鋼筋混凝土框架—核心筒結構模擬地震倒塌試驗研究

王 鵬呂西林楊 梓魯 正胡 凱蔣 瓅

（1.同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092；2.中船第九設計研究院工程有限公司，上海200063）

鋼筋混凝土框架—核心筒結構模擬地震倒塌試驗研究

王 鵬1，*呂西林1楊 梓1魯 正1胡 凱2蔣 瓅2

（1.同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092；2.中船第九設計研究院工程有限公司，上海200063）

鋼筋混凝土框架-核心筒結構是高層建筑結構中常用的結構形式。如何有效地探尋此類結構體系在強震作用下的倒塌機理是目前高層及超高層結構抗震性能評估的核心問題之一。設計了1∶15的框架-核心筒結構模擬地震振動臺試驗，該結構底層一個角柱由千斤頂代替，通過千斤頂卸載模擬結構角柱破壞在地震作用等偶然作用下的破壞；再輸入31個地震工況直至結構倒塌破壞，模擬角柱失效后結構在地震中的破壞以及倒塌過程。試驗分析表明，底層柱的失效加劇了地震作用破壞的集中效應，底層豎向構件嚴重破壞并最終導致結構倒塌。

角柱破壞，框架-核心筒，地震倒塌

1 引 言

建筑結構抗地震抗倒塌能力是基于性能設計的核心目標［1］。我國在唐山地震后就提出了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準抗震設防目標，并采用兩階段設計方法［2］。建筑結構不僅應當滿足設防烈度下的抗震要求，還需要具備足夠的抗倒塌安全儲備來抵抗可能遭遇的大震作用，避免造成重大生命財產損失。

本文以鋼筋混凝土框架—核心筒結構為例，框架—核心筒結構是高層設計中一種常用的結構形式，外圍框架與抗震墻體系通過協同工作成為高層結構抗震的主要抗側力構件。在諸多的地震震害調查中也發現，高層建筑結構在大震作用下破壞受損乃至倒塌的主要表現是柱、墻的脆性剪切破壞或壓屈破壞［3］，而隨著結構破壞的出現，結構的魯棒性，即防止結構在局部破壞下引起的不對稱破壞的能力也逐漸得到結構設計師的認識，現今的研究更多針對平面框架或是框架結構［4］，在高層結構中的研究多集中于數值模擬，在試驗方面的研究較少。本試驗研究高層中的常用結構形式：框架—核心筒在底層角柱失效時的結構響應。

本試驗考慮在地震作用等特殊災害或事件中外框架部分構件發生局部破壞而失效，整體結構在此部分構件破壞后所受重力荷載的傳力途徑有所改變，考察結構在構件失效后的承載能力以及其再次抵抗可能出現的地震作用如余震的能力。原型結構根據我國現行規范設計，其中抗震設防烈度為7度，場地類別為上海場地土。參考文獻［5］中的試驗加載方法，通過重力荷載下由千斤頂替換柱并逐級卸載來模擬結構在重力荷載下柱失效引起的傳力途徑改變；然后對卸載后的整體結構進行模擬地震振動臺試驗，研究框架柱失效后結構抗震性能和整體結構的倒塌機理。通過試驗現象以及采集數據可知，底層柱的卸載使得動力作用的損傷集中在底層失效柱附近，結構在底層核心筒損傷嚴重的情況下，失效柱相鄰框架柱破壞引起結構連鎖倒塌。

圖1 模型結構平面布置示意圖Fig.1 Model structure plane sketch

圖2 模型結構平面布置圖Fig.2 Model structure plane layout

2 試驗設計與制作

2.1 模型設計

原型結構參考上海某21層辦公樓框架—核心筒的結構布置，具體形式如圖1、圖2，綜合考慮同濟大學振動臺尺寸與負載限值，確定本試驗幾何相似系數取1／15，其余相似關系見表1。依據相似關系理論，反映模型結構與原型結構之間的關系［6］。

