外型钢砼框架—内置型钢框架钢筋砼核心筒混合结构抗震性能试验研究与分析

(超)高层建筑结构一定程度上可代表城市、地区的经济发展水平,其结构体系的选择、承重构件的类型及其连接对其使用功能至关重要。随着我国经济的快速发展,可以预测在今后相当长一段时间内,中国将是(超)高层建筑发展的主要阵地。由于高度超限,抗侧力体系多种多样,其适用范围及适用高度均有所不同,目前还很难形成系统完整的、有针对性的规范、标准等作为设计依据。更需注意的是,一些抗震设防区域或高烈度区也出现了(超)高层建筑结构,且此高度范围的建筑基本均未受到相当强度的地震洗礼。因此,为确保此类建筑结构在地震区的安全可靠,为此类结构抗震设计提供普遍意义上的设计依据,对其抗震性能的研究尤为重要。目前国内外对(超)高层建筑结构,特别是地标性建筑的抗震设计主要根据静、动力试验完成分析,辅以数值模拟完成整体结构的分析作为结构设计的主要依据。本文将采用上述手段对可适用于(超)高层建筑的混合结构体系主要进行如下研究:(1)提出一种新的(超)高层建筑体系,即:外型钢混凝土框架—内置型钢框架的钢筋混凝土核心筒混合结构体系。根据相似原理设计出1:10的模型结构,并进行了地震模拟振动台试验研究;(2)结合振动台试验结果,对该体系中出现的薄弱楼层处的内置型钢框架的组合核心筒体进行了1:2模型的拟静力试验研究;(3)初步探讨了该组合核心筒体的非线性力学性能。论文具体开展并完成了以下工作:(1)提出"外型钢混凝土框架—内置型钢框架钢筋混凝土核心筒"混合结构,探讨其用于(超)高层建筑作为结构抗侧体系的可行性。根据现行规范、规程设计了"外型钢混凝土框架—内置型钢框架钢筋混凝土核心筒混合结构",利用ETABS软件进行了该类结构体系的原型结构整体分析及截面设计。(2)根据相似原理,依据原型结构的基本设计信息,完成了1:10大比例整体模型结构的设计,获得了模型中主要构件的截面设计信息。(3)对该类混合结构模型进行了地震模拟振动台试验,系统分析了整体模型结构在不同类型、不同强度水平的地震动作用下楼层的动力响应,研究了不同工况下模型结构的破坏机理、外框架与核心内筒之间的协同工作性能及整体模型结构的薄弱层位置等,并根据相似关系讨论了对应的原型结构的动力响应及其抗震性能。(4)在振动台试验研究基础上,对内置钢框架钢筋混凝土核心筒体进行了1:2模型结构的拟静力试验。深入研究了该类组合筒体的刚度及承载力变化、耗能机制、滞回特性、变形特点及破坏机理等。进一步分析了内置型钢框架对钢筋混凝土核心筒的承载能力及延性的影响;讨论了内置型钢框架与混凝土间的相互作用及协同工作性能。(5)采用大型建筑结构有限元分析程序STRAT对该内置型钢框架核心筒进行了大震非线性分析及抗震性能研究。上述研究的目的是研究本文所提出的混合结构体系整体抗震性能及其主要抗侧部分—内置型钢框架核心筒体的抗侧能力,探讨该类混合结构在(超)高层建筑结构,特别是地震区高层建筑结构中应用的可行性。本文的研究旨在抗震试验分析的基础上,对该类混合结构体系的综合抗震性能进行全面的分析讨论,对该类结构在地震区的应用提供分析基础,为该类结构体系相应的技术标准、规程的编制与制定提供参考依据,为我国(超)高层建筑结构的发展提供技术保证。     

高层钢框架-混凝土核心筒混合结构振动台试验研究

为了研究高层钢框架-混凝土核心筒混合结构的整体抗震性能,本文设计了一个典型的比例为1/15的20层钢框架-混凝土核心筒混合结构的缩尺模型,在同济大学土木工程防灾国家重点实验室实施了模拟地震振动台试验。本文重点介绍试验中模型结构在各级水准地震作用下的动力特性、加速度和位移反应,描述了模型结构的破坏位置及过程,并根据相似理论得到了原型结构的地震反应。试验研究表明:原型结构基本能够满足我国现行规范"小震不坏、大震不倒"的抗震设防标准;核心筒发挥了主要抗侧力作用;结构在大震作用下有较好的延性;钢框架与核心筒的连接节点在结构设计时应给予重视。     

