上海环球金融中心大厦整体结构振动台试验设计

地󰀁震󰀁工󰀁程󰀁与󰀁工󰀁程󰀁振󰀁动

EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATION

Vo.l25,No.4

Aug.2005

文章编号:1000-1301(2005)04-0054-06

上海环球金融中心大厦整体结构振动台试验设计

邹󰀁昀

1,2

,吕西林,卢文胜,钱󰀁江

111

(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;2.江南大学土木工程系,江苏无锡214063)

摘要:同济大学土木工程防灾国家重点实验室对上海环球金融中心大厦进行了整体结构模型的振动台试验。该大厦101层,结构高度492m,拟建成为世界上结构主体最高的建筑物。本文详细介绍了大厦结构体系、振动台试验模型材料的选取、动力相似关系的确定以及试验方案的设计。针对超高层整体结构小比例模型施工困难的特点,提出了模型的简化方法,并利用ANSYS对简化模型进行了计算,计算结果表明模型简化对结构自振特性和地震反应影响很小,验证了简化方法的可行性。本文提供的模型和试验的设计思路对今后有关的试验工作有一定的借鉴作用。关键词:超高层;振动台试验;相似关系中图分类号:P315.97

󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

ShakingtablemodeltestdesignforShanghaiWorldFinancialCenter

ZouYun,LuXilin,LuWensheng,QianJiang

1,2

1

1

1

(1.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;

2.CivilEngineeringDepartmentSouthernYangtzeUniversity,Wuxi214063,China)

Abstract:AshakingtablemodeltestwascarriedoutforShanghaiWorldFinancialCentertostudyitsseismicbe-haviorinStateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineeringatTongjiUniversity.Theheightof101-storeyShanghaiWorldFinancialCenteris492maboveground,makingitpossibletobethetallestbuildinginthe

worldwhencompleted.Thepaperillustratesthestructuralsystemcharacteristicsindetai,lmodelmaterialselec-tion,similitude-scalingrelationshipanddesignoftestprogram.Duetothedifficultiesinfabricationofthescaledmodelofsuper-tallbuilding,asimplifiedmethodisproposed.ANSYSisusedtoanalyzethesimplifiedmodelandtheresultsdemonstratethatthedynamiccharacteristicsandseismicresponsesofsimplifiedmodelareapproximatetothoseofprototypestructure.Theconclusionisthattheproposedmethodisfeasibleinthetes.tThemethodappliedinmodelandtestprogramdesignofthissuper-tallbuildingwillbehelpfultootherexperimentalstudies.Keywords:super-tallbuilding;shakingtabletes;tsimilitude-scalingrelationship

引言

󰀁󰀁受上海环球金融中心有限公司委托,同济大学土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室对上海环球金融中心进行了模拟地震动的振动台模型试验研究。上海环球金融中心大厦(以下简称󰀁环球中心󰀁)是一幢以办公为主,集商贸、宾馆、观光、展览及其它公共设施于一体的大型超高层建筑。主楼地下3层,地上101层,地面以上高度为492m,拟建成为目前世界上结构主体最高的建筑物。建筑平面为57.95m󰀁57.95m

收稿日期:2004-07-16;󰀁修订日期:2005-01-10

󰀁󰀁基金项目:国家自然科学基金项目(50025821,50338040);上海市科技发展基金项目󰀁󰀁作者简介:邹󰀁昀(1967-),女,副教授,博士研究生,主要从事结构抗震方面的研究.

4期邹󰀁昀等:上海环球金融中心大厦整体结构振动台试验设计

2

2

2

2

55

的正方形,大楼建筑面积为252,935m,裙房为33,370m,地下室为63,751m,合计约35万m,标准层结构平面如图1所示。

󰀁󰀁环球中心的结构设计以中国规范和部分美国规范为依据。结构采用了钢与混凝土的组合结构,结构体系的主要特点有:

󰀁󰀁(1)采用三重结构体系抵抗水平荷载,它们分别是由巨型柱、巨型斜撑以及带状桁架构成的三维巨型框架结构、钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂钢桁架,这三重结构体系位置关系见图2。

󰀁󰀁(2)核芯筒平面形状有2次转变,因此核心筒沿高度方向不连续,分别在57层~60层及78层~79层楼层处核芯筒进行了2次转换,通过加厚转换楼层的楼板厚度传递一定的剪力,见图3。󰀁󰀁(3)沿建筑高度方向每12层布置一道带状桁架,除最高一处带状桁架为3层高(88层~91层)外,以下每道带状桁架均为一层高(图4a),带状桁架采用钢桁架;在图4(a)中可以看到,在1层~5层建筑周边设置了钢筋混凝土剪力墙,自6层开始剪力墙转换为建筑4个角部的型钢混凝土巨型柱;沿结构高度设置了3道3层高的伸臂桁架,分别设置在28层~31层、52层~55层和88层~91层(图4(b))。但3道伸臂桁架均未在核心筒内贯通,而是一端连接在巨型柱上,另一端与埋置在核芯筒内的周边桁架连接,周边桁架与伸臂桁架在相同楼层处设置,作为伸臂桁架的支座(图2),伸臂桁架采用了钢管混凝土桁架。

