第３ｌ卷第２期
重庆大学学报
Ｖ０１．３１Ｎｏ．２
２００８年２月
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｆｅｂ．２００８
文章编号：１０００—５８２Ｘ（２００８）０２・０２２８・０４
钢管混凝土框架结构模拟地震振动台试验
杜国锋１’２，许成祥１，江楚雄２
（１．长江大学城市建设学院，湖北荆州４３４０２３；２．武汉大学土木建筑工程学院。湖北武汉４３００７２）
摘要：按１：１０缩比设计制作了一榀钢管混凝土柱一Ｈ钢梁框架结构模型。并进行了模拟地震振动台试验。测试了模型结构动力特性及在Ｅ１・Ｃｅｎｔｒｏ波、天津波（Ｎ．Ｓ）和武汉人工波激励下的地震反应。根据模型加速度、位移和应变反应，按相似关系反推原型结构在各种地震波作用下的地震反应，得到原型结构顶层屋面最大位移和层问位移值，进而得到结构弹性总位移角值和层间位移角值。试验及分析结果表明：模型结构最大位移为３．８４ｍｍ、加速度放大系数为３．３５；模型结构前３阶频率分别为９．５１、１０．９１和１７．７５Ｈｚ，对应原型结构前３阶周期分别为１．０５、０．９２、０．５６ｓ，其整体平扭与平动周期比为０．５３（１，向）和０．６１（ｘ向）；原型结构在８．５度多遇地震时整体处于弹性状态，最大弹性总位移角值和层间位移角值分别为１／７５０和１／３１８，未超过现行规范限值要求。
关键词：钢管混凝土；振动台；地震反应；动力特性；抗震性能中图分类号：ＴＵ３１７．１；１３３３９８．９
文献标志码：Ａ
Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｈａｋｉｎｇＴａｂｌｅＴｅｓｔｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄ
ＳｔｅｅｌＴｕｂｅＦｒａｍｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
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（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＪｉｎｇｚｈｏｕＨｕｂｅｉ４３４０２３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ
４３００７２，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌ：１０ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉＵｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ（ＣＦＳＴ）ｃｏｌｕｍｎ．Ｈ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉⅡｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ；ｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｄｙ，珊ｎｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｓｅｉｓｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ
钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能好、经济性好等特点，广
收稿日期：２００７．１１－２８
基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（２００３ＡＢＡ０５９）
作者简介：杜国锋（１９７５．），男，长江大学讲师，武汉大学博士研究生，主要从事工程结构抗震方面的研究，（Ｔｅｌ）
１３４０７１
１８０６８；（Ｅ－ｍａｉｌ）ｇｆｄｌ１２５＠１２６．ｔｏｍ。
万方数据
第２期杜国锋，等：钢管混凝土框架结构模拟地震振动台试验
２２９
泛用于工业厂房柱、地铁站台柱、大跨空间结构、商
业广场、高层和超高层建筑中¨引。自２０世纪５０年
代以来，国内外学者对钢管混凝土结构进行了大量研究，主要集中在对圆（方）形钢管混凝土柱和各种形式梁柱节点的研究，但对钢管混凝土框架结构体系的研究比较少。，研究中大多采用静力、拟静力等试验方法，采用振动台模拟地震进行试验研究的很少。鉴于钢管混凝土结构的良好抗震性能，为推广此种结构体系在高烈度地震区的应用，笔者选择某
工程中一有代表性的单元，按１：１０几何缩比设计制
作了一榀圆钢管混凝土柱一Ｈ钢梁框架结构模型，采取模拟地震振动台试验方法口Ｊ，分析了结构在不同地震波激励下的地震反应，并根据相似关系反推了原型结构的地震反应。
１模型设计
１．１相似关系
笔者主要研究各种地震波激励下结构的地震反应，因此，试验主要满足结构柱、梁、板的相似关系，用设置配重的方法满足质量和活载的相似常数。综合考虑武汉大学土木建筑工程学院振动实验室振动台的台面承载力和试验可操作性，最后确定模型的几何相似常数为１／１０，根据量纲分析理论Ｈ１推导了模型与原型的主要相似关系，见表１。
