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摘要：廣州新電視塔是采用鋼結(jié)構(gòu)外框筒和鋼筋混凝土核心筒組成的筒中筒結(jié)構(gòu)體系，外框筒由斜向布置的鋼管混凝土柱、鋼管斜撐以及傾斜放置的環(huán)向鋼管構(gòu)件構(gòu)成。...

廣州新電視塔細(xì)腰段整體模型穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

郭彥林 劉祿宇 王永海 林冰 潘漢明 梁碩

清華大學(xué)，北京  l00084 廣州新電視塔建設(shè)有限公司 廣東廣州  510310

引言

    廣州新電視塔總建筑面積約l0萬(wàn)余㎡，總投資約22億元。塔高610m，其中塔身主體高度450m，桅桿天線(xiàn)高160m，建成后將成為世界第一高塔，也是廣州市標(biāo)志性建筑。塔身每一層皆呈現(xiàn)出豐富、有趣的空間體驗(yàn)和光影效果(見(jiàn)圖l)，從不同的方向看，都會(huì)表現(xiàn)出不同的形態(tài)，其優(yōu)美造型綜合考慮了美學(xué)雕塑效果、結(jié)構(gòu)受力和城市規(guī)劃等多項(xiàng)因素。

 

    整個(gè)結(jié)構(gòu)采用筒中筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外框筒由斜鋼管混凝土立柱、鋼斜撐和鋼環(huán)梁組成。該結(jié)構(gòu)由組成外框筒平面的基本元素——橢圓自下而上連續(xù)變化并且沿順時(shí)針?lè)较蛐�轉(zhuǎn)45°而成，其中基本橢圓(標(biāo)高-10m)長(zhǎng)短軸尺寸為80m×60m，頂部橢圓(標(biāo)高450m)尺寸為54m×40.6m，中間“細(xì)腰”部分最小尺寸為(標(biāo)高278.8m)27.5m×20.6m(見(jiàn)圖2)。外框筒節(jié)點(diǎn)形式新穎，立柱與斜撐連接節(jié)點(diǎn)和立柱與環(huán)梁連接節(jié)點(diǎn)未交叉在同一點(diǎn)，環(huán)梁節(jié)點(diǎn)存在偏心，并不在一個(gè)平面內(nèi)(見(jiàn)圖3)。

    廣州新電視塔的一個(gè)突出特點(diǎn)是整個(gè)塔身細(xì)長(zhǎng)、細(xì)腰及扭腰，呈兩端大中間小的形狀；另一特點(diǎn)是沿塔體高度方向設(shè)有多處通高的空間，在相應(yīng)范圍內(nèi)，外框筒完全透空，不設(shè)玻璃幕墻等維護(hù)結(jié)構(gòu)，且外框筒和核心筒之間沒(méi)有任何連接，處于相互獨(dú)立的狀態(tài)，透空區(qū)的布置如圖4所示。其中“細(xì)腰”部分的透空區(qū)高達(dá)166.4m，底部透空區(qū)高度達(dá)52m，除了在細(xì)腰段透空區(qū)的內(nèi)外筒之間設(shè)置有4道水平徑向支撐外，其他透空區(qū)的內(nèi)外筒之間不設(shè)任何水平支撐構(gòu)件。透空區(qū)域的外框筒立柱在環(huán)向(面內(nèi))由與之相鄰的環(huán)梁和斜撐提供約束，而在面外僅靠環(huán)梁的環(huán)箍作用提供支撐，因而易發(fā)生沿著面外的群柱失穩(wěn)。因此，透空區(qū)群柱的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)成為外框筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的突出問(wèn)題之一。

    由于目前學(xué)者對(duì)群柱失穩(wěn)的破壞機(jī)理研究不多，群柱失穩(wěn)的設(shè)計(jì)方法也不成熟，而群柱穩(wěn)定承載力大小是整個(gè)工程結(jié)構(gòu)是否安全的關(guān)鍵。為了給高塔的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供依據(jù)，受廣州新電視塔工程建設(shè)指揮部的委托，清華大學(xué)承擔(dān)了“底部透空區(qū)群柱”和“細(xì)腰段整體模型”兩部分的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究工作，本文的重點(diǎn)是細(xì)腰段試驗(yàn)研究。

