上海国际金融中心大厦振动台模型试验外文翻译资料

地震工程与结构动力学

地震工程与结构动力学 2007; 36：439-457

2006.12.12在Wiley Interscience （www.interscience.wiley.com）上在线发表。 DOI：10.1002 / eqe.634）

上海国际金融中心大厦振动台模型试验

Xilin Lu, Yun Zou ,Wensheng Lu and Bin Zhao

State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China 2Civil Engineering Department, Southern Yangtze University, Wuxi Jiangsu 214122, China

摘要

101层高的上海国际金融中心大厦高492米，这使得当其完工时可能成为世界第一高楼。三个平行结构系统，包含巨型框架结构，钢筋混凝土和钢支撑核心筒以及伸臂桁架，联合抵抗垂直和横向荷载。由于在大厦中有大量的刚度转变和转换层，该大厦可以被归为一个垂直不规则建筑。与结构系统布局相关的复杂性主要表现在核心筒、大型对角线和伸臂桁架的设计上。根据中国规范，该大厦的高度明显超过组合框架或钢筋混凝土核心建筑最高高度190米的规定。该结构的高宽比也超过了7度地震强度设计规定为7的极值。采用一个1/50缩放模型并在振动台上进行一系列一维和二维的基础激发上逐渐增加加速度幅度的试验。本文研究了结构的动力特性，地震反应和失效机理。试验结果表明，结构体系是抗震的一个很好的方案。中间楼层的位移和整体行为满足中国设计规范。另外，当模型遭遇8级罕遇地震时，通过可见损伤发现了薄弱处。并提出一些在极强地震下结构工程设计的相关建议。

版权所有2006 John Wiley ＆Sons，Ltd

2004.12.10收到，2006.7.18修订，2006.7.20接受

关键词：超高层建筑，缩放模型，振动台实验，地震行为

1介绍

由于细长建筑的结构设计主要受风和地震的横向载荷的影响，上海国际金融中心大厦采用了一种新的横向抗力系统：通过伸臂桁架结合了巨型框架结构，钢筋混凝土芯以及支撑钢骨架。虽然该建筑的结构系统的所有构件都在其他高层建筑上用过，但现在为上海国际金融中心大厦设计的精确组合与其他建筑截然不同。有一些高层建筑使用钢筋混凝土芯，例如中国上海金茂大厦，马来西亚吉隆坡双子塔和中国香港联合广场。一些高层建筑使用钢结构中的钢筋混凝土芯，例如中国香港中国银行大厦，美国芝加哥约翰汉考克中心，美国匹兹堡美国钢铁总部。上述高层建筑的例子中已经用过大型框架结构的有：中国香港中国银行塔，美国芝加哥约翰·汉考克中心。还有一些使用复合钢/混凝土大柱子的例子，包括中国香港中国银行大厦，中国香港国际金融中心，中国上海金茂大厦。 高层建筑采用混凝土浇筑的例子包括：中国香港国际金融中心，中国上海金茂大厦，中国香港联合广场，中国香港联合广场，而其他具有伸臂桁架的钢骨架的建筑物的例子是美国匹兹堡美国钢铁总部美国匹兹堡，美国纽约世界 贸易中心。

由于沿高度上存在很多加固和转移的楼层，上海国际金融中心大厦可以被划归为一个垂直不规则的结构。其核心筒，大型对角线，伸臂桁架的独特设计（将在后面部分详细描述）使上海国际金融中心大厦成为一个特殊的结构。根据中国设计规范—高层建筑混凝土结构技术规范(CCSDB, JGJ3-2002)[1]，该建筑的高度明显超过复合框架/钢筋混凝土核心建筑的规定最大高度190m。高度与宽度的比例也超过了建筑工地抗震设计强度7级的规定极限7级（中国地震强度大致相当于修正的Mecalli强度，MMI）。

因此，当设计这种结构时，完全理解在中强烈地震下的整体结构行为是很重要的。在这方面，振动台模型试验在获得目标结构的总体动力特性、地震反应以及失效机理方面起着重要作用[2–9]。应该注意的是，由于在塑造材料的特性、成本限制和样本尺寸的限制以及振动台的可用容量等方面的困难，对高层建筑物的只进行相对少量的振动台试验并公布。本文提供了上海国际金融中心大厦缩放模型详细的振动台试验。这项研究意图提供一些关于新的结构系统的整体动态行为的洞察，并积累实验证据用于未来建立与这种复杂结构相关的设计指南。