表１模型与原型的相似关系
塑篁丕塑
塑丛苤丕蕉
錾笪
长度Ｓｊ
１／１０
密度
置
１弹性模量ＳＥ＝＆
Ｉ
线刚度Ｓ。＝ＳＦＳｊ
１／１０时间Ｓ。＝（Ｓ。／＆）“２
１／１０频率ｓ／＝１／Ｓ。
１０质量
Ｓ．＝Ｓ口Ｓ３
１／１０００
垫遑廑墨三兰ｆ壁
！Ｑ
图１试验模型
１．２模型制作
选用６６８ｍｉｌｌｘ３ｎｌｎｌ无缝钢管、Ｈ４０ｍｉｌｌｘ４５ｍｍｘ２．５ｒａｉｎｘ３ｌｎｌｌｌ焊接钢梁和Ｃ３０细石混凝土，按相
似关系制作了框架模型。结构采用外加强环式节
万方数据
点【５１和加劲肋板式柱脚，楼板为２０ｔｏｎｉ现浇Ｃ２０混凝土板，楼板中钢筋用担．２ｌｌｌｍ镀锌铁丝模拟。试验模型层高０．３５ｍ，总高２．８８ｍ，开问及进深均为０．６０ｍ，每层附加质量５６ｋｇ，模型总质量ｏ．７６ｔ，试验模型如图ｌ所示。在模型制作过程中采集了试样，实测了钢材和混凝土的力学性能指标。钢管内混凝土的立方体抗压强度平均值为３８．６５ＭＰａ，楼板混凝土的立方体抗压强度平均值为２３．２８ＭＰａ，钢管钢材的屈服强度平均值为２８６．５５ＭＰａ，钢梁钢材的屈服强度平均值为２８５．３６ＭＰａ，加强环板钢材的屈服强度平均值为
２８８．４８
ＭＰａ，镀锌铁丝的屈服强度平均ｌｇＶ２ｓ１．７２
ＭＰａ。
２模拟地震振动台试验
２．１试验加载方案
根据建设场地条件和结构动力特性，选择２条实际地震记录和一组人工模拟地震波，即Ｅ１－Ｃｅｎｔｒｏ（１９４０，Ｎ—ｓ）地震波、天津波（Ｎ—Ｓ）地震波和武汉人工地震波怕Ｊ。根据时间相似常数，将原始地震波沿时间轴压缩为原波的１／１０，同一地震水准的地震波按Ｅ１．Ｃｅｎｔｒｏ波、武汉人工波、天津波顺序依次输入振动台，各水准地震波输入前、后均输入白噪声进行扫频，获得结构各阶频率和阻尼比。试验工况及实测台面的加速度峰值如表２所示。
表２试验工况及实测加速度峰值
工况序号
地震波类型莲藿僦
地震烈度
１第１次白噪声Ｏ．０５２Ｅｌ・Ｃｅｎｔｒｏ波０．２７６．５度多遇３武汉人工波Ｏ．２３６．５度多遇４天津波（Ｎ・ｓ）Ｏ．２７６．５度多遇５第２次白噪声０．０５６
Ｅｌ—Ｃｅｎｔｒｏ波Ｏ．５０７．５度多遇７武汉人工波０．５０７．５度多遇８天津波（Ｎ－Ｓ）Ｏ．５０７．５度多遇９第３次白噪声Ｏ．０５ｌＯＥｌ－Ｃｅｎｔｒｏ波Ｏ．７ｌ８．０度多遇１１武汉人工波Ｏ．７ｌ８．０度多遇１２天津波（Ｎ—ｓ）Ｏ．７１８．０度多遇１３第４次白噪声
Ｏ．０５
１４ＥＩ－Ｃｅｎｔｒｏ波０．９６
８．５度多遇１５武汉人工波０．９６８．５度多遇１６
天津波（Ｎ．ｓ）０．９６
８．５度多遇
！Ｚ
筮§达自噬重Ｑ：Ｑ！
２．２测点布置，
试验以结构ＡＢ跨方向（１，向）为测试方向，主要测试结构的位移、加速度和梁端、柱端的动应变。位移计在振动台台面、１、３、５、６、７、８层各布置１个，共７个；加速度计每层布置１个，共９个；考虑采集仪器通道限制，应变片主要布置在结构底层、１、２，７、８层中柱上下端和②轴线各层梁端，共２４片。
３模型结构试验结果与分析
３．１模型结构动力特性
将白噪声信号输人振动台，通过对白噪声扫描中
得到的模型结构加速度反应信号进行频谱分析，可以
２３０
重庆大学学报
第３１卷
得到模型结构的动力特性‘７１，笔者利用Ｕ＇１３２１６Ｆ数据部分振型和阻尼比。从表中可以看到，随着地震强度采集和分析系统对模型结构ｙ向白噪声扫描结果进增大模型各阶频率有所下降，其中基频下降较大，达行处理，得到模型结构振型和阻尼比。表３为对工况４．８６％；阻尼比相应增大，第１阶振型阻尼比增加值ｌ、５、１３和１７的扫描结果进行处理后得到的模型结构达１５％，说明模型结构出现了损伤。
表３模型结构自振频率和阻尼比
振型
工况１
频率／Ｈｚ阻尼比／％
３．０１３．０５１．８６１．０４１．０７１．１５０．９８
９．１２ｌＯ．７６１７．７４３８．５０３８．０９５４．９５７５．８９
工况５
频萼ｇ／Ｈｚ阻尼ｒｅ＿／％
３．０８３．０９１．８９１．１２１．１３１．０９１．０３
８．６６１０．０５１７．５２３７．８８３７．９８５４．６０７４．９２
工况１３频率／ｆＩｚ阻尼比／％
３．３７３．４１１．９７１．１６１．１８１．１８１．１ｌ
８．６２９．９８１７．５０３７．５６３７．９０５４．４９７４．５３
。
工况１７频蜀ｇ／Ｈｚ阻尼比／％
３．４６３．４７２．０６Ｌ２０１．１９１．２２１．１３
振型描述，Ｙ向平动
Ｘ向平动整体平扭ｙ向一次弯曲Ｘ向一次弯曲整体侧扭ｌ，向二次弯曲
第ｌ阶９．５ｌ第２阶ｌＯ．９１第３阶１７．７５第４阶３７。１０第５阶３８．２６第６阶５４．９５第７阶７５．０５
３．２模型结构加速度反应
在Ｅ１－Ｃｅｎｔｒｏ波、天津波和武汉人工地震波的各种工况激励下，模型结构各楼层动力放大系数（加速度放大系数）包络图如图２所示；在Ｅｌ—Ｃｅｎｔｒｏ波各种工况激励下，模型结构各楼层动力放大系数包络图如图３所示。从图２可以看出，３种地震波激励下模型结构动力放大系数包络图形状不同，说明不同频谱地震波对结构的影响是不同的，但模型结构动力放大系数包络图均大致呈Ｓ形，与结构第３阶振型相似，说明模型结构加速度对高阶频率反应比较敏感。从图３可以看出，加速度放大系数沿结构楼层高度变化平缓，显示出模型结构抗侧刚度沿竖向分布比较均匀；随着地震强度增加，结构各层动力放大系数变化值变化不大，说明结构抗侧刚度变化不大，结构损伤轻微。
