第十六章
日本高层建筑面对俯冲地震时的现象及其加固方法：
E-Defense振动台试验
Takuya Nagae, Takahito Inoue, Koichi Kajiwara, and Masayoshi Nakashima
摘要：高层钢结构建筑的抗震能力是一个令人关注的问题, 尤其是在长期的地面运动中。我们在E-Defense系统中进行了一系列大规模的振动台试验，看到了在梁柱节点处的裂缝，并展示了改造对这种高层钢结构的影响，也展示了地震作用对办公楼和住宅的损坏。
关键词：高层建筑bull;长周期运动bull;振动台试验。
16.1引言
据历史资料记载，在日本西南部的俯冲带中，曾有超过8级的大型周期性海岭地震发生。图16.1a展示了一幅日本地图和一个叫做南开槽的海岭，沿着这三个区域深入分别是: 东井，东凯和南开。许多个世纪以来，这三个地区的滑移和断裂发生在100-150年的时间间隔内。众所周知, 这种地震在陆地上产生了长期地面运动, 特别是在 东京、名古屋和大阪等大城市的盆地地区 (Kamae 等. 2004)，而长周期面运动往往会引起高层建筑的共振。
T.Nagae()·T.Inoue·K.Kajiwara兵库地震工程研究中心，国家地球科学和灾害预防研究所，1501-21 Nishikameya，Mitsuta，Shijimi，Miki，Hyogo 673-0515，日本电子邮件：Nagae@bosai.go.jpdinoue@bosai.go.jp；Kaji@bosai.go.jp
中岛灾害预防研究所(DPRI)，京都大学，Gokasho，Uji，日本京都，电子邮件：Nakashima@Archi.kyoto-u.ac.jp
M. Fischinger (ed.)，基于性能的地震工程学:地震的表现。
弹性学会，岩土工程，地质和地震工程32。
DOI 10.1007 / 978 - 94 - 017 - 8875 - 5 - __16,copy;Springer ScienceCBusiness媒体2014年多德雷赫特
图16.1(A)日本预计发生的海岭地震；(B)位于东京都地区的办公楼
建筑的基本自然振动周期是几秒钟。由于高层建筑在日本经济中扮演着非常重要的角色(图16.1b)，对他们的损坏将对整个日本造成极大的危害。本研究采用E-Defense技术对高层钢结构进行了一系列大型振动台试验。2008年的时候，我们对高层钢结构房屋进行了抗震性能试验，并于2009年对高层钢结构进行了改造效果试验。此外，还核实了办公室和住宅房间由于楼层反应而造成的损坏以及对办公和住宅房间做了准备工作之后的效果。
16.2高层建筑的测试方法
日本在过去30年中建造的高层建筑的平均高度约为80米(2005年)。在本研究中我们选择了80米这个高度，并以一座21层的建筑作为本研究的原型。该建筑物的高度大约是E-Defense振动台设施可容纳的四倍(Ogawa等2001年)。本研究采用子结构试验方法，在电子防御工事振动台上对一座21层高层建筑的试件进行了振动试验(chung等等2010年)。图16.2显示了在21自由度的原始模型中的几个自由度内构造修改模型的过程。假定替代层中的三个质量层的反应代表了原模型的第九层、第十四层和第十九层的反应。图16.3展示了设计的试样。下面是测试框架，上半部分由厚混凝土板和橡胶轴承组成的三种替代层组成。试验框架在纵向和横向上有三跨。采用许用应力设计法确定构件尺寸，基底剪切比CB为0.12。在纵向上，布置了H 600 2009 19的加宽法兰截面，并配以车间焊接连接细节。在横向上，H 800199 1015的蜂窝截面与现场焊接连接细节相结合。
图16.2 从21层原型模型到试件的发展
图16.3 E-Defense测试样本(单位：毫米)：(A)高度-A，(B)高程-1，(C)设置概
在早期设计实践的基础上，我们选择了梁柱连接处的缝隙。现场焊接采用WUF-B. 柱与梁的强度比约为1.5.。每层均浇筑厚度为120 mm的钢筋混凝土板，橡胶轴承和钢阻尼器被放置在每个替代层，采用钢制阻尼器模拟上部的非线性变化应力，并对器件的刚度和强度进行了仔细的调整