2结构描述

101层的上海国际金融中心大厦是一个综合使用的摩天大楼，高度为492米。 它位于中国

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图1. 标准结构图

上海陆家嘴金融贸易区。该结构是基于一个57.95 mtimes;57.95 m的正方形的对角对称的结构（图1）。高宽比为8.49。几个重要的结构布局特性如下所示：

1. 三个平行结构系统，巨型框架结构包括巨型柱，大对角线以及带桁架，钢筋混凝土和支撑钢筋服务核心。并且伸臂桁架在核心筒和大型结构柱之间产生相互作用，使之组合起来以抵抗垂直和横向载荷（图2）。
2. 周边混凝土墙位于1层到5层的较低楼层，而巨型柱位于建筑物从6层以上的角落。
3. 在该建筑的纵向上，在结构中很多用于加强和转移的楼层规则的间隔开。一层高的带式桁架和核心转移桁架以每12层的间隔放置，而跨越大型结构柱和混凝土核心筒的角落在纵向方向上以三个3层高的伸臂桁架延伸。这些伸臂桁架构件由混凝土填充的钢箱部分组成（图3（a）），而带桁架构件和传输桁架构件是没有混凝土填充的钢制箱体部分（图3（b））。
4. 服务核心的连续性被墙的三个基本配置打破。核心筒的下部（1层至59层）和中部（60层至79层）为钢筋混凝土核心筒。嵌入式结构钢柱从中间核心筒到较低核心筒和边界元素延伸在那些核心几何形状改变的地方重叠的至少有12层。从55层到59层提供增强楼层膜使中间和下部核心筒之间实现适当的剪力传递。上部服务核心由在核心的两端（79层以上）具有混凝土外壳的结构钢构成。沿着长长的墙壁采用的钢桁架将减少与混凝土墙相比的结构自重。核心筒两端的结构钢柱和桁架装在混凝土中。在79层处设置加强楼层膜，以实现上部和中间核心筒之间剪力的传递。

图2. 三个平行结构系统

图3. (a)大型对角线和伸臂桁架，（b）带式桁架和转移桁架

1. 由三个3层高度的空间框架组成的伸臂支架系统再次规则地分布，以实现巨型框架结构的核心筒。由于架构施加的约束，伸臂支架直接通过核心筒是不切实际的。它们与嵌入式核心周边桁架和两端的巨型柱相连接。在桁架楼层，核心周边桁架嵌入在岩心墙中，为伸臂支架提供必要的后跨。嵌入式核心周边桁架的角柱延伸贯穿核心筒的整个高度。伸臂桁架和核心周边桁架由焊接结构钢部分组成。

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图4.（a）混凝土材料试样，（b）混凝土材料试验

1. 延伸到塔顶的大对角线是三维支撑框架的重要特征。这些大对角构件由混凝土填充的钢箱部分组成（图4（a））。选择单对角线系统用于更理想的内部空间和更美观的外观。

3.模型实验

3.1 振动台说明

振动台模型试验在中国上海同济大学土木工程学院国家减灾重点实验室使用MTS振动台设备进行。该仪器可以输入三维和六自由度的运动。该仪器的尺寸为4mtimes;4m，最大有效载荷为25000kg。振动台可以以1.2g和0.8g的两个最大水平方向加速度振动，垂直方向的最大加速度为0.7g。其频率范围从0.1到50Hz，在测试过程中有96个通道可用于数据采集[10]。

3.2 相似模型和材料

该模型是通过缩小原型结构的几何和材料属性设计的。钢结构元件用铜板模型化，钢筋混凝土元件的模型用具有细丝的细骨料混凝土建模。基本模型是从理论上建立的，这是已知的[11]，因此不需要进一步解释理论。由于结构的动态行为通过三个基本量完全描述，所以在设计模型时只能选择三个独立的参数。 随后，根据所选择的基本比例因子表示其他参数。 考虑到在同济大学使用的振动台的容量和尺寸，尺寸缩放参数（S1）被选择为1/50。

由于混凝土的弹性模量（Se con）在实验室环境下逐渐调整精细聚集等级，其一般缩放参数范围从1/5至1/ 3，铜与钢的总弹性模量比（SE cop）约为1/ 2。在该试验中，SE con设计为1 / 4.4，而SE cop设计为1 /2。由于原型结构是混凝土/钢复合结构，所以弹性模量（SE）的总体尺度参数应根据这两种结构性能。 表示结构体系对总体结构的贡献的比例基于结构组成在概念上确定。 混凝土结构的比例（rho;1）设定为0.635，钢的比例（rho;2）为0.365。 然后，总参数计算如下：

