嘉德艺术中心试验方案.docx
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嘉德艺术中心试验方案
北京嘉德艺术中心模拟地震振动台
试验方案
建研科技股份有限公司
2015年1月
1.项目概况
北京嘉德艺术中心是一幢公共建筑，单体地下5层，地上9层，总高37m。
建筑物结构体系为“框架-核心筒”，体型较复杂，包括大开洞、悬挑、转换等多项不规则。
为了确保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，需要进行整体结构模型模拟地震振动台试验研究，检验结构抗震性能，发现结构可能的薄弱部位，进而提出改进措施，为结构设计提供参考依据。
2.研究目的及内容
根据项目特点以及试验要求，确定模型振动台的试验目的及试验内容如下：
1）测定模型结构的动力特性：
自振频率、振型、结构阻尼比等，以及它们在不同水准地震作用下的变化；
2）实测分别经受8度多遇、设防、罕遇等不同水准地震作用时模型的动力响应，包括结构在弹性和弹塑性阶段的位移、加速度，及主要构件应变反应；
3）观察、分析结构抗侧力体系在地震作用下的受力特点和破坏形态及过程（如构件开裂、塑性破坏的过程、位置关系等），找出可能存在的薄弱层及薄弱部位；
4）验证结构的抗震性能是否如数值分析所预测；检验结构是否满足规范三水准的抗震设防要求，检验结构各部分是否达到设计设定的抗震性能目标；
5）在试验结果及分析研究的基础上，对本结构的结构设计提出可能的改进意见与措施，进一步保证结构的抗震安全性。
3.模拟地震振动台技术指标
建研院拥有目前国内台面最大、载重量最重的模拟地震振动台，为准确模拟结构在地震作用下的性能提供了更好的条件。
尤其是对于本项目，60吨的载重量为较准确地模拟重力作用提供了设备保障。
振动台主要技术指标如下表：
台面尺寸
6×6m
标准载重量
60t（600kN）
最大载重量
80t（800kN）
最大位移
±150mm（横向）
±250mm（纵向）
±100mm（竖向）
最大速度
±1000mm/s（横向）
±1250mm/s（纵向）
±800mm/s（竖向）
最大满载加速度
±1.5g（横向）
±1.0g（纵向）
±0.8g（竖向）
最大倾覆力矩
180t·m（1800kN·m）
最大偏心
1000mm
最大偏心力矩
600kN·m
最大扭转角
三向均为±3度
工作频段
0.1～50Hz
控制模式及数据获取
数字控制
振动方向
空间六自由度
振动波形
地震波、随机波、简谐波等
4.模型设计
依据项目资料、振动台的台面尺寸、承载能力及选用的材料，按照振动台试验模型的相似理论来进行试验设计。
4.1.模型缩尺比例
根据结构的规模及实验室设备的能力，模型缩尺比例选为1/16。
模型相似关系设计详见下节。
4.2.模型材料
模型采用微粒混凝土模拟混凝土，细钢丝模拟钢筋，用黄铜模拟钢结构和型钢混凝土结构中的钢材，微粒混凝土的弹性模量及强度可做到原型1/2.5~1/3，钢丝的面积可根据强度等效进行换算。
黄铜根据内掺合金含量的不同有不同的牌号，建研院以往试验中选用的固定牌号的黄铜弹性模量及强度都接近Q345钢材的1/2.5~1/3，与砂浆的强度和弹模匹配较好，可以实现构件的承载力相似，并在以往试验中专门进行了小构件模型试验对比，验证了缩尺模型的承载力相似。
黄铜模拟型钢钢丝模拟钢筋（剪力墙筒体及框架柱）
型钢混凝土筒体（暗柱）黄铜砂浆模拟型钢混凝土柱性能试验
4.3.模型相似关系
原型结构主体高约37米（自地面至屋顶），首层平面尺寸约73米×55米，地上部分重力荷载代表值约32000吨。
根据振动台尺寸，模型长度相似比（缩尺比例）为1/16，根据上节所述的模型材料性能，材料弹模相似比SE为1/2.5；模型做到重力相似，根据振动台承载能力，确定质量密度相似比为7.2。
通过以上确定的三个相似比，根据前述模型设计相似理论，可推导得到模型的其他相似关系如下表。
