带转换层筒中筒结构模型静力弹性试验（建筑）
陈伯望， 雷玉成， 李 频， 党晓冰
（中南林业科技大学土木工程与力学学院，长沙410004）
[摘要] 制作比例为1：10的13层带转换层的筒中筒结构模型，底部5层为钢管混凝土框支柱，上部转换为钢筋混凝土外框筒，内部为落地钢筋混凝土核心筒，高位转换且竖向刚度有突变，模型结构形式比较复杂。为了掌握复杂高层建筑结构的抗震性能，对模型施加不同工况的水平荷载，测试模型在水平荷载作用下的静力弹性性能。试验结果表明，竖向荷载能显著减少结构的侧向变形和扭转变形，水平荷载及偏心距大小与结构的侧向变形和扭转变形基本上呈比例关系，且变形符合叠加原理，结构的刚度突变使结构的侧向变形和扭转变形在转换层出现明显拐点。
[关键词] 钢管混凝土柱；框支转换；筒中筒结构；模型试验；弹性变形
中图分类号：TU317+．1 文章编号：1002-848X(2016)09-0048-06
0 前言
对于简体结构的静力弹性分析，目前理论研究较多。Coull A等提出了框筒结构的剪力滞现象，Foutch A等又发现了负剪力滞现象，剪力滞削弱了框筒结构的空间性能。研究影响剪力滞的因素、减少剪力滞的措旋，对充分发挥框筒结构的空间作用具有特别重要的意义。筒体结构的弹性简化计算方法主要包括两种：等效平面框架法、等效连续体法。各种简化方法都通常假设简体中的各平面框架只在自身平面内具有抗侧力刚度，而忽略平面外的刚度；楼板在自身平面内刚度无限大，而忽略平面外刚度。与一般简体结构相比，带转换层的复杂高层建筑结构的组成和内力比较复杂，简化分析计算比较困难，且静力弹性性能分析的理论文献较少，弹性阶段受力性能的模型试验研究更少见，一般是结合实际工程的带转换层复杂结构的拟动力试验或振动台试验。
由于结构在绝大多数情况下处于静力弹性工作阶段，为了深入了解外框支．框筒内核心筒结构的静力弹性工作性能，依据相关规范，制作了一个比例为1：10的13层筒中筒结构模型，外筒底部5层为钢管混凝土柱一钢筋混凝土梁板结构，在第5层进行转换，转换梁为型钢混凝土组合结构，上部8层为钢筋混凝土密柱一深梁简体结构，筒体四角为钢管混凝土柱；核心筒为钢筋混凝土结构。对模型进行了从水平荷载作用下的静力弹性试验到地震作用下的结构拟动力试验等一系列试验，掌握了结构模型在各种荷载工况下的内力和变形情况，弥补了目前对带转换层复杂结构的理论和试验研究较少的现状。本文重点介绍结构模型的静力弹性试验及试验成果。
1 试验模型
1.1模型设计
在实验室制作了比例为1：10的13层带转换层的筒中筒结构模型，模型总高4750mm，平面尺寸为1800 x1800。模型外框1～5层为框支结构，采用钢管混凝土柱、钢筋混凝土梁板；6～13层为框筒结构，第5层设置型钢混凝土梁式转换层，四角钢管混凝土柱贯穿全高；采用钢筋混凝土核心筒，四面开洞。模型立面图见图1。
模型1～4层层高450mm，5层层高300mm，沿四周等距布置8根钢管混凝土柱，柱距900mm。钢管截面为121.6×4.68（直径×壁厚），周边梁截面为40×80，钢管与梁采用环形接点连接，各层楼板厚度为15mm，核心筒壁厚30mm，四面开洞150×300。第5层为梁式转换层，转换梁截面为70×160，沿四周连接各钢管混凝土柱，楼板厚20mm。模型6～13层层高300mm，外框筒四周等距布置24根截面为50×90的混凝土柱，柱距300mm，角柱截面为89.5×4.2（直径×壁厚）的钢管混凝土柱，裙梁截面为50×90，除顶层楼板厚20mm外，其他层楼板厚度15mm；核心筒壁厚20mm，四面开洞150×220。各楼层平面图见图2。
1.2模型制作