    通過(guò)細(xì)腰段整體模型穩(wěn)定性試驗(yàn)，可獲得在恒定軸力和水平風(fēng)荷載作用下細(xì)腰段的彈塑性穩(wěn)定極限承載力，并考察其破壞模態(tài)及破壞機(jī)理；研究在設(shè)計(jì)荷載作用下細(xì)腰段外框筒結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，揭示廣州新電視塔結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)；研究細(xì)腰段外框筒鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的屈服以及破壞順序，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的合理性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全儲(chǔ)備，為廣州新電視塔細(xì)腰段外框筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。試驗(yàn)地點(diǎn)為清華大學(xué)土木工程系工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室。

1、細(xì)腰段試驗(yàn)對(duì)象的選取

    整個(gè)細(xì)腰段結(jié)構(gòu)包括鋼外框筒、鋼筋混凝土核心筒、連接兩者的四道水平徑向撐桿和頂、底部組合樓面，總高度為l66.4m，底、頂部標(biāo)高分別為l68.0m、334.4m，四道徑向撐桿的標(biāo)高分別為204.4m、235.6m、266.8m、298.0m，將細(xì)腰段劃分為3—1～3—5共5個(gè)區(qū)域。徑向撐竿、樓層主梁均與外框筒立柱、核心筒鋼骨連接，連接形式采用鉸接節(jié)點(diǎn)。

    整體結(jié)構(gòu)屈曲分析結(jié)果表明，細(xì)腰段透空區(qū)3—1～3—3外框筒鋼結(jié)構(gòu)易發(fā)生群柱失穩(wěn)，屈曲變形為沿結(jié)構(gòu)豎向分布在樓層或水平徑向支撐層之間的多個(gè)半波形屈曲(見(jiàn)圖5)。細(xì)腰段外框筒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制因素，故選定高塔最為不利的細(xì)腰段中三段結(jié)構(gòu)(168.0～266.8m)作為試驗(yàn)研究對(duì)象。鑒于結(jié)構(gòu)原型尺寸巨大，因此將針對(duì)其縮尺模型進(jìn)行整體穩(wěn)定承載力試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶�括外框筒、核心筒、連接兩者的三道水平徑向撐桿，其中外框筒是主要研究對(duì)象，此外在模型頂部和底部設(shè)置了加載盤(pán)，以方便荷載的施加，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x取如圖6所示。

    能否通過(guò)模型試驗(yàn)準(zhǔn)確地模擬細(xì)腰段在整體結(jié)構(gòu)中的受力，并實(shí)現(xiàn)外框筒作為主要研究對(duì)象，取決于位移邊界條件的模擬和荷載組合的確定。

    確定立柱柱頂、柱腳位移邊界條件考慮以下兩方面因素：在整體結(jié)構(gòu)中，外框筒立柱在細(xì)腰段底部(168.0m)位置與剛性樓層連接；此外，靜力分析結(jié)果表明，對(duì)于外框筒這樣的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其立柱的受力以軸力為主。綜合以上兩點(diǎn)，立柱柱頂、柱腳分別與頂、底部加載盤(pán)鉸接連接(見(jiàn)圖7)，同時(shí)考慮到外框筒是主要研究對(duì)象，因此頂部加載盤(pán)僅和外框筒連接，而核心筒僅提供抗側(cè)剛度。

