钢筋混凝土框架—核心筒结构模拟地震倒塌试验研究

王 鹏吕西林杨 梓鲁 正胡 凯蒋 瓅

（1.同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092；2.中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063）

钢筋混凝土框架—核心筒结构模拟地震倒塌试验研究

王 鹏1，*吕西林1杨 梓1鲁 正1胡 凯2蒋 瓅2

（1.同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092；2.中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063）

钢筋混凝土框架-核心筒结构是高层建筑结构中常用的结构形式。如何有效地探寻此类结构体系在强震作用下的倒塌机理是目前高层及超高层结构抗震性能评估的核心问题之一。设计了1∶15的框架-核心筒结构模拟地震振动台试验，该结构底层一个角柱由千斤顶代替，通过千斤顶卸载模拟结构角柱破坏在地震作用等偶然作用下的破坏；再输入31个地震工况直至结构倒塌破坏，模拟角柱失效后结构在地震中的破坏以及倒塌过程。试验分析表明，底层柱的失效加剧了地震作用破坏的集中效应，底层竖向构件严重破坏并最终导致结构倒塌。

角柱破坏，框架-核心筒，地震倒塌

1 引 言

建筑结构抗地震抗倒塌能力是基于性能设计的核心目标［1］。我国在唐山地震后就提出了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准抗震设防目标，并采用两阶段设计方法［2］。建筑结构不仅应当满足设防烈度下的抗震要求，还需要具备足够的抗倒塌安全储备来抵抗可能遭遇的大震作用，避免造成重大生命财产损失。

本文以钢筋混凝土框架—核心筒结构为例，框架—核心筒结构是高层设计中一种常用的结构形式，外围框架与抗震墙体系通过协同工作成为高层结构抗震的主要抗侧力构件。在诸多的地震震害调查中也发现，高层建筑结构在大震作用下破坏受损乃至倒塌的主要表现是柱、墙的脆性剪切破坏或压屈破坏［3］，而随着结构破坏的出现，结构的鲁棒性，即防止结构在局部破坏下引起的不对称破坏的能力也逐渐得到结构设计师的认识，现今的研究更多针对平面框架或是框架结构［4］，在高层结构中的研究多集中于数值模拟，在试验方面的研究较少。本试验研究高层中的常用结构形式：框架—核心筒在底层角柱失效时的结构响应。

本试验考虑在地震作用等特殊灾害或事件中外框架部分构件发生局部破坏而失效，整体结构在此部分构件破坏后所受重力荷载的传力途径有所改变，考察结构在构件失效后的承载能力以及其再次抵抗可能出现的地震作用如余震的能力。原型结构根据我国现行规范设计，其中抗震设防烈度为7度，场地类别为上海场地土。参考文献［5］中的试验加载方法，通过重力荷载下由千斤顶替换柱并逐级卸载来模拟结构在重力荷载下柱失效引起的传力途径改变；然后对卸载后的整体结构进行模拟地震振动台试验，研究框架柱失效后结构抗震性能和整体结构的倒塌机理。通过试验现象以及采集数据可知，底层柱的卸载使得动力作用的损伤集中在底层失效柱附近，结构在底层核心筒损伤严重的情况下，失效柱相邻框架柱破坏引起结构连锁倒塌。

图1 模型结构平面布置示意图Fig.1 Model structure plane sketch

图2 模型结构平面布置图Fig.2 Model structure plane layout

2 试验设计与制作

2.1 模型设计

原型结构参考上海某21层办公楼框架—核心筒的结构布置，具体形式如图1、图2，综合考虑同济大学振动台尺寸与负载限值，确定本试验几何相似系数取1／15，其余相似关系见表1。依据相似关系理论，反映模型结构与原型结构之间的关系［6］。