钢管内用细石混凝土浇筑，模型其他构件采用配筋石英砂浆，水泥标号为42.5。钢管及管内混凝土材性指标见表1，钢丝材性指标见表2，石英砂浆强度见表3。以上指标均为实测平均值，混凝土试块尺寸150 ×150×150，砂浆试块尺寸70.7×70.7×70.7。模型立于尺寸为2 600 x2 600×250（长×宽×厚）的混凝土底座上，底层的8根钢管混凝土柱和内筒所配钢筋全部锚入底座，并与底座下排钢筋网焊接。为了加强底部筒体，在内筒四角处附加一根
4.2的钢筋锚固于底座至2层顶面。采用透明平板玻璃用作模板支模，以易于观察混凝土的浇筑质量，而且模型表面平整美观。试验模型见图3。
1.3相似性关系
模型和原型的主要相似关系：长度相似系数
= 1/10；弹性模量相似系数E r=0.928。模型各层质量如表4所示。
由于受到楼层空间不足限制，本试验采用了欠人工质量模型，考虑自重和活荷载模拟，不考虑非结构构件。欠人工质量通过在楼层堆加砝码和顶层施加竖向荷载实现。模型与原型的相似关系见表5。
2 试验方法
2.1加载装置
试验在湖南城市学院结构实验室进行。在模型的5，13层的南面和北面分别安装一台千斤顶，共4台，各配20t力传感器，由反力墙和反力架提供水平反力；在模型顶板安装竖向千斤顶2台，各配10t力传感器，竖向反力通过反力梁传递给设置在模型两侧的
32竖向钢拉杆，竖向钢拉杆铰接并锚固于地槽，这样可避免由固定反力架提供竖向反力时反力梁对模型的水平约束作用。水平加载装置见图4。
在模型2，4，5，7，9，11，13层每层布置两个百分表，分别位于每层东北角和西南角方向角柱的环形接点上，用来测量该层的平均水平位移和转角位移。将应变片贴于模型各构件外表面进行应变测试，分布于1～6层。
2.2试验工况
在弹性范围内加载，采用分级加载制度，中部加载F．、顶部加载F：的作用点高度分别位于5层（转换层）、13层（顶层）楼板中心面位置处。
无竖向荷载时，加载工况主要分3类：1）中部加载，即F1≠0，F2=0，偏心距e的大小分别为e=0,e=150mm，e=300mm；2)顶部加载，即F1=0，F2≠0，偏心距的大小分别为e=0，e=150mm，e= 300mm；3)中、顶部同时加载，即F1=F2≠0，偏心距的大小分别为e=0，e=150mm，e=300mm。
有竖向荷载时，加载工况主要分2类：1）中部加载，即F1≠0，F2=0，竖向荷载分别为P=13. 89t,P=23. 89t;2)顶部加载，即F1=0，F2≠0，竖向荷载分别为P= 13. 89t，P=23. 89t。
以上所有工况分别改变水平荷载F的大小。
3 试验结果
3.1不同偏心距e下的水平加载
在模型顶部（13层）和转换层（5层）分别或同时施加水平荷载，以偏心距和荷载大小为变化参数，水平荷载分别为10，20，30kN，偏心距分别为0，150，300mm，测得模型相应楼层的水平位移见图5。
3.2恒定竖向压力作用下的水平加载
在模型顶板施加竖向荷载P，保持恒定的竖向压力，然后分别对顶层和转换层施加水平对中荷载，以水平荷载为变化参数，测得模型水平位移见图6。
3.3水平偏心荷载下的扭转角
无竖向荷载(P=0)时，模型在水平偏心荷载作用下的平面扭转角位移见图7。
在模型顶板施加竖向荷载P=13. 89t，将在顶层作用水平偏心荷载作用下测得模型的扭转角位移与无竖向荷载工况下结果进行对比，见图8。
4 试验结果分析
4.1平移变形分析
(1)结构变形特征
由图5，6可以看出，模型在较小的水平荷载作用下，荷载与水平位移成正比，基本上满足线弹性假定。结构的水平位移曲线呈弯剪综合变形特征，模型底部几层以弯曲变形为主，模型上部楼层则以剪切变形为主。
