第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 天津高银117大厦模型振动台试验研究 张宏，田春雨，肖从真曹进哲郝伟李建赢 （中国建筑科学研究院北京，100013） 提要：天津高银117大厦地上共117层，建筑高度597m，塔楼结构由钢筋混凝土核心筒，带有巨型支撑、 巨型框架构成的周边结构，构成了多重抗侧力体系.
为确认结构在地震作用下的安全性，对地上塔楼结构进行了 模拟地震振动台试验.
试验模型比例为1：40，主要采用微粒混凝土及黄铜制作.
试验结果表明，结构可以满足 规范的抗震设防要求，基本达到了设计要求的抗震性能目标，试验结果与原型结构的计算结果基本符合.
在试验 及分析结果基础上，对结构设计提出了改进意见与措施，进一步保证了结构的抗震安全性.
试验为国内外类似的 超高层建筑的结构抗震设计提供了参考.
关键词：超高层结构：振动台试验：抗震设计：天津高银117大厦 1工程概况 天津高银117大厦是一幢以甲级写 字楼为主，并且附有六星级豪华商务酒店 及相关设施的大型超高层建筑，总建筑面 积约37万平方米.
塔楼高597米，大大 超过中国高层建筑设计规范限值，为超B 级高度的建筑.
塔楼地面以上117层，地 面以下3层.
结构平面布局呈正方形，其 尺寸沿竖向逐渐内收，办公层平面边长由 65米逐渐收进至50米，酒店则由50米 收进至45米.
结构平面长宽比为1：1， 钢筋混凝土核心筒位于结构正中，整体结 构布置规则、对称，无凹进.
本工程塔楼采用了多重结构抗侧力体 系，该体系由钢筋混凝土核心筒、带有巨 型支撑的巨型框架构成多道设防的结构体 系，提供必要的侧向刚度，共同抵抗水平 地震及风荷载.
其中，巨型支撑筒和核心 筒占主要作用.
塔楼结构存在高度超限、 加强层等超限内容，且抗震设防类别为乙 类，为了确保塔楼结构在地震作用下满足 规范要求，了解其结构特性和地震效应， 对地上塔楼结构进行模拟地震振动台试 验.
图1建筑效果图 图2计算模型 图3振动台试验模型
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2模型设计 2.1模型材料 试验选择弹性模量及强度均较适合的材 表1原型及模型材料属性对比 料来制作模型.
采用砂浆模拟混凝土，铅丝模 材料 弹模（GPa） 强度（MPa） 拟钢筋，用黄铜模拟钢结构和型钢混凝土结构 原型 砼C50C60 3. 253. 6 26. 838. 5 中的钢材.
主要材料砂浆和黄铜的材料属性如 模型 砂浆 表1所示，表中混凝土强度为抗压强度标准值， 1. 014 11. 62 钢材强度为屈服值，砂浆和黄铜强度及弹性模 原型 钢材 Q345 210 345 量为试验值.
与原型材料相比，模型材料的强 模型 黄铜 83.86 11 度和刚度均基本满足相似比关系.
2.2试验相似关系 表2模型相似关系（缩尺模型/原型） 试验模型长度相似比（缩尺比例）为 物理量 相似关系 物理量 相似关系 1/40，根据模型材料性能，确定材料弹模相似 长度 1/40 质量密度 5. 128 比S为1/3：根据振动台承载能力，确定质量 弹性模量 1/3. 0 时间 密度相似比为5.13.通过以上三个相似比， 0.0981 推导得到模型的其他相似关系如表2.
频率 10. 20 加速度 2.6 2.3模型设计及简化 塔楼结构嵌固部位为地下一层夹层（B1M），试验模型中包含地下一层，地下一层竖向构件嵌固于模 型底板上：模型地上部分包括塔楼及与塔楼相连的的裙房（T1-1~T1-10轴范围）.
根据原型结构体系的特点，在满足试验目的的前提下，对模型结构进行一定简化，以加快模型加工 进度，减少加工误差，简化主要有以下措施： 1）结构中的主要抗侧力构件包括核心筒、巨型柱、周边支撑及水平杆件、环形桁架，均根据原型结 构严格按照相似关系缩尺制作.
2）结构体系中，周边次框架由边梁及小柱构成，约每15层为一段，将竖向荷载通过转换桁架传递 至四角巨型角柱.
周边次框架主要传递重力，对结构抗侧力能力影响较小，模型试验中对其进行适当简化， 以突出主要结构，加快模型试验进度.
进行简化时，外围钢柱及钢梁保留：在非加强层，每隔一层去掉一 层楼面体系（见图4）.
将抽掉楼层的重力荷载代表值均分到上下楼层相应位置上，使荷载沿竖向的分布 与原结构基本相同，只是更加集中一些.