表1 模型动力相似关系表Table 1 M odel dynam ic sim ilarity relation

对于拟定的柱失效工况，模型结构在制作时就采用千斤顶代替柱，并通过千斤顶的卸载模拟柱的失效。在模型设计过程中，相似关系很难满足时，采取保证主要相似原则，简化一些次要相似关系。试验主要研究结构在柱失效后的静力、动力反应与倒塌机制，重点在于竖向构件的完整，所以在保证动力特性相同的前提下，对模型结构采用抽层，将原型的三层结构并为一层，三层荷载加载在一层上，将模型由21层简化至7层后，由于框架—核心筒结构核心筒刚度较大，对结构刚度起决定性作用，故不对21层结构的核心筒部分进行修改，而缩层后由于横向传力构件缺失，使得外框架柱承担的倾覆力矩减少，所以通过板厚、梁的尺寸调整使得结构的振动频率与振型保持与原21层结构相一致，从而保证两个结构动力特性的相同，满足修改后的7层结构振动特性与原型21层结构较小偏差。再由相似理论换算为模型结构进行施工。模型采用微粒混凝土材料模拟原型结构中的混凝土，用镀锌铁丝来模拟原型结构中的钢筋。

2.2 模型制作

由于模型结构缩尺，模型尺寸较小，精度要求较高，因此对于模型施工有较高要求。梁与墙的模板采用泡沫塑料，泡沫塑料易成型，易拆模。在模型施工之前，首先将泡沫切割成一定形状，形成模型构建所需空间，绑扎与焊接铁丝作为模拟钢筋，其中柱与墙边缘构件的钢筋采用焊接，而墙、板与梁采用铁丝网片直接成型。由于试验需要抽掉结构的一个底层角柱，在模型制作过程中，该角柱采用千斤顶支撑，并在模型制作中注意检查千斤顶的位移变化情况。模型制作完成后照片见图3。模型高6.28m，其中模型重约7.2 t，附加质量后总质量约22 t。

图3 模型结构竣工时照片Fig.3 Model structure as-built drawing

2.3 试验方案

试验分为静力加载与动力加载两类工况，静力加载工况主要考察结构在恒荷载与部分活荷载作用下框架柱失效后的结构反应，通过千斤顶卸载模拟从完整结构到角柱失效的过程。动力加载工况为模拟结构振动台试验，试验根据7度抗震设防及Ⅳ类场地要求，参考文献［7］选择以下5条波作为振动台台面激励：EL Centro（1940年5月20日）、Taft、汶川波（卧龙台站）、CHICHI波（TCU141）与上海人工波SHW01，分别进行双向与三向输入。试验按照7度多遇烈度、7度基本烈度与7度罕遇烈度各阶段进行地震波输入。具体工况见表2。在各水准地震下，台面输入加速度峰值均按《上海建筑抗震设计规程》（DGJ 08—2003）［8］规定及相似关系进行调整。

表2 振动台试验地震输入对应工况号Table 2 W orking condition corresponding to seism ic input in shaking Table tese

根据结构特点与试验条件，在结构模型各层以及失效柱位置1～3层布置三向加速度传感器，一共37个。在模型X向、Y向隔层以及底层失效柱位置布置位移传感器9个。在模型底层墙角与各柱底布置应变片共13个，方向为竖直方向，用于检测动力作用下各竖向构件应变变化。

3 试验结果

3.1 试验现象

3.1.1 静力加载阶段

在进行了千斤顶卸载工况后，失效柱相邻柱棱边竖向裂纹有发展，与之相连接的梁端出现微裂缝，测得底层失效柱位置处下降位移为5.89 mm，换算原型挠度约为1／193，已经不满足《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［9］3.4.3关于梁1／300的挠度限值。一段时间后，结构挠度并未发生大的变化，结构未发生倒塌现象。

3.1.2 动力加载阶段

在进行了7度多遇地震振动试验阶段后，模型并未出现新的裂缝开展，在第一次与第二次白噪声扫频后发现模型自振频率基本未发生变化，基本处于弹性工作阶段。在7度基本地震振动试验阶段，结构开始出现比较大的层间位移，底层抗震墙开始出现少量竖向裂缝，底层连梁端部也出现斜向裂缝，并且失效柱方向抗震墙的裂缝多于其他方向的墙体，具体破坏见图4、图5。第三次扫频结果得到结构一阶自振频率（Y向平动）下降16.7%，二阶自振频率（X向平动）下降16.7%，三阶自振频率（扭转）下降8.7%。在7度罕遇地震振动试验阶段，墙体出现更多竖向裂缝且原有裂缝开展严重，模型西、北立面底层墙体出现贯通的裂缝，底层外框架柱也出现砂浆剥落，横向裂缝的开展。最终在31工况（三向加载CHICHI波）时失效柱相邻外框架柱压溃，导致整体结构倾覆倒塌。

