不同地震动对巨型框架振动台试验的影响

吴　明，吴　杰

(1. 合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009；2. 安徽建筑大学 土木工程学院, 安徽 合肥 230601；3. 同济大学 土木工程学院, 上海 200092)

不同地震动对巨型框架振动台试验的影响

吴明1, 2，吴杰3

(1. 合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009；2. 安徽建筑大学 土木工程学院, 安徽 合肥 230601；3. 同济大学 土木工程学院, 上海 200092)

通过8.04 m超高层巨型框架结构的缩尺模型试验，探讨巨型框架结构的动力特性、弹性和弹塑性地震反应及结构的破坏形式，研究持时、频率和幅值不同的地震动对巨型框架结构的动力特性的影响.试验结果表明，巨型框架结构体系的整体刚度大和周期长,不同的地震动作用下巨型框架结构存在明显的差异动力反应，振动台试验中的地震动选取应综合考虑巨型框架结构长周期的特性和所选地震动的持时、幅值和加速度反应谱特征.

巨型框架; 地震动; 持时; 频率

1　模型简介

巨型框架结构振动台试验模型有55层，其中50层为普通框架层，第11层、 22层、 33层、 44层、 55层为巨型框架层，模型平面尺寸为1.56 m×1.44 m，总高度为8.04 m，高宽比为5.48，四角设筒体巨型柱．巨型框架振动台试验模型如图1所示，其中，4个角部为筒体，具体结构参数参阅文献[2].根据软件分析得到原型及模型周期[2-4]，如表1所示.

(a) 架空层平面图

(b) 标准层及巨型层平面图

(c) 模型立面图1　巨型框架振动台试验模型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　地震动的选取

地震动对结构的主要影响因素表现为地震动的持时、频率和幅值[5-8]，考虑到巨型框架结构的周期较长，因此，试验时选择了El Centro-NS地震动、对长周期结构影响明显的具有速度脉冲特性的Chi-Chi地震动、持时较长的汶川地震动以及人工地震动.

(1)El Centro-NS地震动：持时为53.73 s，南北向峰值加速度(PGA)为341.7 cm/s2、东西向加速度为210.1 cm/s2、竖直方向加速度为206.3 cm/s2，场地土为Ⅱ～Ⅲ类，其加速度时程曲线如图2所示.(2)Chi-Chi地震动记录：中国台湾，峰值加速度(PGA)为341.45 cm/s2，其加速度时程曲线如图3所示.(3)汶川地震动记录：峰值加速度(PGA)为824.07 cm/s2,其加速度时程曲线如图4所示.(4)人工地震动：课题组从能量分析的角度采用自行编制的EQSYS[5]程序生成的地震动，该地震动以El Centro-NS方向记录母波，调整周期范围为0.1～5 s，目标谱为Ⅱ类场地、设计地震分组为第2组、7度罕遇地震对应的设计谱，最大加速度为224 cm/s2，加速度时程如图5所示，调整记录的加速度反应谱与目标谱的对比如图6所示，其中，纵坐标加速度单位为g，1g=9.8 m/s2.

图2　El Centro-NS时程曲线Fig.2　El Centro-NS time history curve

图3　Chi-Chi时程曲线Fig.3　Chi-Chi time history curve

图4　汶川时程曲线Fig.4　Wenchuan time history curve

图5　人工地震动时程曲线Fig.5　Artificial ground motion curve

图6　实际反应谱与目标谱Fig.6　Real response spectrum and target spectrum

图7为7度罕遇加速度反应谱.从图7中可看出，Chi-Chi地震动的加速度反应谱曲线较饱满，相对于El Centro-NS地震动、汶川地震动和人工地震动，Chi-Chi地震动长周期成分较明显，此外，考虑到Chi-Chi地震动具有明显的速度脉冲信号和试验模型周期较长等因素，实际试验选取了El Centro-NS地震动、Chi-Chi地震动、汶川地震动和和人工地震动.

图8为时间压缩后的7度多遇地震动的加速度反应谱，该时间坐标根据相似关系压缩为原来的1/10，纵坐标是原来的4倍，该加速度反应谱曲线中，不同周期T对应的加速度Sa值如表2所示，与表1中的模型周期相比可知，Chi-Chi地震动对结构影响较大.

图7　7度罕遇加速度反应谱Fig.7　Seven degree rare acceleration response spectrum

图8　7度多遇加速度反应谱Fig.8　Seven degree frequent acceleration response spectrum

表2　反应谱周期对应的加速度SaTable 2　Acceleration corresponding to response spectrum periods

3　试验结果的动力分析

3.1试验破坏现象

模型在7度基本地震动作用下，在巨型层附近的筒体表面出现了较多的细小裂缝，发生在水平、竖向和斜向方向上，表明结构出现轻微破坏，如图9(a)所示.模型在7度罕遇地震动作用下，距模型底部约100 mm处发生了粉刷层剥落的现象，同时，第22层、 33层、 44巨型框架层的附近出现了很多裂缝，次框架柱底部出现混凝土剥落现象，如图9(b)所示.

(a) 细小裂缝

(b)混凝土剥落图9　破坏现象Fig.9　Damage phenomenon

3.2楼层最大剪力

1.2 试验材料 供试玉米品种：郑单958；肥料增效剂：长效复合增效剂( NAM: 由氢醌、双氰胺、络合稀土和沸石粉组成)、脲酶抑制剂氢醌 ( HQ)、硝化抑制剂双氰胺 (DCD)、复硝酚钠、DA-6胺鲜酯。

通过振动台数据采集系统获得巨型框架模型结构的加速度响应，经过平滑、滤波处理后得到模型结构的楼层加速度，将加速度乘以相应的楼层质量得到相应的楼层剪力，不同地震动下7度基本地震后楼层最大剪力分布如图10(a)所示，El Centro-NS地震动作用下的楼层最大剪力分布如图10(b)所示.从图10可看到，最大楼层剪力从上向下呈直线分布，表明了巨型框架结构体系的整体刚度较大，这是由于巨型框架结构筒体刚度大并且楼层剪力主要由筒体承担的缘故.