表1 模型動力相似關系表Table 1 M odel dynam ic sim ilarity relation

對于擬定的柱失效工況，模型結構在制作時就采用千斤頂代替柱，并通過千斤頂的卸載模擬柱的失效。在模型設計過程中，相似關系很難滿足時，采取保證主要相似原則，簡化一些次要相似關系。試驗主要研究結構在柱失效后的靜力、動力反應與倒塌機制，重點在于豎向構件的完整，所以在保證動力特性相同的前提下，對模型結構采用抽層，將原型的三層結構并為一層，三層荷載加載在一層上，將模型由21層簡化至7層后，由于框架—核心筒結構核心筒剛度較大，對結構剛度起決定性作用，故不對21層結構的核心筒部分進行修改，而縮層后由于橫向傳力構件缺失，使得外框架柱承擔的傾覆力矩減少，所以通過板厚、梁的尺寸調整使得結構的振動頻率與振型保持與原21層結構相一致，從而保證兩個結構動力特性的相同，滿足修改后的7層結構振動特性與原型21層結構較小偏差。再由相似理論換算為模型結構進行施工。模型采用微粒混凝土材料模擬原型結構中的混凝土，用鍍鋅鐵絲來模擬原型結構中的鋼筋。

2.2 模型制作

由于模型結構縮尺，模型尺寸較小，精度要求較高，因此對于模型施工有較高要求。梁與墻的模板采用泡沫塑料，泡沫塑料易成型，易拆模。在模型施工之前，首先將泡沫切割成一定形狀，形成模型構建所需空間，綁扎與焊接鐵絲作為模擬鋼筋，其中柱與墻邊緣構件的鋼筋采用焊接，而墻、板與梁采用鐵絲網片直接成型。由于試驗需要抽掉結構的一個底層角柱，在模型制作過程中，該角柱采用千斤頂支撐，并在模型制作中注意檢查千斤頂的位移變化情況。模型制作完成后照片見圖3。模型高6.28m，其中模型重約7.2 t，附加質量后總質量約22 t。

圖3 模型結構竣工時照片Fig.3 Model structure as-built drawing

2.3 試驗方案

試驗分為靜力加載與動力加載兩類工況，靜力加載工況主要考察結構在恒荷載與部分活荷載作用下框架柱失效后的結構反應，通過千斤頂卸載模擬從完整結構到角柱失效的過程。動力加載工況為模擬結構振動臺試驗，試驗根據7度抗震設防及Ⅳ類場地要求，參考文獻［7］選擇以下5條波作為振動臺臺面激勵：EL Centro（1940年5月20日）、Taft、汶川波（臥龍臺站）、CHICHI波（TCU141）與上海人工波SHW01，分別進行雙向與三向輸入。試驗按照7度多遇烈度、7度基本烈度與7度罕遇烈度各階段進行地震波輸入。具體工況見表2。在各水準地震下，臺面輸入加速度峰值均按《上海建筑抗震設計規程》（DGJ 08—2003）［8］規定及相似關系進行調整。

表2 振動臺試驗地震輸入對應工況號Table 2 W orking condition corresponding to seism ic input in shaking Table tese

根據結構特點與試驗條件，在結構模型各層以及失效柱位置1～3層布置三向加速度傳感器，一共37個。在模型X向、Y向隔層以及底層失效柱位置布置位移傳感器9個。在模型底層墻角與各柱底布置應變片共13個，方向為豎直方向，用于檢測動力作用下各豎向構件應變變化。

3 試驗結果

3.1 試驗現象

3.1.1 靜力加載階段

在進行了千斤頂卸載工況后，失效柱相鄰柱棱邊豎向裂紋有發展，與之相連接的梁端出現微裂縫，測得底層失效柱位置處下降位移為5.89 mm，換算原型撓度約為1／193，已經不滿足《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）［9］3.4.3關于梁1／300的撓度限值。一段時間后，結構撓度并未發生大的變化，結構未發生倒塌現象。

3.1.2 動力加載階段

在進行了7度多遇地震振動試驗階段后，模型并未出現新的裂縫開展，在第一次與第二次白噪聲掃頻后發現模型自振頻率基本未發生變化，基本處于彈性工作階段。在7度基本地震振動試驗階段，結構開始出現比較大的層間位移，底層抗震墻開始出現少量豎向裂縫，底層連梁端部也出現斜向裂縫，并且失效柱方向抗震墻的裂縫多于其他方向的墻體，具體破壞見圖4、圖5。第三次掃頻結果得到結構一階自振頻率（Y向平動）下降16.7%，二階自振頻率（X向平動）下降16.7%，三階自振頻率（扭轉）下降8.7%。在7度罕遇地震振動試驗階段，墻體出現更多豎向裂縫且原有裂縫開展嚴重，模型西、北立面底層墻體出現貫通的裂縫，底層外框架柱也出現砂漿剝落，橫向裂縫的開展。最終在31工況（三向加載CHICHI波）時失效柱相鄰外框架柱壓潰，導致整體結構傾覆倒塌。