７
６
，
蟹謇
●
，
２
ｌ
啦聱
ｌ
２
３
４
动力放大累致
图２
Ｅ１．Ｃｅｎｔｒｏ波、天津波【Ｎ．Ｓ）、武汉人工波激励下结构动力放大系数包络图
图４天津波（Ｎ－ｓｌ各种工况激励下结构
各层最大位移反应包络图
３．３模型结构位移反应
上述３种地震波及其不同工况激励下，结构各层位移反应大小不同，其中顶层屋面位移反应比较大，尤其是天津波（Ｎ—Ｓ）激励下结构顶层位移反应最大，最大值达３．８４ＩＩＩＩＴＩ。图４、５分别为在天津波（Ｎ—Ｓ）和Ｅ１一Ｃｅｎｔｒｏ波各种工况激励下，模型结构各楼层相对于振动台台面的位移反应包络线。由图４、５可知，在２种地震波激励下模型结构各楼层侧向位移包络线呈“一边倒”形式，具有明显的弯剪复合变形特征，与结构第１阶振型相似，说明结构基频对位移影响较大；随着输入地震波峰值加速度增大，
３．４模型结构应变反应
试验无法测量钢管内核心混凝土的应变，只测量了结构梁端和柱端钢材的应变。Ｅ１－ｃｅｎｔｒｏ波工况１４激励下，模型结构梁端最大应变产生在２层中跨，其值为２８．９×１０一，柱端最大应变产生在底层柱下柱端，应变值为８．９×１０～；武汉人工波工况１５激励下，模型结构梁端最大应变也产生在２层中跨，其值为２５．６×１０一，柱端最大应变也产生在底层柱下
万方数据
第２期杜国锋，等：钢管混凝土框架结构模拟地震振动台试验
２３１
０．５
１．０
Ｉ－５
位雹Ｉ＾＿－
图５Ｅｌ－Ｃｅｎｔｒｏ波各种工况激励下结构各层最大位移反应包络图
柱端，应变值为８．７×１０一；天津波（Ｎ—Ｓ）工况１６激励下，模型结构梁端最大应变产生在７层中跨，其值为２３．５×１０一，柱端最大应变也产生在底层柱下柱
端，应变值为８．２×１０～。可见在地震荷载作用下底层柱是薄弱部位。
４原型结构抗震性能分析
根据模型结构与原型结构之间的动力相似关系，可由模型结构地震反应推算出原型结构的地震反应。为了解和评价原型结构的地震反应，根据模型试验结果，笔者主要反推了原型结构的动力特性和位移反应，对原型结构的地震周期和抗震变形进行计算。
４．１原型结构动力特性
根据模型结构动力特性可以反推原型结构第ｌ振型为ｙ向平动，频率０．９５Ｈｚ；第２振型为ｘ向平动，频率１．０９Ｈｚ；第３振型为整体平扭，频率１．７８Ｈｚ；第４振型为ｌ，向一次弯曲，频率３．７１Ｈｚ；第５振型为
Ｘ向一次弯曲，频率３．８３Ｈｚ；第６振型为整体侧扭，
频率５．５０Ｈｚ；第７振型为ｌ，向二次弯曲，频率７．５ｌＨｚ；对应原型结构的周期依次为：１．０５、０．９２、０．５６、０．２７、ｏ．２６、０．１８和０．１３Ｓ。结构整体平扭振型
（即第３振型）周期和ｌ，、ｘ向第ｌ阶平动振型（即第
１、２振型）周期之比分别为０．５３和ｏ．６１，均小于０．８５，满足中国现行规范要求。同时试验结果还显示结构的自振频率随输入地震动幅值的加大而降低，阻尼比增大，反应出结构损伤程度增大。
４．２原型结构位移反应
表４为Ｅ１－ｃｅｎｔｒｏ波、天津波（Ｎ－Ｓ）和武汉人工地震波各种工况激励时，按相似关系推算得到的原型结构顶层屋面最大位移反应、最大层间位移反应、总位移角和层间位移角。从表４中可以看出，３种地震波不同地震烈度时，原型结构ｌ，向总弹性位移角最大值分别为１／２３５６、１／１４６１、１／１１４１、１／７５０；原型结构ｙ向层间弹性位移角最大值分别为１／１６６７、１／１０００、１／７９５、１／３１８。总弹性位移角值和层间弹性位移角值均满足中国《建筑抗震设计规范｝ＧＢ５００１１－２００ｌ中对结构抗震变形验算的弹性
限值要求哺ｏ，显示出在地震作用后结构整体性保持
较好，无倒塌破坏趋势，原型结构可以达到中国现行
万方数据
抗震规范的抗震设防标准。
表４原型结构顶层屋面最大位移、最大层间
位移、总位移角和层间位移角
６．５度多遇地震烈度盏矬总位移角ｙ簇间盛
１２．２２１／２３５６２．１０１／１６６７７．５度多遇１９．７１１／１４６１３．５０１／１０００８．Ｏ度多遇２５．２３１／１
１４１
４．４０。１／７９５８．５度多遇
３８．５０
ｌ／７５０
１１．００
１／３１８
５结论
１）结构位移反应受低阶振型影响较大，沿结构高度呈倒三角形分布，模型结构最大位移达３．８４ｈｉｍ，结构变形为弯剪型；结构加速度反应受高阶振型影响较大，模型结构加速度放大系数达３．３５。
２）模型结构前３阶频率分别为９．５１、１０．９１和１７．７５Ｈｚ，对应原型结构前３阶周期分别为１．０５、０．９２、０．５６ｓ，其整体平扭与平动周期比为Ｏ．５３和０．６ｌ，满足现行规范要求。
３）模型结构的自振频率随输入地震动幅值加大
而降低，阻尼比随结构损伤程度增大而增大，应变监测显示模型整体处于弹性状态。
４）原型结构在８．５度多遇地震时，最大弹性总位移角值和层间位移角值分别为１／７５０和１／３１８，未超过现行规范限值要求，可以满足该地震区抗震设防要求。参考文献：
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（编辑赵静）