模型外框筒为框支简体结构，转换层以下层间刚度较小，转换层以上筒中筒结构楼层刚度较大，且底层层高比上部楼层大，故底部楼层的层间位移比上部楼层稍大。而且模型的中部（5层）位置为梁式转换层，楼层刚度相对较大，其对结构侧移的影响主要集中在结构上部，使结构顶点位移与层间相对位移都有所减小，只是后者减小的幅度稍大。这样就导致了模型的水平位移曲线没有明显的反弯点，而是在转换层附近出现了一个较为明显的拐点。
模型试验进一步验证了转换层对内力和侧移影响的理论，即转换层会使结构层间抗侧移刚度和层间抗剪承载力发生突变，因此，工程中应尽量避免转换层结构的出现，且转换层的位置应尽量低，以减少薄弱层的数量；另外，需在转换层以下的楼层设置必要的剪力墙，以减少转换层上下层刚度和抗剪承载力的突变。
(2)平扭耦合特征
模型在相同水平荷载作用下，改变偏心距的大小，对模型的整体水平位移影响不大，只是楼层扭转角随偏心距的增大而增大。由此可知，结构在平扭耦合作用下，可以将结构平移和扭转分开计算，然后再进行叠加，试验进一步验证了平扭耦合的解扭原理，见图9。
(3)竖向荷载对侧移的影响
由图6还可以看到，增加结构的竖向荷载时，模型的侧移会有所减小，即增大竖向荷载能增大结构的抗侧刚度，或者结构的抗侧刚度与竖向荷载有关。这一现象在工程结构和结构试验中普遍存在，工程中对结构侧移的计算没有考虑竖向荷载变化的影响。现有的侧移计算理论和分析手段都没有考虑竖向荷载对侧移的影响。
(4)位移叠加原理
如图10所示，对结构中、顶部同时加载产生的水平位移与对结构中、顶部分别加载后的水平位移的叠加位移进行对比可以看出，两者非常接近，可近似认为叠加原理在结构弹性阶段是适用的。、
4.2扭转变形分析
由图7，8可以看出，模型在偏心荷载作用下的扭转变形具有与平移变形相似的特征。
(1)偏心荷载位置对扭转变形的影响
在偏心荷载较小的情况下，结构扭转基本上满足线弹性假定，也符合变形叠加原理。
在顶部施加偏心荷载时，扭转角沿高度变化，除转换层有一突变点之外，扭转角曲线基本上接近于斜直线，说明各层的层间扭转变形接近；在中部施加偏心荷载时，模型底层的扭转变形相对较小，变形曲线在加载点以下基本呈斜直线，在加载点以上各层的扭转角则相差不多，基本上处于同一垂直线上；对中、顶部两点同时施加偏心荷载时，其扭转变形类似于顶部单点加载时的情形。
(2)抗扭刚度对扭转变形的影响
扭转角曲线在转换层位置发生突变。转换层以下为框架筒体结构，相对上部筒中筒结构的抗扭刚度弱，结构扭转变形大，各层抗扭刚度基本一致，即层扭转变形基本一致，扭转角曲线为斜率较小（刚度较小）的直线；转换层以上为筒中筒结构，抗扭刚度大，扭转变形大大减小，且为斜率较大（刚度较大）的直线。转换层位置越高，突变越明显。竖向荷载的增大使结构模型的扭转变形变小（图8），而使结构和构件的扭转刚度增大。
带转换层的结构，转换层以下的结构抗扭刚度较弱，会给结构的扭转变形带来两个问题：一是转换层出现刚度突变，造成抗扭转刚度严重不连续；二是下部结构扭转变形过大，可能使层间扭转变形超过规范规定值。因此，带转换层结构在下部布置必要的剪力墙、增加抗侧移刚度和抗扭转刚度是非常必要的。
5 结论
(1)竖向刚度突变的筒中筒结构的水平侧移曲线虽然仍呈现弯剪综合特性，但其已不具有明显的反弯点，而是出现了一个明显的位移拐点，拐点位置出现在转换层附近。
(2)弹性阶段变形符合叠加原理，无论是水平侧移还是扭转，其变形量都可以按照叠加原理累加计算。
(3)转换层的存在使抗侧力构件不连续、结构刚度发生突变，显著影响结构的受力特征，应尽量降低转换层的位置、布置必要的剪力墙，加大下部结构的抗侧移刚度和抗扭转刚度。
(4)竖向荷载对变形有重要影响，竖向荷载的增加能加大结构抗侧移刚度和抗扭转刚度，显著减小结构的侧向变形和扭转变形。
