建筑结构抗震研究的若干进展

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50025821,50321803)

作者简介:吕西林(1955-),男,陕西歧山人,教授,工学博士,博士生导师.E 2mail:lxlst@mail.tongji.edu.cn

建筑结构抗震研究的若干进展

吕西林,蒋欢军

(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092)

摘要:对近10年来在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行的建筑结构抗震研究进行了回顾和总结.研究工作主要包括高层建筑结构的抗震控制研究与应用、基础隔震研究、新型抗震耗能剪力墙的研究、结构-地基动力相互作用研究、方钢管混凝土结构研究、高层及超高层建筑结构抗震研究等.这些研究工作与工程实践紧密结合,大部分研究成果已在实际工程中成功应用.

关键词:结构抗震控制;结构-地基动力相互作用;方钢管混凝土结构;高层及超高层建筑

中图分类号:TU 352.11 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2004)10-1278-07

Progress of Seismic Rese arch in the Field of

Building Structural Engineering

L B Xi 2lin ,JIAN G H uan 2jun

(State Key Labo rato ry for Disaster Redu ction in Ci vil Eng ineering ,Tongji University,Shang hai 200092,China)

A bstract :T he seismic research in the field of building structural engineering conducted in State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering of Tongji U niversity,China in recent 10years is reviewed briefly in this paper.It mainly includes seismic control studies of high 2rise building structures with application,studies of base isolation,a new type of seismic energy 2dissipation shear wall,dynamic soil 2structure interaction,concrete 2filled rectangular tubular structures,seismic performance of high 2rise building and ultra 2tall building structures,and so forth.The basic research work is significantly mean 2ingful to engineering practice and most of the research accomplishments have been applied in practice successfully.

Key words :seismic structural control;dynamic soil 2structure interaction;concrete 2filled rectangular

tubular structures;high 2rise buildings and ultra 2tall buildings

中国是一个多地震国家,也是世界上地震灾害最严重的国家之一.在1976年唐山大地震发生之后,抗震工作受到了各级的高度重视,许多高等院校、科研院所大力开展了工程结构的抗震研究,至今已取得了很多研究成果.同济大学土木工程防灾国家重点实验室自1988年成立后,进行了大量的工

程结构抗震研究,其中在振动台试验室完成的抗震试验研究项目就达390多项(截止到2003年),包括20多项国家和地方的重大工程抗震试验研究项目.目前,该实验室已与国内外许多科研院所、大型企业建立了广泛的合作与交流关系,在基础研究和应用基础研究、重大工程技术服务、专业人才培养以及科

第32卷第10期2004年10月

同济大学学报(自然科学版)

JOURN AL OF TO NGJI UNIVERSITY (NATU RAL S CIENCE)Vol.32No.10 Oct.2004

研基地建设等方面都取得了明显的进展.

本文对近年来在该实验室进行的建筑结构抗震

研究工作进行了总结,简单介绍了已取得的一些研究成果和工程应用情况,从而可以使读者从一个侧面了解我国建筑结构抗震研究的进展.

1 高层建筑结构抗震控制研究与应用

1.1 新型TM D(调谐质量阻尼器)控制系统的研制

T MD 控制系统因无需外部提供能源、造价较低、可靠性高而得到了较广泛的研究和应用.T MD 系统由质量块、弹簧系统和阻尼系统组成,通过设计合理的质量、刚度和阻尼参数使T MD 系统实现减震目的.常见的阻尼系统为油阻尼器,通过调节活塞面积和油的粘滞度来控制系统的阻尼.这种阻尼系统中阻尼参数的调节和维护比较复杂.吕西林等采用伺服电机作为 的阻尼器[1],采用该阻尼系统的最突出优点是:可以通过调节伺服电机的减速齿轮开关和电枢线圈中的电流使阻尼在一定范围内光滑变化,甚至可以实现在控制过程中的动态调节.该 系统的组成如图1所示

.