钢管混凝土框架结构模拟地震振动台试验
作者：作者单位：
杜国锋， 许成祥， 江楚雄， DU Guo-feng， XU Cheng-xiang， JIANG Chu-xiong
杜国锋,DU Guo-feng(长江大学,城市建设学院,湖北,荆州,434023;武汉大学,土木建筑工程学院,湖北,武汉,430072)， 许成祥,XU Cheng-xiang(长江大学,城市建设学院,湖北,荆州,434023)， 江楚雄,JIANG Chu-xiong(武汉大学,土木建筑工程学院,湖北,武汉,430072)重庆大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2008,31(2)1次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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1.王尧鸿.张建伟.曹万林.董宏英 钢管混凝土叠合边框内藏钢桁架剪力墙振动台试验研究[期刊论文]-世界地震工程 2011(1)
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第３ｌ卷第２期
重庆大学学报
Ｖ０１．３１Ｎｏ．２
２００８年２月
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｆｅｂ．２００８
文章编号：１０００—５８２Ｘ（２００８）０２・０２２８・０４
钢管混凝土框架结构模拟地震振动台试验
杜国锋１’２，许成祥１，江楚雄２
（１．长江大学城市建设学院，湖北荆州４３４０２３；２．武汉大学土木建筑工程学院。湖北武汉４３００７２）
摘要：按１：１０缩比设计制作了一榀钢管混凝土柱一Ｈ钢梁框架结构模型。并进行了模拟地震振动台试验。测试了模型结构动力特性及在Ｅ１・Ｃｅｎｔｒｏ波、天津波（Ｎ．Ｓ）和武汉人工波激励下的地震反应。根据模型加速度、位移和应变反应，按相似关系反推原型结构在各种地震波作用下的地震反应，得到原型结构顶层屋面最大位移和层问位移值，进而得到结构弹性总位移角值和层间位移角值。试验及分析结果表明：模型结构最大位移为３．８４ｍｍ、加速度放大系数为３．３５；模型结构前３阶频率分别为９．５１、１０．９１和１７．７５Ｈｚ，对应原型结构前３阶周期分别为１．０５、０．９２、０．５６ｓ，其整体平扭与平动周期比为０．５３（１，向）和０．６１（ｘ向）；原型结构在８．５度多遇地震时整体处于弹性状态，最大弹性总位移角值和层间位移角值分别为１／７５０和１／３１８，未超过现行规范限值要求。
关键词：钢管混凝土；振动台；地震反应；动力特性；抗震性能中图分类号：ＴＵ３１７．１；１３３３９８．９
文献标志码：Ａ
Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｈａｋｉｎｇＴａｂｌｅＴｅｓｔｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉｌｌｅｄ
ＳｔｅｅｌＴｕｂｅＦｒａｍｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ
ＤＵ
Ｇｕｏ一衙珂”，ＸＵ
Ｃｈｅｎｇ－ｘｉａｎｇ１，ＪＩＡＮＧ
Ｃｈｕ－ｘｉｏｎｆ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＵｒｂａｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＪｉｎｇｚｈｏｕＨｕｂｅｉ４３４０２３，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ
４３００７２，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌ：１０ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉＵｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ（ＣＦＳＴ）ｃｏｌｕｍｎ．Ｈ
ｂｅａｍｆｒａｍｅ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗａｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ，
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ，ａｎｄｔｅｓｔｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅ
ｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｎｄｅｒＥ１．Ｃｅｎｔｒｏｗａｖｅ。ＴｉａｎｉｉｎｗａｖｅａｎｄＷｕｈａｎａｒｔｉｆｉｃｉａｌｗａｖｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎ
ｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，
ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｔｒａｉｎｏｆｔｈｅ
ｍｏｄｅｌ．ｔｈｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
ｗａｖｅｓ
ｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗｅｒｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ
ｔｏｔｈｅｓｉｍｉｌｉｔｕｄｅｒｅｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ
ｔｈｅ
ｍａｘｉｍｕｍｒｏｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄ
ｓｔｏｒｙｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅ
ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，ｔｈｅｎｔｈｅｔｏｔａｌｅｌａｓｔｉｃｄｒｉｆｔａｎｇｌｅａｎｄｓｔｏｒｅｙｄｒｉｆｔ
ａｎｇｌｅ
ｗｅｒｅ
ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉＳ３．８４ｍｍａｎｄｔｈａｔｔＩｌｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅ
ｍｏｄｅｌ
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３．３５．Ｔｈｅ
ｆｉｒｓｔｔｈｒｅｅ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ
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ｍｏｄｅｌ
ａｒｅ９．５ｌＨｚ．１０．９１Ｈｚａｎｄ１７．７５Ｈｚ。
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｐｅｒｉｏｄｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｔｈｒｅｅｐｅｒｉｏｄｓｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅ
ａｒｅ
１．０５
ｓ，０．９２
８
ａｎｄ
０．５６
Ｓ，
ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｒｏｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｔｏ
ｔｈｅｆｉｒｓｔｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｍｏｄｅａｒｅ
０．６１ａｎｄ０．５３ｉｎＸ
ａｎｄＹｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆ８．５ｄｅｇｒｅｅｅａｒｔｈｑｕａｋｅｉｓｉｎｅｌａｓｔｉｃｓｔａｔｅ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｏｔａｌｅｌａｓｔｉｃｄｒｉｆｔａｎｇｌｅａｎｄｓｔｏｒｅｙｄｒｉｆｔａｎｇｌｅ剖陀１／７５０ａｎｄ１／３１８。ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｗｈｉｃｈｄｏｎｔｅｘｃｅｅｄｔｈｅｌｉｍｉｔｓｉｎｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｃｒｅｔｅ－ｆｉⅡｅｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅ；ｓｈａｋｉｎｇｔａｂｌｅ；ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｄｙ，珊ｎｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｓｅｉｓｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒ
钢管混凝土结构具有承载力高、塑性和韧性好、制作和施工方便、耐火性能好、经济性好等特点，广
收稿日期：２００７．１１－２８
基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（２００３ＡＢＡ０５９）
作者简介：杜国锋（１９７５．），男，长江大学讲师，武汉大学博士研究生，主要从事工程结构抗震方面的研究，（Ｔｅｌ）
１３４０７１
１８０６８；（Ｅ－ｍａｉｌ）ｇｆｄｌ１２５＠１２６．ｔｏｍ。
万方数据
