建筑結(jié)構(gòu)抗震建筑結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)試驗(yàn) 1 上海環(huán)球金融中心振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 1 目錄目錄 一、工程概況一、工程概況.1 二、振動(dòng)臺(tái)模型設(shè)計(jì)與制作二、振動(dòng)臺(tái)模型設(shè)計(jì)與制作.3 三、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過程及結(jié)果三、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過程及結(jié)果.5 一、一、工程概況工程概況 上海環(huán)球金融中心大廈建在上海市陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)。這是一幢以辦公為主，集商貿(mào)、賓館、觀光、展覽及其他公共設(shè)施于一體的大型超高層建筑。主樓地下 3 層，地上 101 層，地面以上高度 492m。建筑平面為 57.95m 57.95m 的正方形，標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖 1 所示，大樓建筑面積為 252935 m2，裙房為 33370 m2，地下室為 63751 m2，合計(jì)約 35 萬 m2。環(huán)球金融中心大廈效果圖如圖 2 所示。2 圖圖 1 環(huán)球金融中心大廈標(biāo)準(zhǔn)層平面圖環(huán)球金融中心大廈標(biāo)準(zhǔn)層平面圖 圖圖 2 環(huán)球金融中心大廈環(huán)球金融中心大廈效果圖效果圖 環(huán)球中心的外形沿每層平面是變化的，但是這種幾何外形的改變是逐步且規(guī)則的，結(jié)構(gòu)中沒有主要的錯(cuò)層。主樓的抗側(cè)力體系采用以下三個(gè)結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)由風(fēng)和地震引起的傾覆彎矩：由巨型柱(主要的結(jié)構(gòu)柱)、巨型斜撐(主要的斜撐)和帶狀桁架構(gòu)成的巨型結(jié)構(gòu)框架；鋼筋混凝土核心筒與帶混凝土端墻的鋼支撐核心筒體系；構(gòu)成核心筒和巨型結(jié)構(gòu)柱之間相互作用的伸臂桁架。采用三種抗側(cè)力體系為結(jié)構(gòu)提供了安全度，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗震性能。3 1.高度超限 塔樓地面以上高度為 492m。根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)，抗震設(shè)防烈度為 7 度時(shí)，鋼框架混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的最大高度限值為 160m，鋼骨混凝土框架混凝土核心筒的最大高度限值為 190m。本建筑的高度明顯超過了現(xiàn)有規(guī)范的限值。2.高寬比超限 根據(jù) 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)，抗震設(shè)防烈度為七度的建筑高寬比(H/B)的限值為 7。塔樓底部的尺寸為 57.95m，塔樓的高寬比(H/B)為 8.5，超過了規(guī)范規(guī)定的限值。3.豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層的設(shè)置 沿結(jié)構(gòu)豎向分別設(shè)置了帶狀桁架、轉(zhuǎn)換桁架和伸臂桁架，這些加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層的設(shè)置使該結(jié)構(gòu)為豎向不規(guī)則。但這些特殊的樓層在整個(gè)塔樓高度上的豎向分布有規(guī)則性的。設(shè)置帶狀桁架和轉(zhuǎn)換桁架的目的是為了提供多種傳力途徑以增加安全度，減小外圍柱子和核心筒柱子的尺寸，并減小在結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件中不均勻應(yīng)力的累積。每十二層布置一個(gè)帶狀桁架，把外圍柱子的荷載傳遞給巨型柱，這使外圍柱子截面可維持較小的尺寸，同時(shí)也顯著地增加了重力荷載的傳力途徑。伸臂桁架的設(shè)置是為了連接巨型結(jié)構(gòu)框架和核心筒，從而可以減少層間位移和核心筒的傾覆彎矩，并提供多種傳力途徑以提高結(jié)構(gòu)的安全度。伸臂桁架也是規(guī)則且合理地分布，所處位置有利于其功效的發(fā)揮。上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置的復(fù)雜、結(jié)構(gòu)高度及體型的超限，為深入、直觀、全面地研究該結(jié)構(gòu)的抗震性能，檢驗(yàn)其是否滿足抗震性能目標(biāo)的要求，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。