高土石坝振动台模型试验理论、技术与应用

对土石坝振动台模型试验理论和技术进行系统阐述,提出基于原型和模型坝料静、动力特性试验的模型相似设计方法和不同强度地震动递进输入(白噪声微振-设计地震-校核地震-破坏试验)的振动试验方法。基于1g大型振动台和ng超重力离心机振动台设备性能现状,结合高土石坝的结构特点和动力试验相似模拟要求,对土石坝振动台模型试验的优势及局限进行深入讨论。结合已有的工程实践,对土石坝振动台模型试验在工程中的应用进行总结,并以某实际高面板堆石坝为例研究面板坝生命周期内经历多次地震情况下结构动力特性的演化规律。     

大型火力发电厂框排架混合结构主厂房动力特性试验与分析

选取1 000MW大型火力发电厂新型混合结构主厂房体系的三跨三榀进行缩尺比为1/7的空间模型试验研究.采用锤击法测试模型结构的动力特性,得到其自振频率和振型,并根据相似关系换算到原型结构.使用SAP2000软件建立混合结构主厂房模型和原型结构的有限元模型,进行模态分析,得到模型和原型结构的频率和振型,并与试验结果进行对比分析.可为大型火力发电厂新型混合结构主厂房体系的抗震性能研究提供依据.     

小比例尺地下结构振动台试验模型土的设计与试验研究

基于结构与地基土相似设计相匹配的原则,通过采用卓越周期相似关系来简化锯末混合模型土,进行小比例地下结构振动台模型试验研究。通过对不同配比的锯末混合土进行共振柱试验,在采用等效线性本构模型分析原型土和混合模型土的特性参数(Gmax和G/Gmax-γ)的基础上,进一步确定了混合模型土配合比。对采用本文方法设计的自由场地模型土进行了一致地震激励下的振动台试验。试验结果表明:简化设计模型土满足了小比例地下结构振动台试验主要相似关系,取得了良好的试验效果,为以后进行土-地下结构相互作用的振动台试验奠定了坚实的基础,并且可以为类似试验提供借鉴。     

桥梁水下桩墩结构振动台模型试验相似律验证

模拟地震振动台模型试验是研究桥梁桩墩结构抗震设计的重要方法。振动台试验结果的有效性取决于模型结构与原型结构的相似程度,不同的试验目的对应的相似关系也有差别。桥梁水下桩墩结构动力模型试验在满足结构自身相似律的同时,也要满足结构周围动水压力的相似,水体的存在限制了试验模型的相似设计。基于目前广泛应用的Buckinghamπ定理,采用量纲分析法和方程分析法,通过对比分析,在合理假设的基础上得出了桥梁混凝土桩墩结构振动台破坏试验模型设计的实用相似关系。最后,以某实际水下桥梁桩墩结构为例,通过计算分析验证了相似关系公式并对产生的误差进行了判断。结果表明:原型结构与模型结构的地震动力响应满足预计的相似关系;推导的相似律能在一定程度上避免模型设计的困难,较适用于实际应用。     

配重不足时的动力试验模型与原型相似关系问题的探讨

本文分析了动力方程法和参数的量纲分析法的关系。指出采用量纲分析法时正确选择基本参数的重要性。文中用两种方法推导了不同配重条件下,模型与原型的动力相似关系,并且提出了在结构进入弹塑性阶段后,应如何根据得出的相似关系来分析原型的动力性能。为解决振动台试验时配重不足条件下,如何根据试验结果正确地推算原型结构的抗震性能提供了一种可靠的定量方法。文中以两个1/4比例八层砌体结构房屋模型的振动台试验结果和足尺模型的动力分析结果验证了本文给出的动力相似关系的正确性。     

某高层建筑结构模型振动台试验研究及有限元分析

本文对于复杂体型高层建筑结构在地震作用下的动力特性与反应,从模型振动台试验和有限元计算两方面进行了研究。对一个１：５０比例的高层建筑模进行了振动台模型地震试验,根据试验结果。通过相似关系得到原型结构在地震作用下的动力特性与反应。     

振动台试验模型地基土的设计与试验研究

本文在动力相似关系的分析基础之上,设计了一种以锯末为主要成分,用于地基-基础-上部结构动力相互作用振动台试验的模型土。用循环单剪仪对原型土和设计的模型土分别进行了试验,得出了2者的动剪切模量比Gd/Gdm ax和阻尼比λ随动剪应变γd变化的关系曲线,对两种土的动力特性进行了相似对比。试验结果表明,设计的模型土与原型土的动力特性具有较好的相似性。采用等效线性本构模型,给出了原型土和模型土的动力特性参数。对采用本文所设计的模型土进行振动台试验的动力相似问题进行了初步讨论。     