图16.4白噪声振动试验结果：(A)传递函数曲线，(B)第一振型，(C)第二振型，(D)第三振型。
图16.4显示了在每个主要测试之前使用白噪声试验得到的试件前三种模式的频率和阻尼比。第一振型周期在纵向和横向分别为2.13和2.24 s. 对于试件的前三种模式形状，第一层、第二层和第三层替代层被绘制在原型的等高处，这也说明了在第九层、第十四层和第十九层也在原型的等高处。那么对这三种模式进行比较，我们得到的结果是非常合理的。
图16.5显示了输入波的时程和速度响应谱。对于长周期地面运动，试验中采用了两种合成波。我们在川崎的一个站点上测试到了HOG波(PGVD0.40 m/s)。在东京附近，测试到的TOKAI波波谷是断裂的。而在名古屋遗址测试到的SAN波(PGVD0.51 m/s)同时发生断裂。
图16.5(a)输入波的时间历史、(b)伪速度响应谱。（c）波:纵向方向和横向方向。
Tokai和Tonankai的凹槽的形成是顺理成章的。这里的两种波的主要周期分别为3s和320 s左右，持续时间分别为200 s和320 s。在非弹性试件的2.4 s周期内，HOG波的振幅约为EL2波的1.2倍。这种波的PGV上升了0.5m/s,并被用于日本的高层建筑抗震设计中。而SAN波比EL2波大两倍。试验中依次应用EL2波、HOG波和SAN波。
16.3 高层钢结构的抗震性能
图16.6显示了测试框架第二层的时间历史。对于EL2波，层间最大漂移略小于其设计极限0.01 rad。对于HOG波和SAN波，最大层间漂移分别为0.011 rad和0.017 rad. 然而，在长周期输入波中，两种波多次出现了0.01 rad以上的层间漂移。图16.7显示了在每次测试中对测试样本的输入能量，在200到320秒的时间里，试样在受HOG波和SAN波时具有的的能量是受EL2波时的能量的四倍以上。
我们将层间延性比定义为层间最大位移除以层间屈服位移. 在纵向和横向，计算出层的屈服漂移角分别为0.0055和0.0045 rad。层间累积塑性变形比定义为各层的总耗能量除以层屈服漂移和相应的层间剪力的乘积(Akiyama 2002)。测试中这两者都达到了他们在第二层的最大值。我们在EL2波和HOG波中观察到的数值约为2，而在SAN波中所观察到的值约为3。另一方面，HOG波和SAN波的反射值分别是EL2的4倍和15倍。在长周期输入波中，两种波的相对值相差较大，其对比结果是非常显著的。
图16.6 ：第二层测试框架(纵向方向)的层间漂移
图16.7 试件总输入能量(纵向方向)
图16.8 (a)现场焊缝的梁端弯矩与旋转关系。(b)剪切板在WUF-B连接中的滑动(uds:上层，lds:较低水平)
在SAN波的第一次测试中，断裂发生在三梁端连接处，（wuf-b）在横向方向排列，WUF-B断裂发生在焊缝边界附近的焊缝入口孔附近. 试验中我们观察到在焊缝边界旁边的其他非骨折连接焊接孔也多处有裂纹。在焊接连接放置的纵向方向上没有明显的损坏，观察到最终，两个方向的纵向试验对焊接车间连接断裂了。图16.8a显示了弯矩（M）与转角在梁端的场weldwuf-b连接中的关系。底部法兰在旋转约0.01 rad时断裂。在正弯过程中，剪切板和腹板连接的螺栓的抗折能力下降，而连接板和腹板的螺栓的阻力保持不变。由于钢筋混凝土楼板的复合效应，剪切板在靠底部水平的滑移上明显大于上部水平，如图16.8B所示。由于底翼缘的最大应变值明显大于上翼缘，由此可以得到，底翼缘断裂是由于这种复合效应和较大的累积非弹性变形引起的放大应变造成的。
16.4 高层钢结构改造的验证
16.4.1 梁与柱连接的加固