    原結(jié)構(gòu)核心筒平面為橢圓形，內(nèi)設(shè)6部電梯，墻體包括外墻和內(nèi)墻，墻厚沿高度變化，且平面布置復(fù)雜，試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以嚴(yán)格按照比例縮尺，因此考慮對(duì)核心筒進(jìn)行簡(jiǎn)化。核心筒非主要試驗(yàn)研究對(duì)象，僅提供抗側(cè)剛度，因此其簡(jiǎn)化模型可按照彎曲剛度等效的原則確定。此外，為了反映下部結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)腰段核心筒的約束作用，核心筒與底部加載盤(pán)的連接采用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧模擬 (見(jiàn)圖7b)。確定核心筒自身彎曲剛度和底部彈簧剛度的分析思路和計(jì)算假定如下：整體結(jié)構(gòu)在168.0m處設(shè)有樓層，內(nèi)外筒之間的連接符合剛性層假定，可將細(xì)腰三段原型的核心筒(168.0～266.8m)和下部結(jié)構(gòu)(包括內(nèi)外筒)等效為一根變截面懸臂柱(見(jiàn)圖8a)。通過(guò)計(jì)算分析確定核心筒的彎曲剛度及下部結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)段的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度。細(xì)腰三段原型的核心筒頂部和底部的相對(duì)變形△3(見(jiàn)圖8b)可分解為柱腳受轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧約束的剛性桿的頂部剛體位移△4(見(jiàn)圖8e)和柱腳剛接的核心筒的頂部變形△5(見(jiàn)圖8a)之和。首先通過(guò)水平力作用下變截面懸臂柱的分析(見(jiàn)圖8a)可得到相對(duì)變形△3；然后通過(guò)水平力作用下柱腳剛接的核心筒的分析得到核心筒的變形△5(見(jiàn)圖8a)，并可換算核心筒彎曲剛度；而剛體位移△4=△3-△5，核心筒轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧剛度由圖8(c)所示公式計(jì)算得到。

    實(shí)際結(jié)構(gòu)中內(nèi)外筒共同承擔(dān)豎向荷載和水平荷載，豎向荷載包括恒荷載和活荷載，水平荷載由風(fēng)荷載或地震作用產(chǎn)生。在廣州地區(qū)，水平荷載中風(fēng)荷載起控制作用。對(duì)于廣州新電視塔這樣體形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其承受的風(fēng)荷載相當(dāng)復(fù)雜，隨時(shí)間千變?nèi)f化；盡管豎向荷載隨時(shí)間也是變化的，但相對(duì)于風(fēng)荷載而言，荷載值的變化幅度較小。基于以上兩點(diǎn)，同時(shí)考慮到本試驗(yàn)為穩(wěn)定性能試驗(yàn)，因此將試驗(yàn)荷載工況確定為恒定豎向荷載，而變化風(fēng)荷載、風(fēng)荷載方向取為最不利荷載工況。

    對(duì)于細(xì)腰段內(nèi)外筒而言，豎向荷載的作用可簡(jiǎn)化為內(nèi)外筒各自承擔(dān)的軸力，而風(fēng)荷載的作用則簡(jiǎn)化為各自承擔(dān)的彎矩和剪力。對(duì)于豎向荷載，經(jīng)縮尺后試驗(yàn)?zāi)Ｐ统惺艿膬?nèi)外筒軸力的合力超過(guò)了試驗(yàn)設(shè)備的加載能力；此外，核心筒按照彎曲剛度等效后其軸向剛度的模擬已失真，若試驗(yàn)中考慮內(nèi)外筒共同承受豎向荷載，那么兩者分擔(dān)豎向荷載的比例必然與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符。鑒于以上兩點(diǎn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ统惺艿呢Q向荷載僅取為外框筒分擔(dān)的軸力Ⅳ。另外考慮到外框筒作為主要試驗(yàn)對(duì)象，而核心筒僅提供抗側(cè)剛度，試驗(yàn)中通過(guò)模型邊界條件的處理使得軸力和彎矩全部由外框筒承擔(dān)，而剪力由內(nèi)外筒共同承擔(dān)。因此，試驗(yàn)?zāi)Ｐ统惺艿暮奢d包括豎向荷載產(chǎn)生的外框筒軸力Ⅳ、水平風(fēng)荷載產(chǎn)生的外框筒彎矩M和內(nèi)外筒合剪力v。

2、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)、制作、安裝

    根據(jù)相似性原理以及試驗(yàn)原型穩(wěn)定極限承載力分析結(jié)果，在保證試件與實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料、幾何尺寸、荷載、邊界條件等盡可能相似的條件下，綜合考慮加載方式、試驗(yàn)設(shè)備的加載能力等影響因素，最終將試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比例確定為1：15e。