图1 系统示意图

Fig.1 Diagrammatic drawing of system

该新型T MD 系统良好的减震控制效果得到了一系列试验的验证.试验时, 系统安装在一个3层钢框架结构模型的顶层楼板上.首先进行了结构的自由振动试验,研究结构在不同阻尼的T MD 系统控制下自由振动的衰减情况.接着,进行了受控结构的地震模拟振动台试验,并与无控结构的地震反应作对比.试验结果表明该 系统对结构具有显著的减震作用.

1.2 新型组合抗震消能支撑研究与应用

抗震消能装置作为减少结构地震反应的一种有效手段,已得到了广大科技人员的重视.在过去30多年中,国内外的研究人员已开发了许多消能减振装置.由于这些装置基本上是单一种类的消能器,消能作用有限.吕西林等提出了一种新型组合式抗震消能支撑[2].该装置由铅芯橡胶消能器与油阻尼器并联后

再与钢支撑通过节点板串联后构成,如图2所示.由于铅芯橡胶消能器与油阻尼器均能提供较大阻尼,前者为变形相关型,后者为速度相关型,使该装置具有双重消能效果.课题组系统研究了粘滞阻尼器的抗震消能性能,进行了国产粘滞阻尼器的反复荷载试验,并对安装有该抗震消能装置的3层钢框架结构模型进行了振动台试验,验证了所开发的组合抗震消能装置具有很好的消能减震能力.该装置已获得了国家专利,并已用于实际工程的抗震加固

.

图2 组合式抗震消能支撑

Fig.2 Combined seismic ener gy 2dissipation br ace

1.3 用流体阻尼器连接的耦联结构体系

为了提高相邻建筑物的抗震性能并防止它们之间相互碰撞,可采用控制装置来连接相邻建筑物以减少地震反应.吕西林等对于这种耦联结构体系的抗震控制问题进行了系统的理论与试验研究[3].对2个1/4比例的相邻的6层和5层钢框架模型进行了多种工况的振动台试验(如图3所示).试验研究表明:只要采用具有合适参数的流体阻尼器在适当的位置连接具有不同自振频率的相邻结构,能够在两结构自振

频率变化很小的情况下,增大两结构的振型阻尼比,并且减少地震反应.接着,采用通用有限元分析程序ANSYS 对试验模型进行了数值计算.进而提出了一个标准化的2层计算模型,

用来模拟高塔楼和矮裙房

图3 用流体阻尼器连接的试验模型Fig .3 T ested adjacent structural model

linked by f luid dampers

1279 第10期吕西林,等:建筑结构抗震研究的若干进展

相连接的情况,推导了其运动方程,并进行了广泛的参数分析,为其工程应用打下了基础.该控制方法已在上海世贸国际广场中得到了应用,采用40个60t 的粘滞流体阻尼器连接主楼和裙房及广场.

2 基础隔震研究

2.1 新型隔震系统的开发

迄今为止,国内外已开发了多种基础隔震系统,其中滑移式隔震系统是研究和应用较多的一种,但是这种隔震系统的最大缺点是在强震作用下滑移层的水平滑移量过大或地震后残余水平位移过大,易引起穿越隔震层的非结构构件破坏.为了克服此缺点,施卫星等提出了一种带有限位装置的新型隔震系统[4].该隔震系统由橡胶挡块和普通的滑板橡胶支座组合而成,橡胶挡块放置在隔震层的滑移方向,与隔震层的初始位置有一定间距.当大震发生时,滑板式隔震层开始滑动,在碰到橡胶挡块之前该基础隔震结构的振动与不设橡胶挡块的基础隔震结构相同;当隔震层滑动距离较大时,就会碰到橡胶挡块,橡胶挡块发挥作用,增加了隔震层的水平刚度和抗滑能力,隔震层的滑动受阻,从而了隔震层的大位移.对于这种隔震系统,建立了如图4所示的计算模型.图中:m 为质量;c 为阻尼;k 为刚度.通过对普通滑移隔震结构和这种新型隔震结构的时程反应分析结果的对比,证实了新型隔震系统具有更好的隔震效果和控制滑移层水平位移的能力

.

