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1、广州珠江新城东塔项目模拟地震振动台试验研究与分析广州珠江新城东塔项目模拟地震振动台试验广州大学工程抗震研究中心2010年5月目 录一、振动台试验方案21试验方案31.1工程概况31.2工程结构特点和试验分析的重点：41.3 进行试验所依据的技术规范和资料61.4 试验内容71.5 模拟方案81.6模型设计及模型材料111.7模型制作121.8 试验用地震波的选择131.9 测点布置141.10 试验工况及顺序192试验设备仪器232.1模拟地震振动台232.2 测试仪器25二、试验工作流程及进度29乙方向甲方提供的成果74六、试验费用商务报价75试验费用商务报价76付费方法77 一、振动台试验
2、方案1试验方案1.1工程概况1. 建设单位：广州市新御房地产开发有限公司2. 拟建场地：广州市珠江新城J区3. 总用地面积：26452平方米4. 设计单位： Kohn Pedersen Fox Associates5. 建筑面积：地上约40万平方米6. 建筑高度：屋顶标高约530米7. 建筑层数：地上112层，地下4层8. 结构形式：钢-混凝土混合结构体系9. 抗震设防类别：乙类10. 项目基本描述广州珠江新城东塔项目主塔楼建筑高度约530米，结构高度518米，超过了规范限值，为超B级，裙楼高47.5米，地上112层，地下4层，建成后是广州标志性建筑，也是华南地区第一高楼，广州珠江新城东塔的效
3、果图见图一所示。广州珠江新城东塔项目是一座集写字楼、酒店和公寓为一体的超高层建筑物，位于广州市珠江新城，北侧为花城大道，南侧为花城南路，西侧为珠江大道，东侧为规划路，占地面积26452平方米，在塔楼和裙楼之间设250mm宽抗震缝。本工程塔楼结构体系为“三维巨型空间框架钢筋混凝土核心筒”结构体系，该结构体系主要由型钢混凝土核心筒、巨型钢管混凝土柱、连接巨型柱的环形桁架和外伸臂钢桁架构成。裙楼采用框架结构，楼盖体系为型钢梁-压型钢板组合楼盖和一部分钢筋混凝土楼板。本工程项目的抗震设防类别为乙类，建筑场地类别为类，高宽比约8.4，超过了规范限值的高宽比7。同时本工程的自振周期约为8.27秒，超过了建
4、筑抗震设计规范(GB-50011-2001)设计反应谱长为6秒的规定。该工程L42的楼板开洞面积超过30%，楼板不连续。为了研究其结构体系的抗震性能，很有必要对广州珠江新城东塔地上结构进行模拟地震振动台试验。 图1 广州珠江新城东塔效果图1.2工程结构特点和试验分析的重点： 1、 本工程为超B级高层建筑，主体结构高宽比为8.40，超过规范限值的高宽比7，本塔楼采用了巨型框架-核心筒双重结构体系抵抗水平荷载，它们由钢筋混凝土核心筒、巨型型钢混凝土柱及核心筒和巨型型钢混凝土柱之间相互作用的伸臂桁架及环形腰桁架组成。整体结构抗侧构件的布置和抗侧刚度的保证是本工程的重点和难点之一。试验特别关注结构的振
5、型变化和结构整体抗震性能。 2、 四道伸臂桁架沿塔楼高度均匀分布，整合避难及设备层，分别设于2324、4041、6869和9395层，在核心筒内贯通。这是结构核芯筒和巨型框架相互作用的主要传力途径，也是试验中需要关注的重点。3、 六道环桁架分别设于23、40、57、68、79和93层。这是结构的加强层，也是试验中需要关注的重点。4、 本工程的自振周期约8.27秒，超过了建筑抗震设计规范(GB-50011-2001)设计反应谱长为6秒的规定。试验特别关注结构自振周期的变化以及地震的影响。5、 该塔楼的L42的楼板开洞面积达到30%，由于开洞较大，楼板不连续。试验特别关注楼板不连续部位可能是结构的
