结构构件的几何尺寸和配筋均由相似关系计算得出。试验最终采用的模型相似关系见表1。
表1 模型结构相似关系
Table 1 Similitude relationship of model structure
2.2 模型设计、施工及传感器布置
本试验中，对钢筋混凝土梁、柱和楼板采用抗弯、抗剪等效的原则进行设计。对钢板、型钢柱和型钢梁内部的钢骨，按照刚度等效和抗剪等效的原则进行设计，对形状不规则的型钢构件进行了截面规则化等效模拟，并用增加配重的方法来满足结构水平方向的质量相似要求[10]。
施工完成后的模型结构总高度为9.093 m，其中模型底座高0.3 m，模型净高8.793 m。试验根据原型结构各楼层质量分布，按相似关系确定模型各楼层质量，模型附加质量按面积均匀布置在核心筒外围楼板上。根据本项目的结构特点，在模型不同高度处共布置了68个传感器，其中加速度传感器39个，位移传感器12个，应变片17个。模型刚性底座和加强层桁架的制作如图2所示。完成质量块布置和传感器安装后的模型结构见图3。
2.3 地震激励的选择及试验工况
模拟地震振动台试验台面激励的选择主要根据地震危险性分析、场地类别和建筑结构动力特性等因素确定。试验时根据模型所要求的动力相似关系对原型地震记录加以修正后，作为模拟地震振动台的输 入。根据设防要求，输入加速度幅值从小到大依次增加，以模拟多遇、基本和罕遇地震水准下对结构的作用[11]。
财富中心二期办公楼位于8度抗震设防烈度区，场地类别为Ⅱ类(场地特征周期0.37 s)。根据建设场地的条件及动力特性，选取了3条单向地震记录和2条双向天然地震波(Taft波和El Centro波)作为振动台台面激励，三条单向地震记录中GSM1和GSM2为天然波、GSM3为人工波。单向地震加速度记录的时程和反应谱见图4，图中地震记录加速度最大值被折减为0.10 g(1 g=9.8 m/s2)。
图2 模型制作过程
Fig.2 Process of model construction
图3 结构模型全图
Fig.3 Structural elevation of model structure
共进行了4个阶段共45个工况的模拟地震振动台试验，分别按照8度多遇、8度基本、8度罕遇和9度罕遇的顺序由台面依次输入。在每个试验阶段进行时，由台面依次输入GSM1，GSM2，GSM3，Taft波和El Centro波。地震波持续时间按相似关系压缩为原地震波的1/11.66。按照有关规范的规定及模型试验的相似关系要求，4个试验阶段的台面输入加速度峰值按照动力相似关系分别被调整为0.21 g，0.60 g，1.20 g和1.86 g以模拟不同水准的地震作用。对于双向地震波，两输入方向加速度幅值之比为1∶0.85[5]。在不同水准地震波输入前后，对模型进行双向白噪声扫频，以量测结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特性参数，用以确定结构刚度下降的幅度。
3 模型试验结果及分析
3.1 模型的破坏过程及破坏现象
在8度多遇地震波输入后，模型表面未发现可见裂缝。地震波输入结束后用白噪声进行扫频，发现模型自振频率基本未发生变化，说明结构尚未发生开裂破坏，本试验阶段模型结构处于弹性工作阶段。
在8度基本地震试验阶段，模型结构的反应规律与8度多遇地震试验阶段基本相似，从外观观察未发现明显的破坏现象。
在8度罕遇地震输入下，部分钢梁翼缘屈服，部分钢梁端部翼缘撕裂，个别核心筒连梁端部开裂。
9度罕遇地震输入结束后，加强层28及44层的腰桁架和伸臂桁架均未出现破坏。伸臂桁架与上下楼板相交面、与剪力墙连接处混凝土均未脱落，未发现裂缝。各层钢框梁均有轻度屈曲现象发生，其中东西立面，部分钢框梁鼓曲现象较为严重。核心筒底部完好，未发现裂缝。局部楼层核心筒连梁出现裂缝。北立面48层及以上各层剪力墙局部缩进，缩进处剪力墙暗柱混凝土严重剥落。具体破坏现象见图5。
3.2 模型结构动力特性