图4 计算模型Fig.4 Ana lytical model

2.2 隔震结构的振动台试验研究

吕西林等与日本学者合作进行了基础组合隔震结构的振动台试验研究[5].试验模型为一个3层钢框架结构,分别进行了基础固定结构模型和基础隔震结构模型的试验.基础隔震结构模型采用了2种隔震系统:铅芯橡胶隔震系统和组合隔震系统.铅芯橡胶隔震系统由4个铅芯橡胶支座构成,组合隔震系统由4个叠层橡胶支座和2个滑移摩擦隔震支座组成.组合隔震系统中叠层橡胶支座布置在4个角

部,滑移摩擦隔震支座布置在中间(见图5).试验结果表明:组合隔震系统具有良好的隔震效果,隔震层的变形复位能力较强,其隔震效果与2种不同类型隔震支座的比例和布置有关.利用通用有限元程序ANSYS 建立了试验结构的计算模型,对组合隔震系统建立了双线型的恢复力模型,进行了地震反应及能量分析

.

图5 安装在振动台上的基础隔震结构模型Fig.5 Base isola ted structural model on the shaking table

3 一种新型抗震耗能剪力墙的研究

3.1 耗能装置的剪切摩擦试验

为了改善高层钢筋混凝土剪力墙的抗震性能,防止在地震作用下破坏集中在墙体底部,吕西林等提出了一种新型抗震耗能剪力墙.这种剪力墙是在墙体中部开竖向通缝,在竖缝中填充氯丁橡胶带,并在每层的局部高度处利用墙体中原有的水平抗剪钢筋穿越橡胶带.为了验证这种剪力墙的抗震耗能效果,进行了系统的试验和理论研究.首先进行了耗能装置在低周反复荷载作用下的剪切摩擦试验,研究了其受力机理和耗能机理.试验结果表明该装置具有良好的耗能能力和延性.利用地基上桩的理论和

剪切摩擦理论建立了耗能装置的计算模型.3.2 低周反复荷载试验和振动台试验

分别对1层和4层耗能剪力墙及普通实体剪力墙进行了在水平低周反复荷载作用下的对比试验,验证了耗能剪力墙具有良好的抗震性能[6].在加载初始阶段,耗能墙的受力性能与实体墙类似,然后耗能墙和实体墙发生了不同的破坏模式:实体墙的破坏集中在墙体底部,而耗能墙底部的破坏大大减轻,破坏区域扩散在竖缝两侧,耗能墙的延性和耗能能力有了明显提高.

为了进一步检验该耗能剪力墙结构的抗震性

1280

同济大学学报(自然科学版)第32卷

能,又进行了1/5比例的10层耗能剪力墙结构模型的振动台试验.该模型由2片厚40mm 、宽1000

mm 的开竖缝的剪力墙组成,缝宽8mm,2片剪力墙之间用楼板连接.在小震作用下,模型的反应类似于实体剪力墙结构,处于弹性工作状态;随着台面输入地震动的加大,模型发生了非线性反应,竖缝中的橡胶带发生了剪切错动,与两侧墙体发生了相对滑移;在强震作用下,模型竖缝中橡胶带的错动和滑移加剧,墙体底部发生了轻微的弯曲破坏.3.3 结构数值分析