6、薄弱部位。6、 由于该塔楼公寓层和酒店层平面内向收进，使结构底部和顶部轴心位置不重合，使塔楼存在偏心，鞭稍效应明显。试验将特别关注这些平面收进部位的地震反应。7、 该塔楼的公寓区和酒店区由于楼收进导致错位，结构上采用斜柱过渡的方式解决。试验将特别关注斜柱位置处的地震反应。8、 竖向地震作用：该塔楼主体为高柔结构，按规范必须考虑竖向地震作用，结构在竖向地震作用下的反应在试验中需要特别关注。1.3 进行试验所依据的技术规范和资料试验研究工作参照下列规范执行：1. 建筑抗震设计规范（GB50011-2001）2. 混凝土结构设计规范（GB50011-2002）3. 建筑抗震试验方法规程(JGJ101
7、-96)4. 混凝土结构试验方法标准(GB5015-92)5. 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）6. 钢结构设计规范（GB50017-2003）7. 型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）8. 高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）9. 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（JGJ3-91）10. 钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28:90）11. 矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS159:2004）12. 钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）13. 高层建筑结构用钢（YB4104-2000）14. 网壳结构技术规程（JGJ61-
8、2003）15. 钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS 28:90 16. 本工程的设计资料（包括场地安全性评价报告等）1.4 试验内容本工程项目主要进行模型的振动台试验和相应的理论分析工作。振动台试验达到以下目的：模态测定；薄弱部位的确定；扭转作用影响程度的验证；受力不利构件的研究；结构弹塑性数值分析和试验结果验证及对比分析；整体结构的抗震安全性评价。具体包括以下内容：（1）实测模型结构的动力特性（自振频率、振型和阻尼比）及受震前后的变化。同时，依据模型试验的相似关系，推算原型结构的自振特性，研究这些参数在不同水准地震作用下的变化。（2）选择甲方提供的原设计分析采用的地震波（包括天然地震记
9、录和人工波）作为振动台试验的输入地震波，具体数量可与甲方和设计方商定。（3）测定结构在地震波7度多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震作用下各个方向的加速度反应，根据试验情况给出结构的动力放大系数和最大加速度包络图。（5）给出上述荷载情况下的位移反应和最大位移包络图以及扭转反应。（6）测定重点柱、梁及连杆等关键构件的动应变，分析判断结构的抗震能力。（7）观察裂缝出现和发展情况，确定结构的薄弱部位、开裂程度、破坏形式和破坏机理，分析判断结构的抗震安全性。（8）根据以上试验结果，找出结构抗震的薄弱部位，验证原结构设计是否满足抗震规范三水准的设防要求。（9）在弹性阶段对原型结构和模型结构进行与试验工况相对
10、应的计算分析，并与试验结果比较，验证设计分析程序的可靠性。（10）对整体结构进行动力弹塑性时程分析；研究分析结构在地震作用下的破坏部位以及破坏模式，破坏机理，分析推断原结构的地震反应及综合抗震能力；（11）根据试验结果判断结构地震反应是否满足有关规范要求及预期的抗震设计目标，评价结构的总体抗震性能。（12）在综合理论分析和结构试验成果的基础上，对结构抗震设计提出改进的建议。1.5 模拟方案1、模拟方案选择动力试验用的结构模型必须根据相似律进行设计，模型动力相似律的建立以结构运动方程为基础，选择若干主要控制参数作为模拟控制的对象，依据Buckingham的定理，经无量纲分析导出控制参数的无量纲积