在不同水准地震作用前后，采用白噪声对结构模型进行扫频。通过对各加速度测点的频谱特性、传递函数以及时程反应的分析，得到模型结构的自振频率、阻尼比和振动形态。结果表明：模型结构的低阶振型的振动形态主要为平动和整体扭转。模型结构前3阶自振频率分别为2.27 Hz(X向平动)、2.84 Hz(Y向平动)和4.54 Hz(扭转)。直至8度罕遇地震作用结束，X向频率没有降低，Y向频率由试验前的2.84 Hz降低为2.29 Hz。钢管混凝土外框架-钢板混凝土剪力墙组合结构体系表现出优良的抗震性能。在9度罕遇地震试验结束后，模型结构前3阶频率分别为1.66 Hz(X向平动)、1.70 Hz(Y向平动)和3.40 Hz(扭转)，分别降低了26.9%，40.1%和25.1%。
图4 输入台面地震激励时程和反应谱
Fig.4 Time history and response spectrum of input waves
3.3 模型结构加速度放大系数
模型结构在不同水准地震作用下各层加速度放大系数包络图如图6所示。总体而言，在各级地震作用下，X向与Y向最大加速度反应规律基本相同。从图6可以看出：结构顶部由于质量及刚度均较小，加速度增加较快，顶层鞭梢效应非常明显；随着台面输入地震波加速度峰值的提高，结构出现一定程度的破坏，模型刚度退化，同一楼层加速度放大系数逐步减小。在结构下部(19层以下)，由于设有钢板剪力墙，层刚度较大，因此，加速度放大系数沿楼层增长较快。结构 加强层(28层和44层)处由于设有伸臂桁架和腰桁架，沿结构高度方向刚度突变，加强层附近楼层的最大加速度反应有减小趋势。
图5 模型结构破坏现象
Fig.5 Failure pattern of model structure
图6 不同水准地震作用下模型结构加速度放大系数包络图
Fig.6 Acceleration amplification factors of model structure
3.4 模型结构应变反应
模型底部剪力墙、底层柱的应变随地震作用的增加而增大，剪力墙应变比底层柱应变增大幅度快。从8度基本到9度罕遇地震作用下，伸臂桁架斜撑在主向为X的地震波作用下，是所有测点的最大应变处。这说明伸臂桁架使外柱与核心筒间水平力得以直接传递，有效地提高了结构的抗侧刚度。伸臂桁架斜撑应变大于弦杆应变，随着地震烈度的增大，斜撑与弦杆间应变差逐渐增大。
4 原型结构抗震性能分析
4.1 原型结构动力特性
根据相似关系可以推算出原型结构在不同水准地震作用下的自振频率和振动形态。结构在经受地震作用前的前3阶振型分别为X向平动、Y向平动和扭转，前3阶频率分别为0.195，0.244和0.389 Hz，相应的周期为5.137，4.106和2.568 s。结构扭转为主的第1自振周期与X向及Y向第1阶平动自振周期之比分别为0.500和0.625，小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)[5]规定的限值0.85。
表2所示为试验推算得到的、ANSYS和ETABS[7]软件计算得到的原型结构前六阶初始自振频率和振型。从表2可见：除第1阶扭转振型的试验推算频率与软件计算结果有较大差异外，其余各阶振型的初始值均吻合较好。图7所示为结构前3阶振型形态，图8所示为振动台模型试验与ANSYS软件计算得到的前两阶平动振型的振形图。可见：试验能够很好地反映原型结构的动力特性。
表2 原型结构初始自振频率和振型
Table 2 Initial frequencies and vibration modes of prototype structure
4.2 原型结构位移及位移角
通过对加速度时程处理并进行积分变换，可以获得相对振动台台面的位移响应时程。图9所示为各级地震波输入下，X向及Y向各测点相对台面位移的最大值与楼层的关系曲线。从图9可以看出：除了顶部鞭梢效应较明显，各层位移的最大值沿高度大致上呈线性形分布，上部大、下部小，这表明外围钢－混凝土组合框架和剪力墙核心筒之间具有较好的协同工作性能。在8度多遇地震作用下，X向位移比Y向位移大，说明X向刚度小于Y向刚度。而在之后的试验阶段，2个方向的位移相当，这与结构的自振频率变化相对应。
图7 结构前3阶振型形态
Fig.7 First three mode shapes