此种简化方法已在类似的巨型框架超高层结构模型试验中采用.
3）将由组合楼板、H型钢梁及栓钉组成的楼板体系简化为钢板一微粒混凝土组合板，保证简化后楼 面体系与原型结构的面内和面外刚度基本满足相似关系，并有效地将楼面配重传递到周边钢梁和巨柱上.
4）关键节点构造按照原型结构的做法进行适当简化和加强，保证其刚接、较接关系，避免模型试验 中节点过早破坏引起结构失效，影响对结构整体抗震性能的研究.
节点以焊接为主.
5）配重主要布置在核心筒及外围巨柱之间楼面上.
模型设计过程中，通过计算分析，保证以上简化证基本不影响结构整体的动力特性和地震反应.
简 化模型与原型计算结果的比较见表3及图5.
振动台试验模型的加工与结构实际施工过程相似，也是采用逐层施工的方法.
型钢构件均采用黄铜 板焊接而成.
每层先安装钢构件（钢柱是若干层一次安装的），绑扎竖向构件钢筋，浇筑竖向构件，然后 施工水平构件.
模板采用聚苯材料.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 表3简化前后周期比较 周期（s） 质量参与系数 序号 抽层模型 原型 抽层 原型 拍品 X Y RZ X Y RZ 拍居 T1 9.08 9.07 49.97 0.00 0.00 50.06 0.00 0.00 拍器 T2 8.99 8.98 0.00 49.41 0.00 0.00 49.49 0.00 T3 3.74 3.46 0.00 0.01 45.63 0.00 0.00 47.17 拍居 L 3.04 2.93 0.00 0.00 0.00 21.93 0.00 0.00 推品 T5 2.94 2.85 21.92 0.00 0.00 0.00 21.45 0.00 T6 1.65 1.54 0.00 21.39 0.02 0.00 0.00 12.61 T7 1.52 1.51 0.00 0.00 0.00 8.07 0.00 0.00 T8 1.45 1.45 0.00 0.00 0.00 0.00 7.69 0.00 图4模型抽层简化示意图 594 594 594 8 Y向误差 高 X向误差 494 494 494 394 394 Y向视差 x向误差 394 294 Y向误差 294 294 X向误差 194 194 194 94 94 94 6 10% 5% 0% 5% -6 6 -2% 1% 0% 1% 2% %6%9%%0 %℃%9%6- 棱层剪力误差（原/简化-1） 位移误差（原/简化-1） 层间位移误差（原/简化-1） 图5模型简化后与原型计算结果误差比较 3试验装置及工况 试验在中国建筑科学研究院模拟地震振动台上进行.
该振动台台面为6X6m，载重量60吨，可进行空 间6自由度振动.
在结构模型底板布置三向加速度传感器，测试实际的地震输入.
关键楼层布置加速度计测点，用来 得到结构各层的水平平动、竖向及扭转反应.
在结构受力的关键部位粘贴应变片，测量在地震作用下关键 部位构件的受力情况.
主要布置在核心筒根部、巨型柱根部、巨型斜撑、转换桁架等关键部位构件上.
本工程所在地区抗震设防烈度为7.5度，采用与设计计算相同的地震波包括五组天然地震波及两组人 工波进行试验：输入方向采用X、Y单向、X0.85Y0.65Z三向.
分别进行了7.5度小震（峰值加速度 55cm/s²）、7.5度中震（峰值加速度150cm/s²）、7.5度大震（峰值加速度310cm/s）和8度大震（峰值 加速度400cm/s）下的试验.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 4试验结果 4.1结构自振特性 试验模型经历从小震到大震的作用过程中，模型的自振特性发生了相应变化.
通过白噪声激励，测 得试验开始前及各级地震作用后模型的自振特性.
在历经各次振动后，模型X向及Y向一、二阶动力特性 的变化见表4.
随着地震输入强度的逐步加大，结构模型的自振周期变长，阻尼比增大，说明结构随地震 波输入增大，模型开始出现损伤并不断发展，导致结构整体刚度逐渐下降.
表4白噪声激励试验工况下模型自振特性及阻尼比的变化 X向 ￥向 工况 一阶 二阶 阻尼比 金 二阶 阻尼比 频率 Hz 周期S 频率Hz 周期s % 频率Hz 周期S 频率 Hz 周期S % 试验前 1.08 0.93 3.58 0.28 1.10 1.09 0.92 3.71 0. 27 1.20 7.5度小震后 1.03 0.97 3.41 0.29 1.20 1.04 0.96 3.70 0.27 1. 20 7.5度中震后 1.03 0.97 3.30 0.30 1. 30 1. 04 0. 96 3. 50 0. 29 2.00 7.5度大震后 0.97 1.03 3.17 0.32 2.40 0.99 1. 01 3.40 0.29 2.10 8度大震后 0.95 1.05 3.08 0.32 2.70 0.96 1. 04 3. 21 0.31 4. 50 4.2试验过程及主要现象 试验模型经历了相当于从7.5度小震到8度大震的地震波输入过程.