󰀁󰀁(4)在三维巨型框架中设置了单向斜撑,单向斜撑采用钢管混凝土。当巨型柱B从42层开始分叉后,所形成的倾斜面上未设置斜撑。因此,建筑周边斜撑不封闭。56󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁地󰀁震󰀁工󰀁程󰀁与󰀁工󰀁程󰀁振󰀁动󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁25卷

[1]

󰀁󰀁根据我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002),该建筑总高492m,超过了型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体最大高度190m的限值。同时高宽比8.49超过了设防烈度为Ⅶ度的上海地区高宽比限值为Ⅶ的要求。鉴于上海环球金融中心结构体系的复杂性,结构高度及体型超限,同济大学土木工程防灾国家重点实验室对上海环球金融中心进行了缩尺模型的振动台试验,研究该结构在地震作用下的动力特性和结构的动力反应,评价其抗震性能。

1󰀁模型设计与制作

1.1󰀁模型材料选取

在选用模型材料时,考虑所选用的材料具有尽可能低的弹性模量和尽可能大的比重,同时,在应力-应变关系方面尽可能与原型材料相似

[2]

。环球中心是钢-混凝土的组合结构,由于微粒混凝土的力学性能与

原型混凝土具有较好的相似性,模型试验时可以做到模型开裂甚至破坏,具有试验现象比较直观的优点,因此选用微粒混凝土模拟原结构中的混凝土。微粒混凝土用较大的砂砾作为粗骨料代替普通混凝土中的碎石,以较小粒径的砂砾作为细骨料代替普通混凝土中的砂砾,其施工方法、振捣方式和养护条件都与普通混凝土相同。在现有的试验条件下可以得到混凝土的弹性模量相似比在1/5~1/3范围内。模拟钢材的材料有白铁皮、铝合金和紫铜。通过对比这3种材料的弹性模量和强度,发现白铁皮和铝合金的弹性模量偏高,而紫铜的弹性模量只有前2种材料的一半。因此,本试验选用紫铜模拟钢材。另外紫铜具有可裁剪、拼接或焊制的优点。钢筋混凝土构件中的钢筋选用镀锌铁丝来模拟,箍筋采用焊接铁丝网。

1.2󰀁相似关系

相似关系的设计在模拟地震动的振动台试验中占有重要地位。在相似关系的诸多参数中需要先确定3个基本参数,其它相似系数可由这3个参数推导而得。这时所确定的相似关系作为模型设计的初步相似关系。确定相似关系时需要考虑施工条件、吊装能力和振动台性能参数等因素。环球中心是一超高层结构,其原型结构的高度为492m,为使缩尺后的模型高度满足试验室制作场地高度要求,本试验首先确定几何相似比(Sl)为1/50。其次,根据选用模型材料的特性确定弹性模量相似比(SE),考虑到紫铜与微粒混凝土的弹性模量,将模型的初步弹性模量相似比(SE)确定为1/3.75。第3个参数就是加速度相似比(Sa),在动力试验中加速度相似比是施加动力荷载的主要控制参数,考虑到振动台噪声、台面承载力等因素和根据以前的试验经验,加速度相似比通常在2~3之间。本次试验Sa确定为2.5。基于Sl、SE、Sa这3个相似比,可以初步确定其它相似关系。

󰀁󰀁为了更准确地确定相似关系,在模型施工完成后对紫铜和混凝土试块进行了材性试验。混凝土试块是与模型施工同步制作的。通过材性试验得到混凝土平均弹性模量相似比为1/3.846,而紫铜与钢材的弹性模量比为1/1.872,由于组合结构的物理性能由钢和混凝土2

种材料决定,因此,结构最后的弹性模量相似比确定为1/3.125。模型附加配重后,对应的实际质量和模型动力特性试验中实测频率进行适当调整,本次试验最终采用的主要相似系数见表1。󰀁󰀁在动力相似关系中振动台水平激励加速度的相似比确定为2.5,而重力加速度的相似比是1。为解决这一矛盾,只能通过设置配重来满足重力相似关系。对试验模型进行配重时,先计算出每层需要附加的质量,选用比重大的铅块作为附加质量将其布置在楼板上,这样只增加结构的重量,不增加结构的强度和刚度。在