在8度多遇地震作用下，X向总位移角为1/1 384，层间位移角最大值为1/665，Y向总位移角为1/3 075，层间位移角最大值为1/706，小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)的限值1/500。ANSYS计算得到的X向层间位移角最大值为1/615，Y向层间位移角最大值为1/913。ETABS计算得到的X向层间位移角最大值为1/540，Y向层间位移角最大值为1/674[7]。在8度罕遇地震作用下，X向总位移角为1/352，层间位移角最大值为1/124，Y向总位移角为1/313，层间位移角最大值为1/187，小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)的限值1/100。
从层间位移角沿结构的竖向分布可以看出：伸臂桁架和腰桁架的设置使得加强层的侧向刚度相对其附近相邻层要大些，直到输入加速度峰值相当于9度大震时，桁架的刚度增强作用仍然很明显。
4.3 原型结构剪力分布
根据模型结构的加速度反应和结构楼层的质量分布，可以得到原型结构在不同水准地震作用下的剪力分布，又根据相似关系可以确定原型结构的剪力分布以及剪重比[8]。原型结构在不同水准地震作用下的楼层剪力包络图如图10所示，剪重比见表3。从图10可以看出：楼层剪力分布较均匀，楼层剪力大致呈 三角形分布，在8度多遇地震作用下，ANSYS软件计算值与试验推算值相差不大。在8度多遇地震作用下，试验推算得到的X向和Y向最大基底剪力分别为71.083 MN和89.416 MN，剪重比分别为2.81%和3.70%。随着输入地震动幅值的增大，剪重比逐渐增大。
图8 结构平动振型
Fig.8 Translational vibration modes of prototype structure
图9 不同水准地震作用下原型结构最大位移反应包络图
Fig.9 Displacement response envelopes of prototype structure
图10 不同水准地震作用下原型结构最大剪力包络图
Fig.10 Story shear force response envelopes of prototype structure
表3 不同水准地震作用下原型结构剪重比
Table 3 Base shear coefficient of prototype structure %
5 结论
(1) 根据模型动力反应特征和开裂情况，北京财富中心二期办公楼的结构设计方案能够满足工程所在地8度抗震设防要求。
(2) 试验推算得到的原型结构前3阶振型依次为X向平动、Y向平动和扭转，前3阶自振周期分别为5.137，4.106和2.568 s。结构扭转为主的第1自振周期与X向及Y向第1阶平动自振周期之比分别为0.500和0.625，扭转效应不明显，满足规范要求。试验推算得到的前6阶频率与软件分析结果相差不大，模型试验可以很好地反映结构的动力性能。
(3) 钢管混凝土外框架-钢板混凝土组合剪力墙体系表现出优良的抗震性能，直至8度罕遇地震作用结束，结构刚度仍无明显衰减。
(4) 通过设置伸臂桁架和周边腰桁架形成的加强层能够有效地增加整体结构的抗侧刚度。结构顶部有较明显的鞭梢效应。
(5) 与加强层相邻的楼层的延性相对较弱，设计中可适当加强，或适当调整加强层自身的侧向刚度，减小其与相邻楼层结构侧向刚度比的变化幅度。
(6) 建议结构设计时对原结构作如下改进：宜适当增加加强层相邻楼层构件的延性；楼面4个角部连接钢框架与核心筒的钢梁梁端应予以适当加强；改善48层及以上各层剪力墙局部收进处剪力墙暗柱的抗震性能；适当增加屋顶层的强度和延性，以避免因鞭梢效应引起的结构破坏。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2011-01-15；修回日期：2011-03-07
基金项目：北京市科技计划重点项目(D09050600370000)；国家自然科学基金重大研究计划重点项目(90815029)；国家自然科学基金国际合作与交流项目(51021140006)
通信作者：殷小溦(1983-)，女，山东淄博人，博士，从事混凝土结构理论、结构抗震研究；电话：021-65986039；E-mail: yxwtoo567@163.com