11、，据此确定各控制参数的相似比率。结构动力试验的相似模型大致分为四种：（1）弹塑性模型 理论上可以重现结构反应的时间过程，使模型和原型的应力分布一致，并可模拟结构的破坏。由于要严格考虑重力加速度对应力反应的影响，必须满足Sa=Sg=1（Sa=模型加速度/原型加速度，Sg为重力加速度相似系数，各相似系数之间的关系见表1），即模型加速度反应与原型加速度反应一致，这一要求大大限制模型材料的选择。因为在缩尺模型中，几何比（Sl）很小，在Sa=Sg=1的条件下，要满足Sa=SE/SlS=1，即Sl=SE/S，必须使模型材料的弹模很小或材料密度很大，弹模小导致模型浇筑困难，容易损坏；密度大则要求在模型材料中
12、加入大量铅粉之类容重大的掺合物。这对大型建筑动力试验模型是难以办到的。即使弹模或密度满足了相似条件，材料的其他性质如泊松比和阻尼等也难以满足相似关系，所以全相似模型只是一种理想化的模型，在实际工程中很难采用。（2）用人工质量模拟的弹塑性模型 使用原型材料或其他替代材料制作时，SE自然等于1或接近于1，若要满足Sa=Sg=1的条件，材料密度需要加大，故采用人工质量。人工质量可以产生适当的重力效应和惯性作用，但不影响结构的刚度、强度和阻尼特性。人工质量若布置得当，可以模拟几何非线性。因此人工质量模型在地震模拟实验中获得广泛应用，但对于大型建筑物，模型几何比（Sl）很小，人工质量将大大超过模型本身的
13、质量，而模型各层空间有限，国内外的绝大多数振动台设备承载能力均难以满足这一要求。因而在模型设计中常加以改进。（3）忽略重力效应的弹性模型 放弃Sa=Sg=1的条件，忽略重力效应，会使模型反应失真。在一般情况下，重力引起的结构效应与水平地震作用效应相比是较为次要的，特别是在结构反应处于小变形阶段不发生明显几何非线性的情况下，忽略重力效应不会造成大的误差。由于忽略重力效应的模型中相似比Sa1，即振动台要有较大的出力，而模型的频率则较高，加载和量测设备要在高频状态下工作。这种模型对研究弹性状态下的性能比较合适，但本项试验要求模拟结构在7度大震作用下的反应，结构有可能进入非弹性阶段并产生较大位移。因此
14、不宜采用忽略重力效应的模型。（4）混合相似模型 使用微粒混凝土材料，采用一定的人工质量尽量减少忽略重力效应的影响。微粒混凝土材料的弹模较原型材料小，而泊松比和阻尼等特性与原型材料相近。2、模拟方案确定本试验选用混合相似模型的设计方案是较为理想的。由前述分析可知，结构模型振动台试验的相似关系是根据运动基本方程建立的，相似关系应满足质点运动平衡方程式相似、边界条件相似和运动初始条件相似。相似关系可采用量纲分析法求得。对于结构的地震反应问题，可表述为如下函数关系：式中：为结构反应应力，为结构构件尺寸，为构件的弹性模量，为构件的质量密度，为时间，为结构反应变位，为结构反应速度，为结构反应加速度，为重力
15、加速度，为结构自振圆频率。取,三者为基本量，其余各量均可以此为基础按照量纲分析的原理表示为,的幂次单项式。定义A在原型结构中的数值为，在模型中的数值为，那么在模型设计中量A的相似比为。若使模型试验能模拟原型结构的地震反应，各量的相似比必须满足表1中的公式条件。一般情况下，振动台试验是模型试验，要做到所有物理量完全相似是十分困难的，甚至是不可能的。因此在实际试验中只能要求保证主要的物理量相似，不能要求所有的物理量都严格相似。根据表1（模型/原形=1/50）模型与原型的相似关系，根据振动台的承载能力，同时估算模型重量后，对模型配重进行初步验算。其中弹性模量的相似关系需根据模型材料试块的测试结果加以调整。表1 模型与原型的相似关系（模型/原形=1/50）相似系数符号公式比值（模型/原型）尺寸Sl模型l/原型l