    經(jīng)縮尺，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼�體高度為6590mm，頂、底部橢圓長(zhǎng)短軸尺寸分別為2410mm×1380mm和3080mm×1940mm，兩橢圓長(zhǎng)軸夾角為12°。

    模型構(gòu)件數(shù)目眾多，且結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，構(gòu)件多為傾斜設(shè)置，經(jīng)縮尺后截面尺寸小，構(gòu)件間距很窄，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜，一般的平面圖難以表達(dá)清楚。因此，利用AutoCAD圖形仿真軟件按1：1比例繪制了精細(xì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图凹虞d裝置三維圖，以精確反映構(gòu)件的空間位置關(guān)系。實(shí)踐證明，這給模型的設(shè)計(jì)、制作和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工作帶來(lái)了極大的便利。圖9為試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿�維圖。

    細(xì)腰段外框筒構(gòu)件(立柱、鋼斜撐、鋼環(huán)梁等)截面尺寸按照l：15的縮尺比例進(jìn)行縮小，同時(shí)兼顧實(shí)際加工中對(duì)鋼板厚度的要求而取定(見(jiàn)表l)。

    模型中核心筒的彎曲剛度和柱腳彈簧的轉(zhuǎn)角剛度按縮尺比例縮小取定，核心筒按剛度等效原則取鋼管截面為630mm×20mm(Dxt)的鋼管混凝土柱，其柱腳彈簧取高度為400mm的雙工字型截面(規(guī)格為200mm×1000mm×40mm×60mm)短柱段(見(jiàn)圖loa)。

    模型構(gòu)件長(zhǎng)度和截面尺寸小，構(gòu)件間距小，這給節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和加工帶來(lái)了很大的難度。試驗(yàn)中立柱柱頂及柱腳和頂、底部加載盤(pán)的連接節(jié)點(diǎn)若采用完全的鉸  接節(jié)點(diǎn)，如萬(wàn)向鉸，通常會(huì)因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)制作和安裝誤差，節(jié)點(diǎn)存在間隙，試驗(yàn)加載過(guò)程中部分立柱會(huì)吃空而其余立柱超載，導(dǎo)致荷載分配與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符。因此，將節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為變截面十字插板連接(見(jiàn)圖l0b)，插板截面較大一端與立柱封板焊接，較小一端與加載盤(pán)焊接。相對(duì)于立柱而言，十字插板彎曲剛度較小，節(jié)點(diǎn)近似為鉸接。

    徑向撐桿是連接外框筒和核心筒的重要構(gòu)件，加載盤(pán)僅和外框筒連接，水平力首先傳到頂部加載盤(pán)上，然后通過(guò)撐桿從外框筒傳遞到核心筒。為保證外框筒和核心筒共同承擔(dān)水平力，試驗(yàn)中加大了頂部徑向撐桿的截面尺寸。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，撐竿與外框筒立柱、核心筒節(jié)點(diǎn)采用鉸接連接。此外，為了保證豎向荷載僅由外框筒承擔(dān)，而不通過(guò)撐桿傳遞到核心筒，因此要求節(jié)點(diǎn)豎向必須能夠轉(zhuǎn)動(dòng)。基于以上兩點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中采用變截面一字板連接，且一字板平放(見(jiàn)圖  10c)，以弱化其豎向彎曲剛度。相對(duì)于撐桿而言，一字板彎曲剛度較小，因此該節(jié)點(diǎn)可認(rèn)為是鉸接節(jié)點(diǎn)。對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧系倪x用，鋼材的牌號(hào)為Q345b，鋼管材性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2；立柱鋼管混凝土采用細(xì)石混凝土，標(biāo)號(hào)為C60，立方體抗壓強(qiáng)度平均值為60.4 MPa，與原型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料強(qiáng)度等級(jí)一致，材性試驗(yàn)結(jié)果顯示鋼材和混凝土均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求.

    試件鋼結(jié)構(gòu)加工由江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司完成，加工工作包括試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鳌⒓虞d架及加載盤(pán)的制作和預(yù)拼裝，現(xiàn)場(chǎng)加工情況見(jiàn)圖ll。

    混凝土澆筑和試驗(yàn)?zāi)Ｐ图凹虞d架現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作(見(jiàn)圖l2)在清華大學(xué)工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成。混凝土澆筑包括立柱、核心筒和頂部及底部加載盤(pán)混凝土澆筑，現(xiàn)場(chǎng)拼裝工作包括加載盤(pán)現(xiàn)場(chǎng)拼裝、模型就位及二次焊接和加載架現(xiàn)場(chǎng)拼裝.