图16.9是增强的WUF-B连接(Chung et al. 2012)。对于补腹板焊接（SW）连接，该焊接应用于梁腹板对柱面以及补充角焊缝。焊接时，剪切片作为支撑板工作。至于翼板(WP)连接和垂直臀部(VH)连接，因为钢筋混凝土楼板的存在，我们对它的改造仅限于底部。我们将翼板的宽度扩大到柱宽，以尽量扩大下翼缘截面。首先立式凸模被螺栓固定在剪切板上，该剪切板是预先焊接到底部上的。然后，采用凸模对柱焊缝和凸模-梁底焊接。这样做为了将凸缘扩大到于柱宽相同的尺寸大小，从而将力传递到柱上。试验中配置了沿梁向450 mm的凸模长度，当凸缘与柱面之间的焊缝达到最大拉力时，梁底与凸模腹板之间的剪力传递将得到保证。其腰部尺寸最小，重量约为30 N，可由人携带。这些连接的变形能力通过连续测试得到了验证，测试直到它们断裂为止。图16.10显示了加筋连接和未加固连接的测试结果。这些加固方法大大提高了现场焊接接头(原WUF-B)的变形能力。
图16.9加筋场焊缝梁柱连接：(A)辅助腹板焊接(SW)连接，(B)翼板连接(WP)连接，(C)垂直后凸(Vh)连接(单位：毫米)。
图16.102008年试验中未加筋车间焊缝和现场焊接接头的累积塑性旋转能力和2009年试验中的加筋焊接接头的累积塑性旋转能力
图16.11减振器改造试验系列
16.4.2 减震器改造
图16.11是用阻尼器进行改造的测试概念。在用钢阻尼器改造的案例I和案例Ⅱ中，我们在下部钢框架中加入了屈曲约束支撑阻尼器，并采用模型钢阻尼器作为替代层。在用油阻尼器进行改造的案例III中，则在下部钢框架中加入了斜撑中的油阻尼器。图16.12是钢阻尼器和油阻尼器的纵向力与变形的关系(FD-d关系)。在SAN波中，阻尼器的滞回耗能使试件的最大层间漂移角减小到0.01 rad以下。
图16.13a是输入波的能谱。光谱是由具有阻尼比10%的弹性SDOF给出。SAN波在3s左右表现出优势震级，EL2波呈平缓型。以案例I、案例Ⅱ和案例Ⅲ以及无阻尼器为特征的测试样本的总输入能量与在这种格式下的各个自然周期的估计值相对应，即可以用能谱合理地估计长周期地震动的地震需求。各输入能量主要分布在测试框架中。也说明了可以用能谱合理地估计长周期地震动的地震需求。如图16.13b所示，在测试框架中，超过70%的 能量被钢阻尼器或油阻尼器吸收。至于BRB阻尼器，它累积非弹性应变能力估计约为前面的两种阻尼器的10倍。 比SAN波的地震需求还要大。
图16.12 SAN波阻尼器的滞回特性：(A)钢阻尼器(例II)，(B)油阻尼器 (案件三)
图16.13 (A)能量谱；(B)试验框架和阻尼器的能量耗散
16.5 高层建筑房屋安全
我们对高层建筑中家具的性能进行了研究.。对家具的测试的想法是由对防灾的启示所产生的。长周期、长时间的震动可能会袭击到高层建筑，这会产生很大的楼层响应.。这些反应会对非结构元素、家具和其他建筑物内物会造成严重损害，特别是在高层建筑的上层。该试件产生的楼层响应相当于顶层第十九层的替代层所产生的楼层响应。图16.14a是震动测试样本的概述，图16.14b是基准面的SAN波输入运动和顶板层的楼层响应。除地震准备外，我们在试件的屋顶水平面上设置了几乎相同的一对试验。试验的结果显示顶板水平位移幅值为基准面位移幅值的5倍。
图16.15是准备好的和未准备好的住宅房间的测试结果，这些测试结果是很明显的。在未准备好的房间里，测试对其内部造成了重大损害，而用特殊工具准备的房间只有轻微的损坏。在高层建筑的楼面响应中，由于最大加速度和较大的速度，高宽比较大的细长货架和冰箱被翻转过来，而小摩擦系数的木家具和脚轮支撑的家具，由于地面位移大，继续大范围滑动。从这些测试结果来看，在防震准备中迫切需要夹紧家具，以防止倾覆和滑动变得明显。我们在这里采取的战略是向公众传播关于这些未知因素的信息，如图16.16所示。录像中所代表的准备好的房间和未准备好的房间之间的对比将很好的说明筹备工作的必要性。这些数据文件是经过编辑的，可以供学校、会议等使用。数据文件现在在NIED网站上打开(图16.17)。
图16.14 (A)试验样本概览；(B)屋顶和基座水平的楼板反应
图16.15 住宅房间的测试结果：(A)无准备房间的初始条件为0s；(B)无准备房间的损坏为130 s；(C)预备房的损坏为130 s。
图16.16 视频数据在防灾教育中的应用
图16.17 下载地址：
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