摘要為研究某框筒結構高層建筑的抗震性能，建立了縮尺比例為1/50的簡化試驗模型，并采用ANSYS驗證了試驗模型簡化方法的可靠性。通過振動臺試驗得到了模型結構在不同烈度地震荷載作用下的固有特性和動力響應，并對該高層建筑的抗震性能進行了分析。將試驗推算數據和原型結構數值模擬結果進行對比，驗證了試驗數據的可靠性。研究結果表明，該試驗模型簡化方法能夠滿足高層建筑抗震性能試驗研究的要求;試驗數據按相似比推算至原型后與數值模擬數據相吻合，驗證了原型結構能夠滿足抗震設防要求。研究方法和成果可為振動臺試驗模型簡化以及高層建筑抗震性能研究提供參考。

　　關鍵詞框架-核心筒結構，振動臺試驗，數值模擬，動力反應，抗震性能

　　o引言

　　框架一核心筒結構已成為大型商務高層建筑的常用結構形式。由于基于反應譜法的結構設計軟件只能計算出結構在地震作用下的最大動力反應量，而無法獲得結構的完整時程響應。因此，我國抗震規范m規定在設計高層建筑時，應采用時程分析法對其抗震性能做補充驗算。相比大型有限元軟件的動力時程分析，振動臺試驗以其精確性、直觀性和可靠性而廣為使用。我國學者采用振動臺試驗從不同的角度對高層建筑的抗震性能進行了研究。唐興榮等⑵對帶有疊層桁架轉換層的上海裕年國際商務大廈進行了抗震性能研究，通過1：25的縮尺模型振動臺試驗，獲得了結構的動力特性和破壞機理，驗證了結構的良好抗震性能。

　　呂西林等⑶對一個12層的鋼一混凝土豎向混合框架結構模型進行了抗震性能研究，通過振動臺試驗獲得了鋼一混凝土混合結構的抗震性能。然而，隨著高層建筑設計高度不斷增大，大比例尺振動臺試驗模型的重量和高度也隨之增大，從而對振動臺的承載力和試驗空間高度提出了新的挑戰。由于振動臺設備以及改造試驗空間高度所需的成本較高，本文采用一種試驗模型簡化方法⑷建造大比例尺試驗模型，以達到減小試驗模型重量及高度的目的。通過模型簡化方法的數值對比計算驗證了該簡化方法的可靠性。根據振動臺試驗結果，分析了模型結構在不同烈度地震作用下的固有特性和動力響應。將試驗結果按相似比推算至原型，并與數值模擬結果進行對比，驗證了該高層建筑抗震性能能夠滿足我國抗震規范的各項要求。研究成果可為振動臺模型簡化和高層建筑抗震性能研究提供參考。

　　1試驗模型

　　1.1原型結構

　　該高層建筑位于合肥市，地上41層，地下5層，總建筑面積95027n?。結構形式為框架一核心筒結構，抗震設防烈度為7度，特征周期0.35g，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.1go梁和樓板采用C40混凝土，剪力墻采用C50混凝土，框架柱采用C60混凝土，受力鋼筋主要采用HRB400和HPB300兩種規格。

　　1.2模型的簡化

　　該建筑地下共4層，相比周圍的地基土而言，地下結構的剛度較大。因此，試驗模型采用固定基礎，即上部結構通過螺栓直接固定在振動臺臺面上�？紤]到振動臺的承載力以及試驗場地空間限制，確定模型尺寸為原型的1/50，并采用抽層的方法對原型結構進行簡化。將各個標準層中相鄰的上下樓板抽去，并將所抽去樓板的恒活荷載平均分配至相鄰的上下層樓板。同時，采用強度和剛度等效原理對柱和核心筒截面進行修正。最終將41層的原型結構簡化為了縮尺比例為1/50的20層試驗模型。

　　1.3相似比例的確定

　　振動臺試驗的相似比關系根據試驗模型是否采用原型材料而不同。本試驗采用非原型材料進行模擬，用不同強度微�；炷�土來模擬原型結構的混凝土，材料的力學性能參數如表2所示。選用抗拉屈服強度為295MPa的鍍鋅鐵絲近似模擬原型結構中框架梁、樓板和剪力墻中的主筋14引。采用Buckinghamtt定理確定了物理量的相似比例。

　　1.4模型簡化方法可靠性驗證

　　模型簡化前，采用有限元軟件ANSYS建立了原型結構和抽層后的簡化數值模型，通過對比地震作用下的時程分析結果，以驗證模型簡化方法的可靠性。選擇梁單元(BEAM188)模擬框架梁和柱，殼單元(SHELL181)模擬剪力墻和樓板，模型底部均采用固定端約束。由計算結果可知，原型結構的低階振型與簡化模型一致。