圖4 7度基本地震作用下北面底層墻體破壞情況Fig.4 Damage in north bottom wall under 7 degree basic intensity of earthquake

圖5 30號工況輸入后破壞情況Fig.5 The damage after 30th working condition

3.2 模型結構動力特性

通過各加速度測點的頻譜特性、傳遞函數以及時程反應分析，得到模型結構在三次白噪聲掃頻下的自振頻率，阻尼比與振型形態，見表3。模型結構的前兩階振型為平動，第三階振型為扭轉。

表3 白噪聲掃頻結果分析Table 3 Result analysis of white noise input

3.3 模型結構加速度放大系數

模型結構在不同水準地震作用下加速度放大系數如圖6～圖8所示。可以看出隨著臺面輸入地震波峰值提高，模型的剛度退化、結構出現破壞后，即在7度基本地震輸入時，動力放大系數較7度多遇有所降低，而在7度罕遇時，部分樓層加速度放大系數小于1。在7度罕遇CHICHI波地震作用下Y向加速度放大系數遠小于X方向，與其他工況下X向、Y向放大系數差別不大，表明此時Y向剛度下降嚴重，結構豎向構件在Y向損傷嚴重。

圖6 7度多遇地震作用X方向下各樓層加速度放大系數Fig.6 Amplification factor in X direction under 7 degree frequent intensity of earthquake

圖7 7度基本地震作用X方向下各樓層加速度放大系數Fig.7 Amplification factor in X direction under 7 degree basic intensity of earthquake

圖8 7度罕遇地震作用X方向下各樓層加速度放大系數Fig.8 Amplification factor in X direction under 7 degree rare intensity of earthquake

3.4 失效柱位置處的豎向位移

模型結構在不同水準作用下失效柱位置處豎向位移如圖9所示。靜力試驗結束后，失效柱位置千斤頂已經撤走，可以將此位置視為懸挑板。可以看出在7度多遇地震作用下（工況1－11）結構處于彈性狀態，豎向位移基本保持不變。從7度基本地震（工況12－22）開始結構振動開始引起結構豎向彈塑性反應，豎向位移不斷增加。

圖9 各工況下失效柱位置豎向最大位移圖Fig.9 Vertical displacement in position of the failure column under each working condition

3.5 結構倒塌

在7度罕遇地震下結構發生整體倒塌，破壞順序為失效柱相鄰柱→相鄰墻體→底層結構→整體結構。結構的底層抗震墻在7度罕遇地震作用下發生嚴重破壞，并主要集中在失效柱附近。同時失效柱相鄰柱由于承壓增大，軸壓比顯著提高，在CHICHI波輸入下發生柱的剪切破壞與壓潰現象，該部位所支撐的樓板開始整體向下墜落，而此時核心筒底層墻體已經嚴重破壞，無法起到支撐整體結構的作用，在樓板下墜的同時西北角的底層筒體先被壓潰，引起最終底層核心筒壓潰，結構由于底層壓潰墜落后在沖擊作用下梁板與核心筒結構斷開，結構整體性倒塌，具體倒塌情況如圖10所示。

圖10 結構倒塌過程圖Fig.10 Process of structure collapse

4 結構倒塌分析

4.1 底層角柱失效后位移與應變反應

根據相似關系推算原型結構7度標準設防烈度設計的框架－核心筒結構在底層柱失效后并未導致結構相應位置發生較大位移，預測發生的最大位移為88.35 mm，超過了《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）［9］3.4.2規定的1／300的撓度范圍，但短時間內并未產生更大的位移，未發生連續性倒塌。

在工況30（7度罕遇CHICHI波雙向輸入）下，結構X向、Y向最大層間位移角分別為1／97，1／139，最大扭轉角為1／153，沒有超過《高層建筑混凝土結構技術規范》（JGJ 3—2010）［10］關于大震狀態下位移角1／100的規定，但與之前的工況不同，結構在兩個方向均產生了殘余變形，具體變形位移如圖11所示。檢查此工況下應變如圖12所示，其中S1，S2為失效柱的兩邊相鄰柱柱底應變，S4，S5為失效柱方向墻角墻底兩面應變。發現失效柱方向墻角在振動過程中應變大于失效柱相鄰柱，墻角應變最高達到962微應變，且在工況30下首次出現536殘余微應變，根據相似關系換算，最大應變已超過微粒混凝土極限壓應變。