二二、振動(dòng)臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)模型設(shè)計(jì)與制作模型設(shè)計(jì)與制作 模型結(jié)構(gòu)材料采用微?；炷痢⒆香~、鍍鋅鐵絲和鐵絲網(wǎng)片。模型設(shè)計(jì)、制作和地震激勵(lì)輸入嚴(yán)格按照相似理論進(jìn)行。試驗(yàn)主要研究水平地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能，因此設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮滿足主要抗側(cè)力構(gòu)件的相似關(guān)系，忽略了一些次要因素。考慮到各方面因素，又根據(jù)微?；炷翉?qiáng)度和彈性模量實(shí)測(cè)值、模型質(zhì)量和模型結(jié)構(gòu)脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)最終采用的模型相似關(guān)系見表 1。模型完工全景圖見圖 3。表表 1 上海環(huán)球金融中心大廈上海環(huán)球金融中心大廈模型結(jié)構(gòu)相似關(guān)系模型結(jié)構(gòu)相似關(guān)系 物理性能 物理參數(shù) 關(guān)系式 根據(jù)脈動(dòng)試驗(yàn)調(diào)整 幾何性能 長度 Sl 1/50 材料性能 應(yīng)變 S=S/SE 1.00 彈性模量 SE=S 1/3.125 應(yīng)力 S 1/3.125 泊松比 S 1.00 質(zhì)量密度 S=S/(Sa Sl)6.46 質(zhì)量 Sm=S Sl2/Sa 1/26435 荷載性能 集中力 SF=S Sl2 1.28E-04 4 線荷載 Sq=S Sl 6.4E-03 面荷載 Sp=S 0.32 力矩 SM=S Sl3 2.56E-06 動(dòng)力性能 周期 ST=Sl0.5 Sa-0.5 1/11.18 加速度 Sa 2.5 重力加速度 Sg 1.00 模型高度 10.184 m（包括底板）模型總質(zhì)量 14.7 ton（不包括底板）圖圖 3 上海環(huán)球金融中心大廈上海環(huán)球金融中心大廈模型模型全景圖全景圖 5 三三、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過程及結(jié)果過程及結(jié)果 試驗(yàn)時(shí)分別按照 7 度多遇烈度、7 度基本烈度、7 度罕遇烈度和 8 度罕遇烈度的順序分四個(gè)階段由臺(tái)面依次輸入 El Centro 波、San Fernando 波和 SHW2 波。地震波持續(xù)時(shí)間按相似關(guān)系壓縮為原地震波的 1/11.18，輸入方向分為雙向或單向水平輸入。模型的試驗(yàn)過程及破壞特征模型的試驗(yàn)過程及破壞特征 在 7 度多遇地震和 7 度基本地震試驗(yàn)階段后，模型表面均未發(fā)現(xiàn)可見裂縫。不同水準(zhǔn)地震波輸入結(jié)束后用白噪聲掃描，發(fā)現(xiàn) 7 度多遇地震階段試驗(yàn)完成后模型自振頻率未下降，說明結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)裂縫，7 度基本地震試驗(yàn)結(jié)束后模型自振頻率略有下降，說明結(jié)構(gòu)發(fā)生微小裂縫，基本處于彈性工作階段。在 7 度罕遇地震試驗(yàn)階段各地震波輸入下，模型表面觀察還未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞現(xiàn)象，通過白噪聲掃描，模型結(jié)構(gòu)的自振頻率繼續(xù)下降。8 度罕遇地震試驗(yàn)后，巨型柱 A 在 5 層7 層范圍內(nèi)混凝土被大片壓碎，角部部分脫落，柱內(nèi)縱筋外鼓；巨型柱 A在 6 層頂和在 7 層頂出現(xiàn)水平裂縫，縫寬約為 1.2mm，巨型柱 B 在 5 層7 層范圍內(nèi)混凝土被大片壓碎；巨型柱 B 在 12 層頂、18 層底和 22 層底均出現(xiàn)裂縫，縫寬約為 0.8mm;多數(shù)被壓屈，5 層7 層范圍內(nèi)，樓面鋼柱大多屈服。試驗(yàn)結(jié)論和建議：同一烈度、同一水準(zhǔn)的不同地震波輸入時(shí)，以 SHW2 波輸入時(shí)模型結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)為最大，這說明結(jié)構(gòu)的最大位移不僅取決于輸入烈度的大小，還取決于地震波的頻譜特性；層間位移角在有帶狀桁架的樓層處的變化趨緩，說明這些樓層的剛度得到加強(qiáng)；巨型柱 B 在 5 層頂、和巨型柱分叉前(41 層頂)的位置應(yīng)力較大；31 層和 SS 層的伸臂桁架、帶狀桁架與斜撐交匯點(diǎn)處的斜撐上出現(xiàn)應(yīng)變值最大，而伸臂桁架、帶狀桁架中測(cè)到的應(yīng)變值不大，這說明伸臂桁架和帶狀桁架的作用與巨型斜撐相比不顯著。