分别采用宏观墙单元模型和有限元微观模型建立了耗能剪力墙结构的计算模型,进行了非线性静力分析和动力时程分析[7,8].在宏观墙单元中,采用多垂直杆元模型,力学概念清晰、计算工作量小,便于工程应用.在有限元模型中,采用四节点等参单元作为基本单元,混凝土的开裂采用弥撒裂缝的处理方法,建立了混凝土在反复荷载作用下的应力-应变滞回模型,并在橡胶单元和混凝土单元之间加入了接触面单元,如图6所示.混凝土与橡胶接触面上的剪切滑移滞回模型如图7所示.图中:S 为剪应力;R n 0、R n 1和R n 2为不同大小的法向应力;$u 为滑移量.数值分析结果与试验结果比较一致,有限元模型较好地模拟了混凝土与橡胶带接触面滑移摩擦的过程.该耗能剪力墙已获得了国家专利,并已成功应用于上海市的2幢20层的高层建筑中,取得了较好的经济效益和社会效益

.

4 结构-地基动力相互作用研究

4.1 振动台试验研究

结构-地基动力相互作用问题对正确预测结构的地震反应具有十分重要的意义,但由于试验的难度较大,国内外的研究主要以理论和计算分析为主,

试验研究很少.吕西林等进行了结构-地基相互作用体系的振动台试验[9]

,试验中考虑了模型(包括土和结构2种介质)相似模拟和土层边界条件模拟这2个公认的难题,采用均匀土和3层分层土作为地基土,以带不同大小质量块的单柱和12层钢筋混凝土框架结构模拟上部结构,基础有桩基和箱基2种形式,同时考虑这些因素的试验在国内是首次进行,在国际上也很少.为了较好地模拟土层边界条件,设计了一个直径为3000mm 的圆形柔性容器,侧壁采用5mm 厚的橡胶膜,圆筒外侧用<4@60钢筋作圆周式加固,以提供径向刚度,且允许土层作水平剪切变形.12层框架结构试验模型如图8所示.通过试验,研究了结构-地基动力相互作用的特性、相互作用对基底地震动影响的规律、相互作用体系的地震反应规律及其影响因素等问题,并再现了震害现象,获得了一整套试验数据

.

图8 动力相互作用试验模型Fig.8 Soil 2str ucture interaction model

tested on the shaking table

4.2 数值分析

利用通用有限元分析程序ANSYS 建立了振动台试验中的结构-地基相互作用体系的计算模型[10]

,容器的侧壁采用三维壳单元划分,土体采用三维固体单元.在计算中,采用等效线性模型来考虑分层土体的非线性特性,利用面)面接触单元考虑土体与结构交界面的状态非线性,以及模拟土与结构界面的滑移、脱开和嵌入等现象.数值分析结果与试验结果吻合较好.通过对比分析,发现在进行动力

相互作用分析时需要同时考虑土体的材料非线性和土与结构交界面的状态非线性,否则计算结果会有较大的误差.通过数值分析,还研究了相互作用体系的加速度放大系数沿结构高度的分布规律、桩身应变和桩土间接触压力及滑移量沿桩身高度的分布规律、软土地基的滤波隔震、竖向地震激励的影响和相互作用对结构动力反应的影响等问题.为了研究地

1281 第10期吕西林,等:建筑结构抗震研究的若干进展

基液化对桩基高层建筑地震反应的影响,将等效线性化方法改进为逐步迭代非线性方法.在试验模型数值分析的基础上,又进行了高层建筑实际工程的结构-地基动力相互作用的计算分析.

5 方钢管混凝土结构研究

5.1 轴心受压方钢管混凝土短柱的性能研究为了研究方钢管混凝土(CFRT)短柱的受力机制和破坏机理,吕西林等进行了6个方钢管混凝土短柱和2个没有填充混凝土的方钢管柱在轴压力作用下的静力试验,试件的变化参数为宽厚比及填充混凝土的强度等级.试验发现,没有填充混凝土的钢管柱在达到屈服应力之前钢板发生了局部屈曲破坏.与钢管柱相比,由于内填的混凝土增强了钢管混凝土柱的稳定性,延缓了钢板的局部屈曲,钢管混凝土柱具有更好的延性.在试验研究的基础上,提出了一个三向受压混凝土的本构模型