失效柱位置豎向位移方面，在7度多遇地震作用下該豎向位移保持在很低的水準變化不大，最大值為6.2 mm。在7度基本、7度罕遇地震作用下，豎向位移在每個工況持續增大，7度基本地震作用下最大值為11.8mm，7度罕遇為18.2mm（不考慮工況31）。

4.2 結構破壞集中現象分析

由文獻［4］可知試驗中由于失效柱的存在，力的傳播途徑改變，失效柱方向抗震墻端與失效柱兩邊相鄰柱承擔更大的荷載，使得失效柱相鄰的柱與墻的軸壓比有所提高，根據負荷面積估算軸壓比增大約0.25。依據文獻［11］、［12］軸壓比的增加使得墻與柱的延性下降，在大變形下承載力喪失嚴重，又由于結構樓板剛度較大，失效柱位置豎向位移較小，未出現明顯的梁機制與懸鏈線機制，所以軸壓比的變化主要集中在底層墻、柱上，與試驗現象破壞集中在底層相符。

4.3 結構倒塌原因分析

圖11 工況30殘余變形圖Fig.11 Residual deformation at30thworking condition

圖12 工況30應變時程圖Fig.12 Strain at30thworking condition

圖13 倒塌瞬間柱的剪切破壞與壓潰Fig.13 Shear failure and crush of column at the moment of collapse

結合位移、應變結果可以推斷結構在工況30下底層破壞嚴重，抗震墻在7度罕遇地震作用下部分應變超過材料極限應變，出現壓潰破壞，并產生不可恢復的殘余變形。試驗中工況30結束時位移計采集各層絕對位移如圖11所示，可以看出結構在底層頂部出現不可恢復的破壞，由應變圖（圖12）也可以推斷出該破壞應是出現在失效柱部位墻角。在工況31 7度罕遇CHICHI波三向輸入時失效柱相鄰柱先后發生沿柱中部斜裂縫的剪切破壞與壓潰破壞（圖13），結構整體向失效柱方向傾斜，此時由于底層核心筒在該方向已出現破壞，墻體因無法承擔傾覆力而被壓潰，隨后底層核心筒在動力作用下被整體壓潰，結構發生整體式傾覆倒塌。

5 結 論

根據框架—核心筒結構模擬振動倒塌試驗的試驗現象與數據分析后得出：

（1）在底層角柱失效的情況下，盡管已發生了內力重分布情況，但由于框架體系柱間梁的剛度較大，使得靜力工況下荷載能傳遞至相鄰豎向構件，梁端未發生明顯破壞，結構能夠防止連續性倒塌。

（2）在7度多遇地震作用下，結構無明顯裂縫開展，兩次掃頻得到的頻率基本不變，即結構在7度多遇地震作用下并未出現結構損傷，滿足規范“小震不壞”的設計基準。在7度基本地震作用下，由于失效柱的存在，底層核心筒裂縫開展明顯，結構損傷有集中在失效柱相鄰位置的現象，掃頻結果顯示結構剛度下降，結構發生損傷。

（3）由于樓板剛度較大，結構失效柱位置的內力重分布使增大的軸壓比集中在底層，使底層構件延性性能降低，出現地震破壞現象集中，在罕遇地震下失效柱方向核心筒結構破壞嚴重。

（4）結構最終在失效柱相鄰柱的脆性壓潰破壞下引起整體倒塌，說明框架－核心筒結構框架結構外圍柱構件與核心筒墻體的延性是倒塌分析中需要十分關注的指標。

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Shaking Table Test Study of Earthquake Collapse of a Reinforced Concrete Frame-core Tube Structure

WANG Peng1，*LU Xilin1YANG Zi1LU Zheng1HU Kai2JIANG Li2
（1.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Chian Shipbuilding NDRIEngineering Co.，Ltd，Shanghai200063，China）

The reinforced concrete frame-core tube structure is a general structural form used in high-rise building.One of the essential problems in high-rise building is to understand the collapsemechanism in earthquake effectively.This paper designs a shaking table test to study a frame-core tube structurewith the geometric similarity ratio 1∶15，and one corner column is replaced by a screw jack.The unloading of the jack is used to simulate the failure of the corner column.31 seismic waveswere input in series till the structure collapses，which simulates the damage and collapse of the structure during earthquakes when the frame corner column is totally damaged.The analyses indicate that the failure of the column at first floor increases the concentrated damage of the first floor structure.The damage of the vertical component eventually causes the structural collapse.

ailure of corner column；frame-core tube，earthquake collapse

2013－11－14

國家自然科學基金項目（91315301－4）

*聯系作者，Email：wpzzxajh＠163.com