其中，加速度放大系数为1.0，即做到重力相似。
物理量
量纲
相似常数
参数
取值
材料特性
应力σ
FL-2
SE
0.40000
应变ε
--
1
1.00000
弹性模量E
FL-2
SE
0.40000
波桑系数v
--
1
1.00000
密度ρ
FT2L-4
Sρ=SE/S1
6.40000
几何尺寸
线尺寸L
L
Sl
0.06250
线位移δ
L
Sl
0.06250
频率ω
T-1
4.00000
荷载
集中力P
F
SES12
0.00156
压力q
FL-2
SE
0.40000
加速度a
LT-2
Sa
1.00000
重力加速度g
LT-2
1
1.00000
速度v
LT-1
0.25000
时间t
T
0.25000
按照表中所示的相似关系，模型底板尺寸约为5X4m；模型总高2.7m，模型自重为8吨，加配重43吨，模型底板自重10吨，模型总重61吨，可在建研院的振动台上完成试验。
根据结构各层楼面尺寸、楼层高度及层质量测算，1：
16的缩尺模型中可以布置43吨的配重（铁块及铅块），且保证配重沿结构竖向和在楼面上的分布与原结构基本一致。
试验进行前，还需按照实际测得的材料弹性模量和模型重量进行微调。
4.4.模型设计及加工
4.4.1.模型设计
试验模型包含地面以上结构部分。
根据确定的相似比例关系以及原型结构设计图纸进行模型结构设计。
模型设计满足模型与原型在材料特性、几何特性、构件和节点构造、荷载分布等方面的相似律。
模型中的关键构件包括剪力墙、框架柱、框架梁、桁架杆件均根据原型结构按照相似关系缩尺制作。
压型钢板组合楼板简化为混凝土平板，厚度10mm，压型钢板对楼板刚度及承载力的贡献通过楼板中的配筋体现。
楼面次梁简化为楼板中的暗梁，以简化施工。
4.4.2.模型加工及安装
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。
每层先安装型钢构件，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。
试验模型中会按照相似比例关系模拟剪力墙中的钢板，包括暗柱型钢；暗柱箍筋及剪力墙拉筋会开孔穿过墙中的钢板，以保证协同工作。
5.模型试验
5.1.试验加载程序
首先进行8度小震的试验，然后逐渐加大台面输入地震波幅值，历经8度中震和8度大震。
小震和中震阶段进行X、Y、Z三个单向的输入及三向同时输入，大震阶段进行三向地震输入（X、Y、Z地震）。
各工况的名称、编号、输入地震波名称及其峰值如下表所示。
地震波1、2、3的选择与设计单位协商确定，依据规范确定的原则是采用两条实际纪录地震波和一条人工地震波。
选定波是指前面试验过程中，三条波中反应较大的一条波。
大震工况下，为避免累计损伤影响试验结果，仅采用反应最大的一条地震波进行试验。
表中输入地震波的峰值按照规范规定确定，试验时可根据设计要求进行调整。
输入工况表
名称
[序号]
波形及输入方向
加速度峰值（cm/s2）
自振特性
1
第一次白噪声扫描
50
8度小震
2
地震波1—X向
70
3
地震波2—X向
4
地震波3—X向
5
地震波1—Y向
6
地震波2—Y向
7
地震波3—Y向
8
地震波1—z向
45.5
9
地震波2—z向
10
地震波3—z向
11
地震波1—三向
70（X）,59.5（Y）,45.5（z）
12
地震波2—三向
13
地震波3—三向
自振特性
14
第二次白噪声扫描
50
8度中震
15
地震波1—X向
200
16
地震波2—X向
17
地震波3—X向
18
地震波1—Y向
19
地震波2—Y向
20
地震波3—Y向
21
地震波1—z向
130
22
地震波2—z向
23
地震波3—z向
24
地震波1—三向
200（X）,170（Y）,130（Z）
25
地震波2—三向
26
地震波3—三向
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