[1]

本试验中根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中提出的考虑偶然偏心的要求,即质量中心沿地震作用方向的偏移值ei按式(1)计算:

ei=0.05Li

(1)

式中,Li为第i层垂直与地震作用方向的建筑物总长。具体布置质量块时,将楼板沿Y2轴分成两块(轴线编号见图1),根据每层计算出的e和所需要的总的附加质量mi,即可算出2块楼板上各自分配的质量,通过在i二块楼板上不对称地布置配重便可实现规程中质心偏心距ei的要求。在布置质量块时使质心偏移在X2轴表1

物理量长󰀁度(Sl)周期(ST)加速度(Sa)重力加速度(Sg)

[2]

上海环球金融中心大厦结构模型相似关系

相似关系1/501/11.182.51

物理量应变(S󰀁)应力(S󰀁)弹性模量(SE)质量密度(S󰀁)

相似关系

11/3.1251/3.1256.46

4期邹󰀁昀等:上海环球金融中心大厦整体结构振动台试验设计57

上,各层均偏向一侧。

󰀁󰀁对于主要的抗侧力构件如巨型斜撑,为更好地反映实际情况,实现质量相似的要求,在巨型斜撑上也附加了质量块,实施时取与计算质量相当的小铅作为质量块,将它们均匀地绑扎在斜撑上。模型附加质量块后的总重量为14.7t。1.3试验模型简化

󰀁󰀁对于1/50小比例的缩尺模型,模型施工存在一定难度。为解决施工问题,本试验对结构模型进行了部分简化。

󰀁󰀁环球中心采用三重结构体系抵抗水平荷载󰀁󰀁󰀁巨型结构、核心筒和伸臂桁架,结构抗侧刚度主要由三重结构体系提供,而楼板对结构水平刚度贡献很小。基于这样的考虑,在模型设计时,将标准层的楼板隔层抽去,被抽除楼板的结构自重及作用于其上的恒、活载均平分至该楼层的上、下楼层,同时对于抽除楼板的上、下楼层的楼面钢梁和钢柱,根据抗弯刚度等效的原则进行截面修正。在加强层和核心筒转换层等特殊楼层处不抽楼板,全结构共简化了27层楼板。

󰀁为了从理论上验证上述简化方案的可行性,用大型有限元商业软件ANSYS对该结构进行2种对比计算,一是计算原结构,二是按照简化后的结构进行计算。计算时地震作用方向分别沿X1方向、X2方向、Y1方向和Y2方向(方向标注见图1),分布表示为工况1、2、3和工况4,计算节点N1~N4的平面位置标注在图1上。N1和N2分别位于结构X2方向核心筒剪力墙及巨型柱上,N3和N4分别位于结构Y2方向核心筒剪力墙和巨型柱上。2种结构计算结果的差异分别列在表2~表4中。从计算结果可以看出,与原型结构计算结果相比,抽除部分楼板后对结构低阶振动频率及模态特征的影响不大,基频周期增加了2.33%;各楼层典型节点的地震响应位移也略有增加,最大增幅为5.59%;结构层间位移角沿竖向的分布特征无显著改变,层间位移角最大增幅亦仅为8.15%。这一结果表明,楼板对结构的抗侧性能影响不大。因此,在振动台试验模型设计时抽去部分标准层楼板是可行的,按抽层模型结构进行抗震试验分析是偏于安全的。

表2

模态序号自振周期振型特征

12.33%Y2方向

抽层结构自振周期及振型特征

21.90%X2方向

32.60%扭转

53.91%Y2方向2阶

61.82%X2方向2阶

表3󰀁抽层结构响应位移与原型结构之值的相对偏差

工况

最大偏差

1234

5.165.065.285.39

N1

楼层27392728

最大偏差5.325.285.365.59

N2

楼层29462929

最大偏差5.124.935.245.47

N3

楼层41382727

最大偏差5.225.265.305.47

N4

%

楼层43424330

表4

工况

最大偏差

1234

7.268.117.298.15

N1

楼层27272778

抽层结构层间位移角与原型结构之值的相对偏差

N2

最大偏差7.328.977.377.68

楼层242525

最大偏差6.806.076.887.30

N3

楼层23232323

最大偏差6.737.006.698.07

N4

%

楼层40404024

󰀁󰀁另外,在该结构模型设计制作时,未考虑地下室,这是因为以往的模型试验和理论分析都表明,由于地下室和地基土共同工作,使其抗侧刚度得到加强,在地震作用下地下室变形很小不会发生破坏。58󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁地󰀁震󰀁工󰀁程󰀁与󰀁工󰀁程󰀁振󰀁动󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁25卷