第２期杜国锋，等：钢管混凝土框架结构模拟地震振动台试验
２２９
泛用于工业厂房柱、地铁站台柱、大跨空间结构、商
业广场、高层和超高层建筑中¨引。自２０世纪５０年
代以来，国内外学者对钢管混凝土结构进行了大量研究，主要集中在对圆（方）形钢管混凝土柱和各种形式梁柱节点的研究，但对钢管混凝土框架结构体系的研究比较少。，研究中大多采用静力、拟静力等试验方法，采用振动台模拟地震进行试验研究的很少。鉴于钢管混凝土结构的良好抗震性能，为推广此种结构体系在高烈度地震区的应用，笔者选择某
工程中一有代表性的单元，按１：１０几何缩比设计制
作了一榀圆钢管混凝土柱一Ｈ钢梁框架结构模型，采取模拟地震振动台试验方法口Ｊ，分析了结构在不同地震波激励下的地震反应，并根据相似关系反推了原型结构的地震反应。
１模型设计
１．１相似关系
笔者主要研究各种地震波激励下结构的地震反应，因此，试验主要满足结构柱、梁、板的相似关系，用设置配重的方法满足质量和活载的相似常数。综合考虑武汉大学土木建筑工程学院振动实验室振动台的台面承载力和试验可操作性，最后确定模型的几何相似常数为１／１０，根据量纲分析理论Ｈ１推导了模型与原型的主要相似关系，见表１。
表１模型与原型的相似关系
塑篁丕塑
塑丛苤丕蕉
錾笪
长度Ｓｊ
１／１０
密度
置
１弹性模量ＳＥ＝＆
Ｉ
线刚度Ｓ。＝ＳＦＳｊ
１／１０时间Ｓ。＝（Ｓ。／＆）“２
１／１０频率ｓ／＝１／Ｓ。
１０质量
Ｓ．＝Ｓ口Ｓ３
１／１０００
垫遑廑墨三兰ｆ壁
！Ｑ
图１试验模型
１．２模型制作
选用６６８ｍｉｌｌｘ３ｎｌｎｌ无缝钢管、Ｈ４０ｍｉｌｌｘ４５ｍｍｘ２．５ｒａｉｎｘ３ｌｎｌｌｌ焊接钢梁和Ｃ３０细石混凝土，按相
似关系制作了框架模型。结构采用外加强环式节
万方数据
点【５１和加劲肋板式柱脚，楼板为２０ｔｏｎｉ现浇Ｃ２０混凝土板，楼板中钢筋用担．２ｌｌｌｍ镀锌铁丝模拟。试验模型层高０．３５ｍ，总高２．８８ｍ，开问及进深均为０．６０ｍ，每层附加质量５６ｋｇ，模型总质量ｏ．７６ｔ，试验模型如图ｌ所示。在模型制作过程中采集了试样，实测了钢材和混凝土的力学性能指标。钢管内混凝土的立方体抗压强度平均值为３８．６５ＭＰａ，楼板混凝土的立方体抗压强度平均值为２３．２８ＭＰａ，钢管钢材的屈服强度平均值为２８６．５５ＭＰａ，钢梁钢材的屈服强度平均值为２８５．３６ＭＰａ，加强环板钢材的屈服强度平均值为
２８８．４８
ＭＰａ，镀锌铁丝的屈服强度平均ｌｇＶ２ｓ１．７２
ＭＰａ。
２模拟地震振动台试验
２．１试验加载方案
根据建设场地条件和结构动力特性，选择２条实际地震记录和一组人工模拟地震波，即Ｅ１－Ｃｅｎｔｒｏ（１９４０，Ｎ—ｓ）地震波、天津波（Ｎ—Ｓ）地震波和武汉人工地震波怕Ｊ。根据时间相似常数，将原始地震波沿时间轴压缩为原波的１／１０，同一地震水准的地震波按Ｅ１．Ｃｅｎｔｒｏ波、武汉人工波、天津波顺序依次输入振动台，各水准地震波输入前、后均输入白噪声进行扫频，获得结构各阶频率和阻尼比。试验工况及实测台面的加速度峰值如表２所示。
表２试验工况及实测加速度峰值
工况序号
地震波类型莲藿僦
地震烈度
１第１次白噪声Ｏ．０５２Ｅｌ・Ｃｅｎｔｒｏ波０．２７６．５度多遇３武汉人工波Ｏ．２３６．５度多遇４天津波（Ｎ・ｓ）Ｏ．２７６．５度多遇５第２次白噪声０．０５６
Ｅｌ—Ｃｅｎｔｒｏ波Ｏ．５０７．５度多遇７武汉人工波０．５０７．５度多遇８天津波（Ｎ－Ｓ）Ｏ．５０７．５度多遇９第３次白噪声Ｏ．０５ｌＯＥｌ－Ｃｅｎｔｒｏ波Ｏ．７ｌ８．０度多遇１１武汉人工波Ｏ．７ｌ８．０度多遇１２天津波（Ｎ—ｓ）Ｏ．７１８．０度多遇１３第４次白噪声
Ｏ．０５
１４ＥＩ－Ｃｅｎｔｒｏ波０．９６
８．５度多遇１５武汉人工波０．９６８．５度多遇１６
天津波（Ｎ．ｓ）０．９６
８．５度多遇
！Ｚ
筮§达自噬重Ｑ：Ｑ！
２．２测点布置，
试验以结构ＡＢ跨方向（１，向）为测试方向，主要测试结构的位移、加速度和梁端、柱端的动应变。位移计在振动台台面、１、３、５、６、７、８层各布置１个，共７个；加速度计每层布置１个，共９个；考虑采集仪器通道限制，应变片主要布置在结构底层、１、２，７、８层中柱上下端和②轴线各层梁端，共２４片。
３模型结构试验结果与分析
３．１模型结构动力特性
将白噪声信号输人振动台，通过对白噪声扫描中
得到的模型结构加速度反应信号进行频谱分析，可以
２３０
重庆大学学报
第３１卷
得到模型结构的动力特性‘７１，笔者利用Ｕ＇１３２１６Ｆ数据部分振型和阻尼比。从表中可以看到，随着地震强度采集和分析系统对模型结构ｙ向白噪声扫描结果进增大模型各阶频率有所下降，其中基频下降较大，达行处理，得到模型结构振型和阻尼比。表３为对工况４．８６％；阻尼比相应增大，第１阶振型阻尼比增加值ｌ、５、１３和１７的扫描结果进行处理后得到的模型结构达１５％，说明模型结构出现了损伤。
表３模型结构自振频率和阻尼比
振型
工况１
频率／Ｈｚ阻尼比／％
３．０１３．０５１．８６１．０４１．０７１．１５０．９８
９．１２ｌＯ．７６１７．７４３８．５０３８．０９５４．９５７５．８９
工况５
频萼ｇ／Ｈｚ阻尼ｒｅ＿／％
３．０８３．０９１．８９１．１２１．１３１．０９１．０３
８．６６１０．０５１７．５２３７．８８３７．９８５４．６０７４．９２