[11]

,该本构关系采用亚弹性正

交各向异性模型和Ottosen 的破坏准则,并把Darwin 和Pecknold 的等效单轴应变概念进一步推广到三维非线性增量应力)应变关系中.对该材料模型的计算值与Kupfer 等人的二维试验结果以及Kotsovos 等人的三轴试验结果进行了比较验证,结果表明它是一个相对简单、有效的模型.接着建立了非线性三维有限元计算模型,对钢管混凝土柱进行了数值分析,采用弧长法进行迭代求解.数值分析表明方钢管混凝土柱内核心混凝土的承载力主要依赖于2个斜对角区域,方钢管对核心混凝土的约束作用主要集中在角部区域.通过广泛的参数分析,回归得到了方钢管混凝土短柱的承载力计算公式.

5.2 方钢管混凝土柱抗震性能和设计方法研究

进行了12根承受常轴力和水平反复荷载作用的方钢管混凝土柱的试验,研究了不同试验参数,如宽厚比、轴压比和内填混凝土强度对试件抗震性能

的影响[12].试验结果表明,方钢管混凝土柱具有与钢柱相似的良好的荷载)位移滞回性能,但有着更好的抗局部屈曲的能力;与普通钢筋混凝土柱相比,方钢管混凝土柱具有更好的耗能能力和更小的强度退化.采用条带法和共轭梁分析截面和构件,对方钢管混凝土柱的荷载)变形全过程进行了分析,计算得到了弯矩)轴力)曲率关系和荷载)位移关系.采用对方钢管混凝土柱弯矩)轴力曲线进行拟合的方法,提出了其截面强度计算方法,计算值与试验值吻合较好.通过对方钢管混凝土弯矩)曲率和弯矩)轴力曲线进行简化,运用压溃荷载理论,得出了方钢管混凝土偏压构件极限承载力的简化解析解.此外,将初始偏心的方法运用于轴压构件的计算,并结合试验结果给出了应用于工程时方钢管混凝土柱的轴压比限值公式.

5.3 新型方钢管混凝土柱-梁节点抗震性能及设

计方法

吕西林等完成了2种新型方钢管混凝土柱-梁节点(穿筋式和外置式)的研制[13],如图9所示.这2种节点实现了方钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁的连接,且具有施工简单、传力直接等优点,已获得国家专利.进行了4个梁柱组合体试件在模拟恒定楼面荷载作用下的侧向低周反复荷载试验研究,通过试件的宏观破坏机制、各控制点的位移值和钢筋应变的量测分析,验证了新型节点具有良好的强度、延性和耗能能力,能够应用于实际工程.接着进行了8个新型节点的联结面抗剪试件的试验研究,考察了节点联结面的不同破坏形式及其发展过程.试验结果表明:通过合理的设计,新型节点能获得较高的联结面抗剪承载力,能满足工程中梁柱传力的需要.通过对新型节点的受力性能分析,并结合试验研究提出了这2种节点的设计方法,并给出了设计实例.上述有关方钢管混凝土柱及其连接节点的设计方法已被国家行业标准采纳

.

图9 新型方钢管混凝土柱与混凝土梁连接节点

Fig.9 New types of connections between CFRT column and r einf orced concr ete beam

1282

同济大学学报(自然科学版)第32卷

6.1钢筋混凝土联肢剪力墙研究

对3个1/4比例的5层钢筋混凝土联肢剪力墙结构模型进行了低周反复荷载作用下的试验[14],各模型的惟一区别是连梁的高度不同.试验时,先在墙体顶部施加均布压应力,然后同时在顶部和中间高度处施加水平反复荷载,两荷载的比值为2,以模拟倒三角分布荷载.通过试验研究了连梁与墙肢的刚度比(反映为整体系数)对联肢剪力墙受力性能的影响、不同整体系数的联肢剪力墙的破坏机理、延性及恢复力特性.在试验研究的基础上,建立了联肢剪力墙的非线性计算模型[14],其中墙肢采用多垂直杆元模型,连梁采用一种考虑分布塑性、剪切变形和梁端粘结滑移特性在内的计算模型,该模型由分布塑性子单元、剪切子单元和粘结滑移子单元3部分串联构成.利用这种计算模型得到的理论分析结果与试验结果吻合较好.