结构-地基相互作用体系的动力相似关系研究

模型试验的动力相似理论是结构试验技术中的一个重要的基础性研究课题。本文设计实现了缩比为1／20和1／10的结构－地基相互作用体系的振动台模型试验，通过对两个模型的试验结果的对比研究。对结构－地基相互作用体系的动力相似关系进行了初步探讨。按照本文的动力模型的设计施工及试验原则进行的模型体系的振动台试验，在结构－地基动力相互作用体系的主要特征和规律方面有较好的相似性。在激励较小阶段和激励较大阶段，两个缩尺模型在动力特性、加速度反应时程以及上部结构的应变反应等方面具有较好的相似关系；但在试验的中间阶段，两者存在明显的差异，影响两个缩尺模型在试验中间阶段的相似性的主要原因是土体在模拟地震激励下的非线性发展程度的差异。     

结构动力模型试验相似理论及其验证

通过几何比尺为2的两个有机玻璃模型的结构动力试验，验证了结构动力模型试验的弹性相似律和弹性力一重力相似律。得到了以下结论：(1)大小模型频率符合相似律，一阶频率误差为2．7％、4．1％，二阶频率误差为O、6．05％。弹性相似律比弹性力一重力相似律更适合于频率预测的试验。(2)大小模型的加速度、应变符合相似律，弹性相似律的加速度误差为-1．55％～8．75％，应变误差为O．377％～7．297％。弹性力-重力相似律的加速度误差为3．07％～4．158％，应变误差为6．849％～12．959％。(3)不同相似律大小模型的时问比尺吻合很好。加速度与应变时程曲线的波形一致，既无漏峰也无错峰。     

土-地铁隧道动力相互作用的大型振动台试验:试验方案设计

以南京地铁的建设背景为基础,对含有可液化土层的深厚软弱场地上双洞单轨的地铁区间隧道结构进行了大型振动台模型试验研究。根据本次试验的目的和特性,首先给出了模型体系相似比的设计基本原则,并对整个模型体系进行了相似设计,对模型土和模型结构的制备方法和模型材料的物理特性进行了室内试验研究,同时,根据对隧道地震反应分析的数值模拟结果,对传感器的选择及其布置方案进行了分析。最后,根据南京及其周边地区的地震环境,对台面输入地震动的选取及其加载方法进行了具体的阐述。试验结果表明本文对土-地铁区间隧道动力相互作用的大型振动台模型试验的设计方案是合理的,对相关试验结果的整理和分析见另文。     

Equivalent force control method for substructure pseudo‐dynamic test of a full‐scale masonry structure

The effectiveness of equivalent force control (EFC) method has been experimentally validated through hybrid tests with simple specimens. In this paper, the EFC method is applied for the MDOF pseudo‐dynamic substructure tests in which a three‐storey frame‐supported reinforced concrete masonry shear wall with full scale is chosen as physical substructure. The effects of equivalent force controller parameters on the response performance are studied. Analytical expressions for the controller parameter ranges are derived to avoid response overshooting or oscillation and are verified by numerical simulation. The controller parameters are determined based on analytical and numerical studies and used in the actual full‐scale pseudo‐dynamic test. The test results show good tracking performance of EFC, which indicates a successful test. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

猴子岩高面板坝振动台模型试验——大坝结构动力特性研究

利用大型振动台模型试验,测得了猴子岩高面板堆石坝缩尺模型坝的动力特性参数,包括大坝结构的自振频率、阻尼比和振型系数等;分析了多种因素对坝体动力特性的影响规律;根据模型试验相似率推算得到原型坝的相应动力特性参数。研究表明:大坝结构有相对稳定的振型;坝体的动力特性参数值受激振白噪声强度和振动历史等因素影响;水库蓄水使得模型坝结构自振频率小幅提升。这些试验结果和研究结论,可以为该坝的动力分析提供基本资料和定性参考。     