3、加載方案

    3.1加載方式及加載裝置

    荷載參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的最不利風(fēng)荷載工況(1.2恒荷載+1.4風(fēng)荷載+0.98活荷載)下的設(shè)計(jì)內(nèi)力取定，最后簡(jiǎn)化為軸力Ⅳ和力臂為e的水平推力日(見(jiàn)圖l3a)，荷載值按比例縮尺。

    其中，軸力作用點(diǎn)為外框筒模型頂部橢圓中心，水平力沿著X軸方向，且作用線(xiàn)通過(guò)頂部橢圓中心，荷載與坐標(biāo)軸位置關(guān)系見(jiàn)圖l3(b)。

    試驗(yàn)加載裝置如圖l4、圖l5所示。軸力Ⅳ由千斤頂施加，千斤頂在加載方向與加載梁之間可以保持滑動(dòng)。為適應(yīng)軸力的加載，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了豎向自平衡的承力架，通過(guò)承力架立柱拉力和油壓千斤頂加載壓力保持平衡。承力架總高度達(dá)l2m，包括四根承力架立柱、四根連梁和一個(gè)加載梁。在承力架頂部，加載梁通過(guò)連梁與立柱連接，立柱柱腳與底部加載盤(pán)連接，而底部加載盤(pán)通過(guò)絲杠固定在試驗(yàn)臺(tái)座上。試驗(yàn)加載過(guò)程中豎向千斤頂反力首先傳遞給與之相連的加載梁，然后通過(guò)連梁傳遞到四根承力架立柱，底部加載盤(pán)承受的荷載包括承力架立柱傳遞過(guò)來(lái)的拉力和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡鬟f過(guò)來(lái)的壓力，兩者相等，因而承力架豎向保持自平衡。

    考慮到水平力與模型頂面有一定的偏心作用，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚敳考虞d盤(pán)位置設(shè)置了水平力加載框架，水平力日通過(guò)固定在反力墻上并聯(lián)的兩臺(tái)作動(dòng)器作用于加載框架橫梁的跨中。試驗(yàn)采用位移加載，水平反力全部由反力墻承擔(dān)。此外，由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)形心軸沿高度是一個(gè)空間曲線(xiàn)，在水平力作用下，結(jié)構(gòu)不僅在水平力作用方向（X方向)產(chǎn)生位移，同時(shí)垂直于水平力方向，即y方向也產(chǎn)生位移。為適應(yīng)結(jié)構(gòu)雙向水平位移，在加載端專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了雙向滑動(dòng)裝置。千斤頂與承力架加載梁沿加載方向（X方向)的滑移可通過(guò)滑軌來(lái)實(shí)現(xiàn)，而千斤頂與頂部加載盤(pán)在垂直加載方向(y方向)的滑動(dòng)可通過(guò)設(shè)置在加載盤(pán)上的滑車(chē)實(shí)現(xiàn)，如圖l6所示。滑車(chē)由并聯(lián)的11根滾軸組成，滾軸經(jīng)淬火處理，以增加硬度，保證在承受較大壓力情況下而不至于壓扁。試驗(yàn)中滑車(chē)和頂部加載盤(pán)連接處將不可避免地存在摩擦力，將對(duì)承力架立柱產(chǎn)生一定的水平力作用，因此通過(guò)頂部和底部的兩道水平鋼拉桿將承力架固定于反力墻上，以避免承力架產(chǎn)生水平變形，保證加載安全。