6.2钢筋混凝土核心筒研究

对2组钢筋混凝土核心筒模型进行了在低周反复荷载作用下的试验[15].第1组模型为3个尺寸比例为1/5的3层试件,第2组模型为2个尺寸比例为1/6的5层试件,同一组模型中各试件之间的区别在于连梁的跨度(即连梁与墙肢的刚度比)不同.第1组模型的恒定竖向荷载由作用在顶部的5组同步液压千斤顶施加,水平反复荷载作用在模型顶部;第2组模型受加载高度的采用体外预应力张拉法施加竖向荷载,水平荷载采用2点加载,分别作用在顶部和2层顶部,试验装置如图10所示.试验研究了轴压比、连梁的刚度对核心筒受力性能的影响,各模型的破坏机理、延性、刚度、承载力和滞回特性.试验中还发现了核心筒中的剪力滞后现象十分明显.在试验研究基础上采用八节点平面应力单元建立了核心筒的非线性有限元计算模型.采用弥撒裂缝的处理方法,建立了简化的混凝土应力-应变本构关系.利用该计算模型对试验进行了数值计算,对轴压比和连梁刚度进行了参数分析,提出了钢筋混凝土核心筒理想的破坏模式.

6.3复杂高层及超高层建筑振动台试验研究

结构模型的地震模拟振动台试验已被公认为是经济、可靠评价和检验结构整体抗震性能的直接手段,特别是对于那些复杂结构,当数值分析不能得到精确、可靠的结果时,模型试验往往被推荐使用.动力相似理论无疑是模型结构振动台试验最重要的基础.为了验证动力相似理论在振动台试验中的有效性,吕西林等进行了动力相似理论的专题研究,验证了在振动台试验中模型结构与原型结构在自振特性、动力反应、破坏机理、恢复力特性等方面具有很好的相似性.在基础研究的基础上,先后进行了建造于上海、北京、广州、深圳、重庆等城市的20多幢复杂结构体系的高层及超高层建筑结构模型的振动台试验研究.图11所示为目前国内最高的上海环球金融中心的振动台结构模型.通过这些试验研究,得到了原型结构的动力特性、地震反应和破坏机理,发现了结构的抗震薄弱部位,并在此基础上提出了改善结构抗震性能的改进措施和意见,为保证这些大型工程的地震安全性提供了有力的技术支持和保障,获得了很好的经济效益和社会效益.在长期试验研究的基础上,目前已形成了一整套比较成熟的结构模型的设计和施工方法、试验测试和分析技术,以及数值计算方法.部分结构模型的振动台试验结果已得到了建成后实际结构现场实测结果的验证

.

图10第2组模型试验装置

Fig.10Testing setup for the second

group

图11上海环球金融中心结构模型

Fig.11Str uctur al model of Shanghai Wor ld Financial Center

1283

第10期吕西林,等:建筑结构抗震研究的若干进展

7结语

本文对近年来在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行的建筑结构抗震研究进行了回顾和总结.基于以前进行的上述研究工作,该实验室目前正在进行下列建筑结构抗震研究:¹建筑结构基于性能的抗震设计理论与应用研究;º钢-混凝土混合结构体系的抗震性能和地震反应分析研究;»超高层建筑抗震技术研究;¼新型结构抗震控制装置的研制和工程应用;½已建房屋抗震性能评价和新型抗震加固方法研究.

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(编辑:曲俊延)

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