工况１３频率／ｆＩｚ阻尼比／％
３．３７３．４１１．９７１．１６１．１８１．１８１．１ｌ
８．６２９．９８１７．５０３７．５６３７．９０５４．４９７４．５３
。
工况１７频蜀ｇ／Ｈｚ阻尼比／％
３．４６３．４７２．０６Ｌ２０１．１９１．２２１．１３
振型描述，Ｙ向平动
Ｘ向平动整体平扭ｙ向一次弯曲Ｘ向一次弯曲整体侧扭ｌ，向二次弯曲
第ｌ阶９．５ｌ第２阶ｌＯ．９１第３阶１７．７５第４阶３７。１０第５阶３８．２６第６阶５４．９５第７阶７５．０５
３．２模型结构加速度反应
在Ｅ１－Ｃｅｎｔｒｏ波、天津波和武汉人工地震波的各种工况激励下，模型结构各楼层动力放大系数（加速度放大系数）包络图如图２所示；在Ｅｌ—Ｃｅｎｔｒｏ波各种工况激励下，模型结构各楼层动力放大系数包络图如图３所示。从图２可以看出，３种地震波激励下模型结构动力放大系数包络图形状不同，说明不同频谱地震波对结构的影响是不同的，但模型结构动力放大系数包络图均大致呈Ｓ形，与结构第３阶振型相似，说明模型结构加速度对高阶频率反应比较敏感。从图３可以看出，加速度放大系数沿结构楼层高度变化平缓，显示出模型结构抗侧刚度沿竖向分布比较均匀；随着地震强度增加，结构各层动力放大系数变化值变化不大，说明结构抗侧刚度变化不大，结构损伤轻微。
７
６
，
蟹謇
●
，
２
ｌ
啦聱
ｌ
２
３
４
动力放大累致
图２
Ｅ１．Ｃｅｎｔｒｏ波、天津波【Ｎ．Ｓ）、武汉人工波激励下结构动力放大系数包络图
图４天津波（Ｎ－ｓｌ各种工况激励下结构
各层最大位移反应包络图
３．３模型结构位移反应
上述３种地震波及其不同工况激励下，结构各层位移反应大小不同，其中顶层屋面位移反应比较大，尤其是天津波（Ｎ—Ｓ）激励下结构顶层位移反应最大，最大值达３．８４ＩＩＩＩＴＩ。图４、５分别为在天津波（Ｎ—Ｓ）和Ｅ１一Ｃｅｎｔｒｏ波各种工况激励下，模型结构各楼层相对于振动台台面的位移反应包络线。由图４、５可知，在２种地震波激励下模型结构各楼层侧向位移包络线呈“一边倒”形式，具有明显的弯剪复合变形特征，与结构第１阶振型相似，说明结构基频对位移影响较大；随着输入地震波峰值加速度增大，
３．４模型结构应变反应
试验无法测量钢管内核心混凝土的应变，只测量了结构梁端和柱端钢材的应变。Ｅ１－ｃｅｎｔｒｏ波工况１４激励下，模型结构梁端最大应变产生在２层中跨，其值为２８．９×１０一，柱端最大应变产生在底层柱下柱端，应变值为８．９×１０～；武汉人工波工况１５激励下，模型结构梁端最大应变也产生在２层中跨，其值为２５．６×１０一，柱端最大应变也产生在底层柱下
万方数据
第２期杜国锋，等：钢管混凝土框架结构模拟地震振动台试验
２３１
０．５
１．０
Ｉ－５
位雹Ｉ＾＿－
图５Ｅｌ－Ｃｅｎｔｒｏ波各种工况激励下结构各层最大位移反应包络图
柱端，应变值为８．７×１０一；天津波（Ｎ—Ｓ）工况１６激励下，模型结构梁端最大应变产生在７层中跨，其值为２３．５×１０一，柱端最大应变也产生在底层柱下柱
端，应变值为８．２×１０～。可见在地震荷载作用下底层柱是薄弱部位。
４原型结构抗震性能分析
根据模型结构与原型结构之间的动力相似关系，可由模型结构地震反应推算出原型结构的地震反应。为了解和评价原型结构的地震反应，根据模型试验结果，笔者主要反推了原型结构的动力特性和位移反应，对原型结构的地震周期和抗震变形进行计算。
４．１原型结构动力特性
根据模型结构动力特性可以反推原型结构第ｌ振型为ｙ向平动，频率０．９５Ｈｚ；第２振型为ｘ向平动，频率１．０９Ｈｚ；第３振型为整体平扭，频率１．７８Ｈｚ；第４振型为ｌ，向一次弯曲，频率３．７１Ｈｚ；第５振型为
Ｘ向一次弯曲，频率３．８３Ｈｚ；第６振型为整体侧扭，
频率５．５０Ｈｚ；第７振型为ｌ，向二次弯曲，频率７．５ｌＨｚ；对应原型结构的周期依次为：１．０５、０．９２、０．５６、０．２７、ｏ．２６、０．１８和０．１３Ｓ。结构整体平扭振型
（即第３振型）周期和ｌ，、ｘ向第ｌ阶平动振型（即第
１、２振型）周期之比分别为０．５３和ｏ．６１，均小于０．８５，满足中国现行规范要求。同时试验结果还显示结构的自振频率随输入地震动幅值的加大而降低，阻尼比增大，反应出结构损伤程度增大。
４．２原型结构位移反应
表４为Ｅ１－ｃｅｎｔｒｏ波、天津波（Ｎ－Ｓ）和武汉人工地震波各种工况激励时，按相似关系推算得到的原型结构顶层屋面最大位移反应、最大层间位移反应、总位移角和层间位移角。从表４中可以看出，３种地震波不同地震烈度时，原型结构ｌ，向总弹性位移角最大值分别为１／２３５６、１／１４６１、１／１１４１、１／７５０；原型结构ｙ向层间弹性位移角最大值分别为１／１６６７、１／１０００、１／７９５、１／３１８。总弹性位移角值和层间弹性位移角值均满足中国《建筑抗震设计规范｝ＧＢ５００１１－２００ｌ中对结构抗震变形验算的弹性
限值要求哺ｏ，显示出在地震作用后结构整体性保持
较好，无倒塌破坏趋势，原型结构可以达到中国现行
万方数据
抗震规范的抗震设防标准。
表４原型结构顶层屋面最大位移、最大层间
位移、总位移角和层间位移角
６．５度多遇地震烈度盏矬总位移角ｙ簇间盛
１２．２２１／２３５６２．１０１／１６６７７．５度多遇１９．７１１／１４６１３．５０１／１０００８．Ｏ度多遇２５．２３１／１