S_E =

因此，获得S_E = 1 / 3.6并用于模型初步设计。在测试模型的制造中，基于设计缩放参数选择精细骨料混凝土和铜板的构成材料，以便产生具有所需性质的模型。 应当注意，偏离设计性质是不可避免的。 在模型制造完成后，进行实际使用的精细骨料混凝土和铜板的材料试验，以获得实际的材料性能。 测量精细骨料混凝土试样的应力和应变的材料试验如图4所示。平均SE con测量为1 / 3.846，而SE cop为1 / 1.873。 然后，使用等式（1）计算最终SE。 SE = 1 / 3.125的结果用于修改相关的其他缩放参数。

随后，可以确定关于水平加速度的第三参数（Sa）。 由于噪声的峰值接近或大于频繁出现的设计强度7级（最大加速度为35cm / s / s）下的地震输入的振幅，因此在测试数据采集中会出现误差。 需要放大加速度以防止测量由于噪声而失真。 根据仪器容量，Sa选择为2.5。 测试程序是根据最终的相似度比例关系设计的。 主要的缩放参数在表1中给出。值得注意的是，应根据类似规则建立以下等式：

a_m / a_p = g_m / g_p

其中a和g分别表示水平加速度和重力加速度。 下标“m”是指模型结构的数量，而下标“p”对应于原型结构。 然而，等式（2）不再可行，除非模型在离心机中被激发。 在这种情况下，采用人工质量成为满足相似要求的唯一选择。 在实际测试中，这通过添加适当分布的重量来实现，所述重量以不改变楼层梁和板的强度和刚度的方式附接到模型。

在中国高层建筑混凝土结构技术规范（JGJ3-2002）中，即使对称结构，在结构设计中

也应考虑质量中心和每个地板刚度中心之间的偶然偏心，以考虑可能的扭转效应 。 偏心率（e_o）根据下式计算：

e_o=0.05L_i

其中Li指每个地板的最大长度。 在进行振动台试验之前，已经使用3-D有限元分析软件（ETABS）分析了SHWFC的结构，分析结果表明，X1和Y1方向的地震反应大于X2和Y2方向的地震反应 5）。 确定基本激励的方向以沿着X2和Y2输入。

建筑物的总质量（M）由两部分组成。 其中一个是结构构件所占的质量（Ms），另一个是建筑构件和占用者所占的质量（Ma）。 在制造测试模型之后，获得模型的质量（Ms）。 随后，每层楼的附加质量（Ma）可以由

M_a=M—Ms

计算而得。为了满足公式（3）的要求，每个区域沿Y2轴分为面积1和面积2。 相应地，附加质量（Ma）将被分为M1和M2。 注意，由于芯壁上的小开口，在核心筒中没有附加

表I. 测试模型的相似度比例因子

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图5. 附加质量分布

质量。 在图5中，O1，O2和C的点分别表示面积1，面积2和整个面积的质量中心。 然后可以基于每个面积的尺寸来计算分别为O1，O2和C之间的距离的e1和e2。 因此，可以使用以下等式计算M1，M2：

M₁ ·e1 M₂ ·e₂ = M ·e_o

M₁ M₂ = M_a

因此，将质量为M1和M2的引线块分别均匀地添加到区域1和区域2。 除了人为添加的物质，附加质量也添加到巨型对角线通过附加铅块保持重要结构部件的质量相似关系的一致性。附加质量附加到模型14700千克，而模型的自身重量为3500千克。

3.3 测试设置和程序

为了确保工作台运动有效地传递到测试结构的底部，模型底板通过螺栓连接牢固地安装在振动台上。 图6显示了振动台上的模型安装。 模型构建过程在图7中给出，而图8示出了在测试设置之后的模型结构的概述。

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图6. 模型安装

图7.（a）底板结构, （b）带桁架和大柱结构

仪器被组织成使得可以测量整体和局部感兴趣的响应，包括由加速度计测量的加速度，由LVDT测量的位移和由应变计测量的应变。 应当指出，位移也通过将加速度两次积分获得。 在同济大学实验室进行的每个振动台试验中，两个或更多个加速度计总是布置在与LVDT相同的位置，以检查加速度计的精度。 比较结果表明，精度满足要求。 因此，位移响应不仅从LVDT直接获得，而且从加速度积分获得。 总共40个加速度计沿着高度位于水平面。 除了基础上的加速度计，加固，转移故事和屋顶水平，其他加速度计在整个高度上尽可能规则地分布。加速度计布置如表2所

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