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防震减灾网>>科学研究>>典型实例 >> 双塔连体结构的模拟地震振动台模型试验研究

典型实例

双塔连体结构的模拟地震振动台模型试验研究
作者:双塔连体结构的模拟地震振动台模型试验研究时间:2014-05-19

 试验概况:

高层建筑双塔连体结构是近十几年来发展起来的一种新型结构形式。它是指两个(或多个)高层建筑由设置在一定高度处的架空连接体相连而组成的建筑结构形式。一方面通过设置连体将不同建筑物连在一起方便两者之间联系另一方面由于连体结构独特的外形带来强烈的视觉效果可使建筑更具特色同时连体部分具有良好的采光效果和广阔的视野可用作观光走廊或休闲活动场所等这使得高层连体建筑越来越得到建筑师的青睐。本文针对一双塔连体高层建筑进行了模拟地震振动台模型试验。通过对试验结果的分析揭示了此类结构在地震作用下的受力性能和反应特点并提出改善结构抗震性能的建议。

该双塔连体高层建筑由12号楼及设置在上部的连体组成。12号楼地上18为钢筋混凝土框架剪力墙结构结构总高度(室外地面至大屋面檐口)82.5m。两塔楼除1号楼局部楼层开有较大洞口外基本对称布置。双塔顶部为58m净跨的大跨连体结构连体部分采用高度为4m的钢桁架与两侧塔楼刚性连接桁架弦杆延伸至连体两侧各一跨范围内并在塔楼相应位置的核心筒内设置型钢混凝土边框柱和边框梁型钢柱向下延伸至15层。在屋面设置现浇钢筋混凝土楼板与两侧塔楼形成整体,保证平面刚度协调变形。12号楼墙、柱混凝土强度等级为1~2: C55 3~7: C40 8~17: C3518F: C40。梁、板混凝土强度等级为1~7: C40 8~17: C3518: C40。钢构件采用Q345B级钢。

根据JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称高规)GB 50011-2001建筑抗震设计规范该结构为复杂超限高层建筑。其主要超限情况如下: (1)平面不规则: 1号楼9~14层开有较大洞口洞口面积约为楼层面积的25%, Y 向楼板连接宽度不足总宽度的50% (1); (2)竖向严重不规则: 12号塔楼顶部形成连体引起结构顶部抗侧刚度突变(23) , 该结构通过连体桁架在X方向形成门式结构(4)。为了确保该复杂超限高层结构抗震的安全和可靠除了采取有效的计算分析设计手段和构造措施之外有必要对该结构体系进行模拟地震振动台试验研究结构的动力特性和在不同设防烈度地震作用下的动力反应及破坏情况。尤其是连体桁架、连体与两塔楼的连接节点、节点两侧重点加强的钢筋混凝土墙体及底部加强区的受力、破坏情况。大跨连体结构在竖向地震作用下的地震反应也是本次试验研究的重点。

模型设计时把握构件层次上与原型结构相似的原则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能力的模拟按照抗剪能力等效原则。分别根据原型结构的配筋面积或配筋率计算出模型结构的配筋面积设计制作了比例为1/25的整体模型(5), 考虑了混凝土强度和钢筋强度之间采用了不同的相似常数的影响。竣工后的模型总高度约为3.3m, 模型总重23t, 其中模型及配重约18t, 刚性底座重约5t

7度多遇烈度试验阶段按加载顺序依次输入ElCentro波、Pasadena波和SHW2波。各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扫频发现模型自振频率略有下降试验阶段模型结构基本处于弹性工作阶段模型结构满足(小震不坏)的抗震设防目标。

7度基本烈度试验阶段各地震波输入下, 1号楼5层连梁端部已有裂缝出现(6a), 结构的自振频率下降。在7度罕遇烈度试验阶段, 1号楼更多的连梁端部开裂, 2号楼尚无可见裂缝出现。结构的自振频率继续下降模型结构满足设防烈度地震下(大震不倒)的抗震设防要求。

8度罕遇烈度试验阶段, 12号楼剪力墙普遍水平开裂墙的转角处出现贯穿的水平裂缝(6b);1号楼底层角柱柱脚开裂(6c) ; 连体桁架腹杆多处屈曲(6d); 连体桁架与两塔楼的连接节点没有可见破坏连体下部塔楼钢筋混凝土型钢柱转化为钢筋混凝土柱处的梁端发生了较为严重的剪切破坏(6e)

 

结构9~14层平面示意图

 

结构17层平面示意图

 

连体桁架

 

原型立面图

 

模型结构全貌

 

模型破坏形式

试验结论:

(1)结构两塔楼通过顶部的连体桁架形成门式结构但连体因建筑需要开洞削弱了平面内外的刚度其对结构的刚度贡献较弱。

(2) 7度罕遇烈度地震作用下只有部分连梁端部出现斜向裂缝刚性连接节点未出现破坏同时连体两侧重点加强的钢筋混凝土墙体未发现裂缝说明连接节点及墙体采取的加强措施可以满足结构抗震要求。8度罕遇地震作用下, 12号楼剪力墙普遍水平开裂底层角柱承受双向水平地震作用且承受较大的轴力和倾覆力矩试验中柱脚处被水平拉裂;连体桁架腹杆多处屈曲但构件间连接基本保持完好连体下部塔楼钢筋混凝土型钢柱转化为钢筋混凝土柱处的梁端发生了较为严重的剪切破坏。

(3)振动台试验表明连体结构的连体部分对竖向振动效应的放大作用十分明显。连体位于整体结构的上部在连体两端竖向地震反应已有一定放大的基础上连体跨中竖向地震反应较大在跨中产生较大竖向变形。

(4)对文中的大跨连体结构体系建议如下:为使连体部分能更有效地抵抗板内可能出现的拉力建议加强连体层楼板配筋。为确保地震作用下连体部分的安全和可靠,应进一步加强连体桁架构件的整体和局部稳定性。建议加强钢筋混凝土型钢柱与钢筋混凝土柱的合理转换转化位置应在楼层半高处且在同一楼层转换的构件不能超过半数部分构件可以再向下延伸一层转化同时应加强转化处梁的延性。两塔楼除1号楼局部楼层开有较大洞口外,基本对称布置结构的扭转效应不是非常明显。但1号楼因相对比较薄弱试验中首先出现破坏之后其破坏程度也相对严重建议对1号楼开有较大洞口的楼层采取改善延性的措施。

( 5)由于振动台噪声要求、模型的大缩尺比例及振动台承载能力限制等原因加速度相似常数大1, 即存在重力失真效应。对高层建筑的模型试验,往往通过附加质量来减小重力失真效应的影响但通常的混合模型设计不能完全消除影响因此模型竖向构件的应力、刚度、轴压力和破坏形态等与原型会存在一定的差异。但是通过合理的相似关系设计及模型制作结构层间剪力及倾覆弯矩可保持相似,整体结构薄弱环节及破坏过程可基本相似。

 

黄志华吕西林周颖双塔连体结构的模拟地震振动台模型试验研究[J]. 建筑结构学报, 2009 (5): 31-38.

 

http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JZJB200905006.htm