图4 7度基本地震作用下北面底层墙体破坏情况Fig.4 Damage in north bottom wall under 7 degree basic intensity of earthquake

图5 30号工况输入后破坏情况Fig.5 The damage after 30th working condition

3.2 模型结构动力特性

通过各加速度测点的频谱特性、传递函数以及时程反应分析，得到模型结构在三次白噪声扫频下的自振频率，阻尼比与振型形态，见表3。模型结构的前两阶振型为平动，第三阶振型为扭转。

表3 白噪声扫频结果分析Table 3 Result analysis of white noise input

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加速度放大系数如图6～图8所示。可以看出随着台面输入地震波峰值提高，模型的刚度退化、结构出现破坏后，即在7度基本地震输入时，动力放大系数较7度多遇有所降低，而在7度罕遇时，部分楼层加速度放大系数小于1。在7度罕遇CHICHI波地震作用下Y向加速度放大系数远小于X方向，与其他工况下X向、Y向放大系数差别不大，表明此时Y向刚度下降严重，结构竖向构件在Y向损伤严重。

图6 7度多遇地震作用X方向下各楼层加速度放大系数Fig.6 Amplification factor in X direction under 7 degree frequent intensity of earthquake

图7 7度基本地震作用X方向下各楼层加速度放大系数Fig.7 Amplification factor in X direction under 7 degree basic intensity of earthquake

图8 7度罕遇地震作用X方向下各楼层加速度放大系数Fig.8 Amplification factor in X direction under 7 degree rare intensity of earthquake

3.4 失效柱位置处的竖向位移

模型结构在不同水准作用下失效柱位置处竖向位移如图9所示。静力试验结束后，失效柱位置千斤顶已经撤走，可以将此位置视为悬挑板。可以看出在7度多遇地震作用下（工况1－11）结构处于弹性状态，竖向位移基本保持不变。从7度基本地震（工况12－22）开始结构振动开始引起结构竖向弹塑性反应，竖向位移不断增加。

图9 各工况下失效柱位置竖向最大位移图Fig.9 Vertical displacement in position of the failure column under each working condition

3.5 结构倒塌

在7度罕遇地震下结构发生整体倒塌，破坏顺序为失效柱相邻柱→相邻墙体→底层结构→整体结构。结构的底层抗震墙在7度罕遇地震作用下发生严重破坏，并主要集中在失效柱附近。同时失效柱相邻柱由于承压增大，轴压比显著提高，在CHICHI波输入下发生柱的剪切破坏与压溃现象，该部位所支撑的楼板开始整体向下坠落，而此时核心筒底层墙体已经严重破坏，无法起到支撑整体结构的作用，在楼板下坠的同时西北角的底层筒体先被压溃，引起最终底层核心筒压溃，结构由于底层压溃坠落后在冲击作用下梁板与核心筒结构断开，结构整体性倒塌，具体倒塌情况如图10所示。

图10 结构倒塌过程图Fig.10 Process of structure collapse

4 结构倒塌分析

4.1 底层角柱失效后位移与应变反应

根据相似关系推算原型结构7度标准设防烈度设计的框架－核心筒结构在底层柱失效后并未导致结构相应位置发生较大位移，预测发生的最大位移为88.35 mm，超过了《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［9］3.4.2规定的1／300的挠度范围，但短时间内并未产生更大的位移，未发生连续性倒塌。

在工况30（7度罕遇CHICHI波双向输入）下，结构X向、Y向最大层间位移角分别为1／97，1／139，最大扭转角为1／153，没有超过《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ 3—2010）［10］关于大震状态下位移角1／100的规定，但与之前的工况不同，结构在两个方向均产生了残余变形，具体变形位移如图11所示。检查此工况下应变如图12所示，其中S1，S2为失效柱的两边相邻柱柱底应变，S4，S5为失效柱方向墙角墙底两面应变。发现失效柱方向墙角在振动过程中应变大于失效柱相邻柱，墙角应变最高达到962微应变，且在工况30下首次出现536残余微应变，根据相似关系换算，最大应变已超过微粒混凝土极限压应变。

失效柱位置竖向位移方面，在7度多遇地震作用下该竖向位移保持在很低的水准变化不大，最大值为6.2 mm。在7度基本、7度罕遇地震作用下，竖向位移在每个工况持续增大，7度基本地震作用下最大值为11.8mm，7度罕遇为18.2mm（不考虑工况31）。