(a) 7度基本地震

(b) El Centro-NS图10　楼层剪力包络图Fig.10　Envelope diagrams of floor shear force

3.3加速度反应

振动台MTS数据采集系统获得的各水准地震作用下加速度传感器的反应信号，经过滤波、平滑处理得到模型的加速度反应.El Centro-NS地震动作用下模型结构各层最大加速度放大系数见图11所示.

图11　各层最大加速度放大系数Fig.11　Maximal acceleration amplification factors

试验加载顺序为7度多遇、7度基本、7度罕遇、台面极值(相当于原型作用0.3g的地震动).由图11可看出，随着加载的进行，El Centro-NS地震动的加速度放大系数曲线变得越来越倾斜，同时加速度系数大小发生一系列变化，最终加速度放大系数有所降低.这是由于模型随着加载的加速度峰值的提高以及加载的不断进行，逐渐发生结构损伤、刚度退化及阻尼比增大的缘故.

3.4模型结构位移反应

模型结构位移反应值由加速度值积分获得，在不同水准的El Centro-NS地震动作用下模型结构的位移时程曲线如图12所示.

(a) 7度多遇　　(b) 7度基本

(c) 7度罕遇图12　不同水准地震作用下的位移时程曲线Fig.12　Displacement time history curves under different earthquake levels

在不同烈度、相同的地震动作用下模型结构的最大位移如图13所示，同一烈度、不同的地震动作用下模型结构的最大位移如图14所示.

(a) El Centro-NS

(b) 人工

(c) Chi-Chi图13　不同烈度、相同的地震动作用下模型结构的最大位移Fig.13　Maximum displacements under different intensities with the same seismic waves

由图13和14可以看出，在7度多遇和7度基本地震试验阶段，El Centro-NS地震动单向输入时的位移反应小于人工地震动及双向输入的El Centro-XY地震动的位移反应；人工波的低频加速度反应谱值较大，相对于单向输入的El Centro-NS波，人工波更能激发结构的反应；同样烈度的地震动作用下，Chi-Chi波位移反应明显大于El Centro-NS地震动的位移反应，表明结构的最大位移不仅与输入的地震动烈度的大小有关，还与地震动的频谱特性与结构自振特性有关.

(a) 7度多遇

(b) 7度基本

(c) 7度罕遇图14　同一烈度、不同的地震动作用下模型结构的最大位移Fig.14　Maximum displacements under different seismic waves with the same intensity

3.5层间位移角

在地震动作用下，层间位移角变化如图15所示.由图15可看出，在地震动作用下巨型层层间位移角明显小于其他层层间位移角，7度罕遇地震作用及7度基本地震作用下侧移线基本均匀，7度罕遇地震作用下最大层间位移角为1/184 rad(37层)，该位移角小于文献[9]规定的1/120 rad，但明显大于其他层的层间位移角，所以巨型框架结构设计不但要重视主框架层的侧移刚度设计，也应该重视次框架层的侧移刚度设计.图15也表明层间位移角随着输入加速度峰值的不断提高而增大.

图15　层间位移角Fig.15　Interlayer displacement Angle

4　结　语

本文通过对超高层巨型框架结构的缩尺模型进行试验研究和理论分析，探讨了不同地震动对巨型框架结构动力特性的影响，得出以下主要结论.

(1) 巨型框架结构的周期较长，振动台试验方案中的地震动的选择应综合考虑地震动的持时、幅值、地震加速度反应谱特征周期和结构基本自振周期等影响因素.

(2) 巨型框架结构体系的整体刚度大，建筑结构整体性好，楼层剪力主要由筒体承担.

(3) 随着加载的加速度峰值的提高，巨型框架结构将发生损伤和刚度退化，从而导致加速度放大系数变化、层间位移角增大.

(4) 巨型框架结构的最大位移不仅与输入的地震动烈度的大小有关，还与地震动的频谱特性与结构自振特性有关.

[1] 中国建筑科学研究院. PKPM用户手册及技术条件[R].北京:中国建筑科学研究院PKPM CAD 工程部,2008．

[2] 吴明,叶献国,蒋庆，等.巨型框架振动台试验设计[J].工业建筑,2013,43(6):47-51.

[3] 黄维平,邬瑞锋,张前国.配重不足时的动力试验模型与原型相似关系问题的探讨[J].地震工程与工程振动,1994,14(4):64-71.

[4] 邹昀,吕西林,卢文胜，等.上海环球金融中心大厦整体结构振动台试验设计[J].地工程与工程振动,2005,25(4):54-59.

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[6] 谢礼立,翟长海.抗震结构最不利设计地震动研究[J].地震学报,2005,38(12):51-58.

[7] 周靖,方小丹.速度脉冲激励作用下混凝土框架柱抗剪性能研究[J].振动与冲击, 2011,30(10):109-115.

[8] 蒋庆.巨型框架结构的地震反应及基于小波分析的损伤研究[D].合肥:合肥工业大学土木与水利工程学院，2011:33-34.

[9] 中华人民共和国城乡和建设部．JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，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

国家自然科学基金重大研究计划资助项目(90715016)；土木工程防灾国家重点实验室开放课题基金资助项目(SLDRCE08-HZ-01)

吴明(1969-)，男，安徽芜湖人，讲师，博士研究生，研究方向为结构工程.E-mail：frank_wucn@126.com

P 315.8

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