1.4

模型施工

由于模型尺寸较小,因此对模型施工有较高的要求。在模型制作中,采用有机玻璃作为外模,这样模型

表面平整光滑,并且可及时发现浇筑过程中的问题。内模采用泡沫塑料,易成型易拆模,局部不能拆除部分,对模型整体刚度影响很小。内模切成一定形状,形成构件所需要的内部空间,布置绑扎好的钢筋后进行浇筑,边浇筑边振动密实,每次浇筑1层,隔日安置上面1层的模板和配筋,重复这个过程,直至完成整个模型的制作。模型施工过程的照片见图5。模型总高度10.19m,其中底板高度为0.35m。模型施工完成后吊装就位,固定在振动台上,并布置附加质量块,加质量块前、后对模型各做了一次脉动测试,得到模型结构的自振频率。完工后的模型见图6

图5󰀁模型施工图

2󰀁振动台试验方案

2.1󰀁地震波选取

根据Ⅶ度抗震设防及Ⅳ类场地要求,选用ElCentro波(1940年美国Imperial山谷地震记录)、SanFernando波(1971年美国SanFernando地震记录)和上海人工地震动SHW2作为振动台台面激励输入。地震动持续时间按相似关系压缩为原地震波的1/11.18,输入方向分为双向或单向水平输入。各水准地震下台面输入加速度峰值按上海市的《建筑抗震设计规程》和试验的动力相似关系确定。

2.2󰀁传感器布置

试验采用了3种传感器,即压电式加速度传感器、位移计和应变片。为了得到结构整体和关键部位的反应,加速度和位移传感器除了在屋顶、模型底座以及结构的加强层,如带状桁架、伸臂桁架和核心筒转换层布置以外,沿结构高度方向大致均匀布置。结构的位移反应可以从2个方面获得,1是直接从位移计得到,2是通过加速度值积分获得。位移计和加速度计在楼层平面上布置在测点A上(图1),并同时布置2个传感器,分别沿振动台的X方向和Y方向。在屋顶和60层的位置分别增设了一个X方向的加速度传感器,设在测点B(图1),通过比较二测点的X方向位移的差值可以得到结构的扭转反应。应变片分别布置在带状桁架、伸臂桁架的上、下弦和腹杆上,以及巨型斜撑与带状桁架相交的节点附近,另外在巨型柱B上布置了3个应变片,分别在5层、分叉前、后的41层和42层各布置了一个应变片。试验共布置了40个加速度传感器、25个应变片和9个位移计,总共使用了74个通道采集数据。本试验所采用的测试设备为MTSSTEX3数据采集处理系统。2.3󰀁两组激励方向的考虑

从环球中心在地震作用下的时程分析结果可知,结构沿对角线方向,即X2和Y2方向输入地震动比沿图6󰀁完工后模型全景

[3]

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X1和Y1方向输入地震动反应强烈。因此,在环球中心的振动台试验中采用了2组激励方向,分别沿X1和Y1方向输入地震动和X2和Y2方向输入地震动。在模型底座设计时布置了2套定位孔,可以将模型分别按照图7a和图7b的位置固定在振动台。试验时先将模型按位置1安装,按照Ⅶ度多遇各种工况输入地震动,输入地震动前、后均用白噪声进行扫描,得到结构的自振特性。然后将结构模型上的加速度和位移计拆

(a)处于位置1

(b)处于位置2

除,将模型在振动台上旋转45󰀁至位置2

后重新固定,并布置传感器之后,进行Ⅶ度多遇、基本和罕遇及Ⅷ度罕遇地震作用等多种工况的振动试验。不论模型在振动台上位于位置1还是位置2,传感器的布置的方向始终与振动台的方向保持一致。󰀁󰀁在不同水准地震动输入前后,用白噪声对其进行扫描,以获得模型自振频率和了解结构阻尼比的变化,确定结构刚度下降的幅度。白噪声的加速度幅值采用0.05g,是为了保证模型在白噪声作用下保持在弹性变形范围内。为了研究结构体系在特大地震作用下的动力反应,增加了Ⅷ度罕遇各工况的试验。

图7󰀁模型在振动台上的位置

3󰀁结语

󰀁󰀁本文针对环球中心的具体特点详细分析了整体结构振动台试验的材料选取、动力相似关系的确定、模型的简化以及试验方案的设计,旨在通过本文的分析,说明在模型和试验方案的设计中有诸多因素值得重视,这些因素直接影响到振动台试验结果的准确性,并期望对今后相关的试验工作有一定的借鉴作用。

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