4.2 结构破坏集中现象分析

由文献［4］可知试验中由于失效柱的存在，力的传播途径改变，失效柱方向抗震墙端与失效柱两边相邻柱承担更大的荷载，使得失效柱相邻的柱与墙的轴压比有所提高，根据负荷面积估算轴压比增大约0.25。依据文献［11］、［12］轴压比的增加使得墙与柱的延性下降，在大变形下承载力丧失严重，又由于结构楼板刚度较大，失效柱位置竖向位移较小，未出现明显的梁机制与悬链线机制，所以轴压比的变化主要集中在底层墙、柱上，与试验现象破坏集中在底层相符。

4.3 结构倒塌原因分析

图11 工况30残余变形图Fig.11 Residual deformation at30thworking condition

图12 工况30应变时程图Fig.12 Strain at30thworking condition

图13 倒塌瞬间柱的剪切破坏与压溃Fig.13 Shear failure and crush of column at the moment of collapse

结合位移、应变结果可以推断结构在工况30下底层破坏严重，抗震墙在7度罕遇地震作用下部分应变超过材料极限应变，出现压溃破坏，并产生不可恢复的残余变形。试验中工况30结束时位移计采集各层绝对位移如图11所示，可以看出结构在底层顶部出现不可恢复的破坏，由应变图（图12）也可以推断出该破坏应是出现在失效柱部位墙角。在工况31 7度罕遇CHICHI波三向输入时失效柱相邻柱先后发生沿柱中部斜裂缝的剪切破坏与压溃破坏（图13），结构整体向失效柱方向倾斜，此时由于底层核心筒在该方向已出现破坏，墙体因无法承担倾覆力而被压溃，随后底层核心筒在动力作用下被整体压溃，结构发生整体式倾覆倒塌。

5 结 论

根据框架—核心筒结构模拟振动倒塌试验的试验现象与数据分析后得出：

（1）在底层角柱失效的情况下，尽管已发生了内力重分布情况，但由于框架体系柱间梁的刚度较大，使得静力工况下荷载能传递至相邻竖向构件，梁端未发生明显破坏，结构能够防止连续性倒塌。

（2）在7度多遇地震作用下，结构无明显裂缝开展，两次扫频得到的频率基本不变，即结构在7度多遇地震作用下并未出现结构损伤，满足规范“小震不坏”的设计基准。在7度基本地震作用下，由于失效柱的存在，底层核心筒裂缝开展明显，结构损伤有集中在失效柱相邻位置的现象，扫频结果显示结构刚度下降，结构发生损伤。

（3）由于楼板刚度较大，结构失效柱位置的内力重分布使增大的轴压比集中在底层，使底层构件延性性能降低，出现地震破坏现象集中，在罕遇地震下失效柱方向核心筒结构破坏严重。

（4）结构最终在失效柱相邻柱的脆性压溃破坏下引起整体倒塌，说明框架－核心筒结构框架结构外围柱构件与核心筒墙体的延性是倒塌分析中需要十分关注的指标。

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Shaking Table Test Study of Earthquake Collapse of a Reinforced Concrete Frame-core Tube Structure

WANG Peng1，*LU Xilin1YANG Zi1LU Zheng1HU Kai2JIANG Li2
（1.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Chian Shipbuilding NDRIEngineering Co.，Ltd，Shanghai200063，China）

The reinforced concrete frame-core tube structure is a general structural form used in high-rise building.One of the essential problems in high-rise building is to understand the collapsemechanism in earthquake effectively.This paper designs a shaking table test to study a frame-core tube structurewith the geometric similarity ratio 1∶15，and one corner column is replaced by a screw jack.The unloading of the jack is used to simulate the failure of the corner column.31 seismic waveswere input in series till the structure collapses，which simulates the damage and collapse of the structure during earthquakes when the frame corner column is totally damaged.The analyses indicate that the failure of the column at first floor increases the concentrated damage of the first floor structure.The damage of the vertical component eventually causes the structural collapse.

ailure of corner column；frame-core tube，earthquake collapse

2013－11－14

国家自然科学基金项目（91315301－4）

*联系作者，Email：wpzzxajh＠163.com