地震模拟模型实验中RC结构非线性性态模拟研究

在小比例尺钢筋混凝土结构模型地震模拟实验中,模型与原型间材料力学性能完全相似很难满足,致使难以正确模拟原型结构的非线性性态。依据普通混凝土和微粒混凝土力学性能实验,从动态相似的观点出发,建立原型与模型的等效动态相似关系,据此可在地震模拟模型实验中对原型结构的非线性性态进行动态模拟。通过地震模拟实验的数值模拟及反应偏差分析,验证此动态模拟实验方法的有效性。此外,小比例尺钢筋混凝土结构模型设计中通过调整配筋率、配箍率或者截面有效高度、箍筋间距等,对微粒混凝土和配筋的相似性协调进行考虑。通过简单的构件试验验证这种模型设计方法的有效性。这样,小比例尺钢筋混凝土模型将能很好地模拟原型结构的非线性性态。     

Coordinative similitude law considering fluid‐structure interaction for underwater shaking table tests

Generally, when a model is made of the same material as the prototype in shaking table tests, the equivalent material density of the scaled model is greater than that of the prototype because mass is added to the model to satisfy similitude criteria. When the water environment is modeled in underwater shaking table tests, however, it is difficult to change the density of water. The differences in the density similitude ratios of specimen materials and water can affect the similitude ratios of the hydrodynamic and wave forces with those of other forces. To solve this problem, a coordinative similitude law is proposed for underwater shaking table tests by adjusting the width of the upstream face of the model or the wave height in the model test to match the similitude ratios of hydrodynamic and wave forces with those of other forces. The designs of the similitude relations were investigated for earthquake excitation, wave excitation, and combined earthquake and wave excitation conditions. Series of numerical simulations and underwater shaking table tests were performed to validate the proposed coordinative similitude law through a comparison of coordinative model and conventional model designed based on the coordinative similitude law and traditional artificial mass simulation, respectively. The results show that the relative error was less than 10% for the coordinative model, whereas it reached 80% for the conventional model. The coordinative similitude law can better reproduce the dynamic responses of the prototype, and thus, this similitude law can be used in underwater shaking table tests.     

SOFIE project – 3D shaking table test on a seven‐storey full‐scale cross‐laminated timber building

Multi‐storey buildings made of cross‐laminated timber panels (X‐lam) are becoming a stronger and economically valid alternative in Europe compared with traditional masonry or concrete buildings. During the design process of these multi‐storey buildings, also their earthquake behaviour has to be addressed, especially in seismic‐prone areas such as Italy. However, limited knowledge on the seismic performance is available for this innovative massive timber product. On the basis of extensive testing series comprising monotonic and reversed cyclic tests on X‐lam panels, a pseudodynamic test on a one‐storey X‐lam specimen and 1D shaking table tests on a full‐scale three‐storey specimen, a full‐scale seven‐storey building was designed according to the European seismic standard Eurocode 8 and subjected to earthquake loading on a 3D shaking table. The building was designed with a preliminary action reduction factor of three that had been derived from the experimental results on the three‐storey building. The outcomes of this comprehensive research project called ‘SOFIE – Sistema Costruttivo Fiemme’ proved the suitability of multi‐storey X‐lam structures for earthquake‐prone regions. The buildings demonstrated self‐centring capabilities and high stiffness combined with sufficient ductility to avoid brittle failures. The tests provided useful information for the seismic design with force‐based methods as defined in Eurocode 8, that is, a preliminary experimentally based action reduction factor of three was confirmed. Valid, ductile joint assemblies were developed, and their importance for the energy dissipation in buildings with rigid X‐lam panels became evident. The seven‐storey building showed relatively high accelerations in the upper storeys, which could lead to secondary damage and which have to be addressed in future research. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Shaking‐table tests on reinforced concrete frames with different isolation systems

The effectiveness of seismic isolation in protecting structural and non‐structural elements from damage has been assessed in an extensive programme of shaking‐table tests, carried out on four identical 1/3.3‐scale, two‐dimensional, reinforced concrete (R/C) frames. Four different isolation systems were considered, namely: (i) rubber‐based, (ii) steel‐based, (iii) shape memory alloy (SMA)‐based and (iv) hybrid, i.e. based on both SMA and steel components, isolation systems. This paper presents a comprehensive overview of the main results of the experimental tests on base‐isolated models, whose structural response is described through: (i) maximum base displacements; (ii) maximum interstorey drifts; (iii) maximum storey accelerations and (iv) maximum storey shear forces. The evolution of the fundamental frequency of vibration of the R/C frame during the tests is also described. The beneficial effects of using base isolation resulted in no or slight damage, under strong earthquakes, to both structural and non‐structural members, as well as to the internal content of the building. The comparison with the experimental results obtained in shaking‐table tests on similar fixed‐base models emphasizes these positive aspects. Finally, advantages and drawbacks related to the use of each isolation system are discussed in the paper. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.