7.5度小震过程中，结构整体振动幅度小，模型结构其他反应亦不明显，未听到构件破坏响声.
输入 结束后，模型各方向频率略降，通过试验后观察和影片结果，可说明小震作用下结构整体完好，达到了小 震不坏的要求.
7.5度中震过程中，模型结构振动幅度有所增大，但整体动力响应不剧烈，有轻微响声.
结构上部在 单向地震作用下，出现了双向平动现象（顶部转圈平动），但仍未出现明显扭转.
7.5度中震结束后未观 察到外部结构构件损伤，模型X、Y方向一阶频率均未进一步下降，说明结构损伤轻微，关键构件完好.
7.5度大震过程中，模型结构振动明显增强，仍以整体平动为主，扭转效应不明显.
7.5度大震结束 后核心筒连梁端部出现少量裂缝，结构角部巨柱、巨型斜撑及转换桁架未发现损伤，模型结构自振频率有 所下降，其中X向一阶降低10.19%、Y向一阶降低9.17%.
说明整体结构构件出现损伤，但结构仍保持良 好的整体性，这说明有较结构具有良好的延性和耗能能力.
8度大震过程中，模型结构振动剧烈，伴随较大焊缝开裂声，位移以整体平动为主，扭转效应不明显.
模型结构自振频率继续下降，其中X向一阶降低12.04%、Y向一阶降低11.93%.
在8度大震的作用后， 模型结构虽出现一定损伤，但仍保持了整体性未倒竭，这说明结构有一定的抗震储备能力.
试验后卸除配重，对模型损伤进行了观察和记录.
角部巨柱、巨型斜撑、转换桁架未发现损伤：少 量连梁端部出现裂缝，上部及下部剪力墙出现较多损伤，其中53层相对严重，典型损伤情况如下图所示.
86层 北侧 54层 南侧 北侧 4层 85层 53层 图5墙体典型受压损伤 图6墙体典型受拉及受剪损伤 图7境体损伤相对严重的53层
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 4.3加速度及位移反应 模型X向动力系数包络值沿楼层的变化关系曲线见下图.
曲线表明111层以下各层动力放大系数变 化不大，除个别点外动力系数介于1~1.5之间.
结构顶部111层以上动力放大系数迅速增大，这是由于鞭 梢效应造成的，随地震输入的增大，动力系数呈下降趋势，这是结构损伤造成的.
Y向动力相应与X向相近.
120 120 楼层 120 棱层 100 100 人工被2-三向 天然波4-三向 100 80 天然波5-三向 80 80 人工波1-三月 7.5度大 60 人工波2-三向 60 8度大 天然波1-三向 40 40 20 03 动力系数 动力系数 动力系数 0.0 1.5 3.0 45 0. 0 1. 0 2.0 3. 0 0.5 1.0 1. 5 2.0 2. 5 7.5度小震动 7.5度中震 7.5度及8度大震 图8模型X向动力系数沿楼层分布 模型X向相对台面位移最大值与楼层的关系曲线见下图，结构各层位移反应整体沿层高变化较平缓， 各层位移的最大值沿高度基本上呈线性形分布，无明显突变，这说明结构体系设计合理，侧向刚度沿竖向 分布较均匀.
随着地震波输入峰值的增大，各测点位移反应也不断增大.
三向地震波输入作用下结构位移 反应与单向输入相近，这是说明结构平面较规则，扭转反应不明显.
Y向位移反应与X向相近.
120 楼层 120 楼品 120 楼层 100 100 100 80 08 80 60 60 60 7.5度大震 人工波2-三向 天然波4-三向 8度大 40 人工波1-三向 40 天然波5-三向 40 人工波2-三向 20 天然波5-三向 20 20 位移a 位移an 位移m 0 10 15 20 10 20 30 40 40 80 120 7.5度小震动 7.5度中震 7.5度及8度大震 图9X向楼层位移沿楼层分布 模型两方向层间位移角均在顶部较大，X向层间位移角最大值与楼层关系曲线见下图（Y向相近略）.
然波1，顶层）：Y向7组波均值最大层间位移角为1/610（顶层）单组波最大层间位移角为1/472（天然 波1，顶层）.
小震作用下的层间位移角符合设计小于1/500的性能指标要求.
7.5度大震作用下，X方向最大层间位移角出现在顶层为1/105：Y方向最大层间位移角出现在顶层 为1/106.
大震作用下模型结构的层间位移角符合小于1/100的设计性能目标要求.