１４１
４．４０。１／７９５８．５度多遇
３８．５０
ｌ／７５０
１１．００
１／３１８
５结论
１）结构位移反应受低阶振型影响较大，沿结构高度呈倒三角形分布，模型结构最大位移达３．８４ｈｉｍ，结构变形为弯剪型；结构加速度反应受高阶振型影响较大，模型结构加速度放大系数达３．３５。
２）模型结构前３阶频率分别为９．５１、１０．９１和１７．７５Ｈｚ，对应原型结构前３阶周期分别为１．０５、０．９２、０．５６ｓ，其整体平扭与平动周期比为Ｏ．５３和０．６ｌ，满足现行规范要求。
３）模型结构的自振频率随输入地震动幅值加大
而降低，阻尼比随结构损伤程度增大而增大，应变监测显示模型整体处于弹性状态。
４）原型结构在８．５度多遇地震时，最大弹性总位移角值和层间位移角值分别为１／７５０和１／３１８，未超过现行规范限值要求，可以满足该地震区抗震设防要求。参考文献：
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ｔｅｓｔ
ａｎｄ
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ｏｆ
Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ，２００７，３０（３）：６．１０．
［８］中华人民共和国建设部．ＧＢ５００１１—２００１建筑抗震设计
规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００１．
（编辑赵静）
钢管混凝土框架结构模拟地震振动台试验
作者：作者单位：
杜国锋， 许成祥， 江楚雄， DU Guo-feng， XU Cheng-xiang， JIANG Chu-xiong
杜国锋,DU Guo-feng(长江大学,城市建设学院,湖北,荆州,434023;武汉大学,土木建筑工程学院,湖北,武汉,430072)， 许成祥,XU Cheng-xiang(长江大学,城市建设学院,湖北,荆州,434023)， 江楚雄,JIANG Chu-xiong(武汉大学,土木建筑工程学院,湖北,武汉,430072)重庆大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2008,31(2)1次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
参考文献(8条)
1.中华人民共和国建设部 GB 50011-2001.建筑抗震设计规范 2001
2.陆冬;汤宝平;何启源 模态参数识别中频响函数估计的最小二乘优化[期刊论文]-重庆大学学报(自然科学版)2007(03)
3.周友 框筒结构-桩筏基础-土相互作用体系地震反应分析 2003
4.中国工程建设标准化协会 CECS 28-1990.钢管混凝土结构设计与施工规程 20015.姚谦峰;陈平 土木工程结构试验 2001
6.曹万林;卢智成;张建伟 核心筒部分悬挂结构振动台试验及分析[期刊论文]-土木工程学报 2007(03)7.蔡绍怀 我国钢管高强混凝土结构技术的最新进展[期刊论文]-建筑科学 2002(04)8.韩林海;杨有福 现代钢管混凝土结构技术 2004
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2. 季静.赵书宁.韩小雷.郑宜.Ji Jing.Zhao Shu-ning.Han Xiao-lei.Zheng Yi 复杂高层建筑的模拟地震振动台试验[期刊论文]-华南理工大学学报（自然科学版）2007,35(3)
3. 杜国锋.徐礼华.许成祥.池寅.DU Guofeng.XU Lihua.XU Chengxiang.CHI Yin 钢管混凝土框架模型模态试验及数值模拟[期刊论文]-沈阳建筑大学学报（自然科学版）2008,24(3)
4. 刘军进.吕志涛.冯健 9层(带转换层)钢筋混凝土异形柱框架结构模型振动台试验研究[期刊论文]-建筑结构学报2002,23(1)
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6. 张晓.王翠坤.赵鹏飞.牟在根.Zhang Xiao.Wang Cuikun.Zhao Pengfei.Mu Zaigen 特别不规则体型高层钢结构地震模拟振动台试验研究[期刊论文]-工业建筑2007,37(z1)
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8. 许成祥.徐礼华.杜国锋.凡红.XU Chengxiang.XU Lihua.DU Guofeng.FAN Hong 钢管混凝土柱框架结构模型地震反应试验研究[期刊论文]-武汉大学学报（工学版）2006,39(3)
引证文献(1条)
1.王尧鸿.张建伟.曹万林.董宏英 钢管混凝土叠合边框内藏钢桁架剪力墙振动台试验研究[期刊论文]-世界地震工程 2011(1)
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