　　前兩階振型分別為沿y軸和X軸方向的彎曲;第三振型為扭轉振型;第四、五階振型分別為沿丫軸和X軸方向的剪切變形，且均具有一個反彎點。將兩個模型的固有周期、最大層間位移和最大層間位移角進行對比。固有周期最大誤差為2.6%，層間位移的最大誤差為5.42%，層間位移角的最大誤差為8.56%。簡化模型的結構特性與原型結構較為接近，因此該簡化方法是可行的，簡化后的試驗模型可以作為試驗的研究對象。

　　2試驗結果分析

　　2.1試驗模型固有特性

　　通過四次白噪聲掃頻，得到了固有頻率隨地震峰值加速度增大而發生的變化。由幅頻曲線，采用半功率帶寬法得到了結構在不同地震烈度作用后的阻尼比。各階段固有頻率和阻尼比的計算結果如表9所示。隨著地震峰值加速度的增大，結構的X軸和y軸方向的固有頻率均不斷減小，阻尼比均不斷增大，說明結構不斷發生破壞，結構的抗側剛度也隨之減小。經歷了7度多遇和7度罕遇地震，結構X軸和y軸固有頻率的降幅分別為9.7%和12.2%，由于剛度變化的比率是頻率變化比率的平方倍，因此y軸方向水平抗側剛度相比X軸降低更為明顯。

　　8度罕遇地震作用后結構x軸和r軸固有頻率的降幅分別為23.6%和18.3%，結構已經發生了破壞，剛度減小，固有頻率與受到地震激勵之前有較大變化。9度罕遇地震作用后結構X軸和y軸固有頻率的降幅分別為37.5%和26.8%，結構的破壞加重。由試驗數據得到的模型X軸方向第一和第三階的平動振型。由于框架和核心筒的振動特性不同，框架的變形呈剪切形，核心筒的變形呈彎曲形，兩者組合后使得X軸第一階振型呈彎剪形，第三階振型岀現了反彎點，該結果與ANSYS數值模擬結果相吻合。

　　2.2加速度響應

　　加速度響應表征了結構振動劇烈的程度，展示了結構頂部角點的加速度時程曲線。為便于描述整個結構的加速度響應，定義加速度放大系數為模型各層與基底加速度最大絕對值的比值[8-l01o各工況下模型的放大系數。在三種地震波作用下，各樓層的動力放大系數均小于3.0，屋蓋最大動力放大系數為3.98，結構各層的動力響應無突變現象，鞭梢效應較明顯。

　　2.3位移響應

　　由于位移計布置得較少，為了獲得結構更多的位移響應，通過MATLAB軟件將加速度轉換成頻域后再進行二次積分，最后再將頻率積分結果轉換為時域，即可得到點位的位移時程。經數據處理后，得到了不同工況下試驗模型各層的最大層間位移和層間位移角。

　　3試驗與數值模擬結果對比

　　3.1數值模型

　　由于原型建筑采用YJK軟件設計，直接采用該軟件的結構計算模塊進行有限元建模，其時程計算結果能更準確地反映設計結構的動力響應。因此，本文采用YJK軟件的數值模擬結果與試驗結果進行對比，從而驗證試驗結果的可靠性。YJK軟件采用梁單元模擬框架柱、框架梁和次梁，采用殼單元模擬樓板和剪力墻，模型底部采用固定端約束。

　　4結論

　　本文通過對某高層建筑進行振動臺試驗和數值模擬得到結論如下：

　　(1)采用抽層以及強度和剛度等效原則建立的簡化試驗模型與原型建筑的固有特性和動力響應誤差較小，驗證了試驗模型簡化方法的可靠性，該方法可為振動臺試驗模型的簡化設計提供參考。

　　(2)試驗結果表明，試驗模型的最大動力反應量均小于我國抗震規范中各項限值規定，且滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設防要求。

　　(3)試驗結果按相似比推算至原型結構后，與有限元軟件模擬結果較為接近，證明了試驗數據的可靠性和研究方法的正確性。

　　參考文獻

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　　建筑工程師論文投稿刊物：《建筑結構》為面向全國建筑工程界的科技刊物，是我國建筑科學類核心期刊和建設部優秀科技期刊�！督ㄖ�結構》以服務國民經濟建設、繁榮建筑科學技術、推動我國建筑科學技術進步為宗旨;以實用性、科學性、系統性、導向性和信息資料性為特色，是我國建筑結構、土木工程領域的一份重要刊物。