    3.2加載制度

    試驗(yàn)采用一次單調(diào)靜力加載，加載過(guò)程見(jiàn)圖17。

    因校驗(yàn)測(cè)試儀器調(diào)零的原因，預(yù)加載階段往往需反復(fù)施加l到2次。預(yù)加載施加25％的設(shè)計(jì)軸力Ⅳ以及適當(dāng)?shù)乃�平推�?/span>H，檢查并調(diào)試加載裝置和測(cè)試儀器。正式加載分三階段進(jìn)行，為研究在設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的受力，第一階段首先施加軸力至設(shè)計(jì)值 N=4200kN，然后恒定軸力施加水平力至設(shè)計(jì)值 H=240kN；第二階段恒定軸力，施加水平力H至部分立柱開(kāi)始進(jìn)入屈服，以測(cè)試外框筒鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服順序和彈性極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的日值，因?yàn)榱⒅�是結(jié)構(gòu)最重要的受力構(gòu)件，故將立柱開(kāi)始進(jìn)入屈服的狀態(tài)作為整體結(jié)構(gòu)達(dá)到彈性極限的標(biāo)志；第三階段繼續(xù)施加水平力直至結(jié)構(gòu)破壞。

    為確保加載的順利進(jìn)行，加載過(guò)程中選取部分位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)荷載一位移曲線(xiàn)和應(yīng)變的發(fā)展情況，特別是在結(jié)構(gòu)接近破壞時(shí)，以便臨時(shí)調(diào)整加載速度。

4、測(cè)試方案

    試驗(yàn)主要測(cè)試內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)的整體變形，全過(guò)程荷載位移曲線(xiàn)及穩(wěn)定極限承載力；局部變形發(fā)展過(guò)程，關(guān)鍵部位的荷載位移曲線(xiàn)及破壞模態(tài)；關(guān)鍵部位的應(yīng)變；立柱柱頂、柱腳截面的軸力及變化，不利立柱的穩(wěn)定極限承載力。

    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)三部分共同組成，測(cè)量位移、應(yīng)變、荷載等物理量的傳感器均為電測(cè)傳感器。

    由于在加載過(guò)程中模型產(chǎn)生雙向位移，變形較大，若采用位移計(jì)探針直接頂在構(gòu)件位移測(cè)點(diǎn)上的傳統(tǒng)位移測(cè)試方法，一個(gè)方向的位移會(huì)導(dǎo)致另一方向位移計(jì)探針偏移甚至滑脫，測(cè)量誤差大，甚至測(cè)量失敗，無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)試要求。因此專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了位移線(xiàn)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖l8)，其構(gòu)造及工作原理如下：鋼絲連接構(gòu)件測(cè)點(diǎn)，然后經(jīng)滑輪導(dǎo)向后與位移計(jì)一端連接，位移計(jì)另一段則掛有重物，以使得鋼絲處于張緊狀態(tài)，因此加載過(guò)程中測(cè)點(diǎn)的位移和位移計(jì)探針的滑動(dòng)位移相同。導(dǎo)向滑輪和位移計(jì)固定在經(jīng)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的測(cè)試架上，測(cè)試架與固定在試驗(yàn)臺(tái)座上的底部加載盤(pán)連接，盡管試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)試架都與底部加載盤(pán)連接，但加載過(guò)程中底部加載盤(pán)位移為零，因此模型和測(cè)試架的變形是相互獨(dú)立的，滿(mǎn)足測(cè)試要求。

    頂部加載盤(pán)的位移可反映結(jié)構(gòu)頂部整體變形情況，加載盤(pán)剛度很大，可認(rèn)為是剛體。試驗(yàn)中在加載盤(pán)下表面不共線(xiàn)的3個(gè)點(diǎn)共布置了9個(gè)位移計(jì)，可得到加載盤(pán)剛體位移。參考數(shù)值分析結(jié)果，在可能發(fā)生較大局部變形區(qū)域的立柱上均布置了x、y兩個(gè)方向的位移計(jì)(見(jiàn)圖l9)，以測(cè)量立柱的局部變形。在核心筒柱腳彈簧端板沿x軸方向設(shè)置了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，以測(cè)試Z方向位移，在忽略端板變形的情況下，可換算出彈簧的轉(zhuǎn)角位移。

    24根立柱柱頂和柱腳每一截面均布置了4個(gè)應(yīng)變片(見(jiàn)圖20)，以測(cè)試立柱軸力的變化，同時(shí)可判斷立柱在加載過(guò)程中的撓曲方向。此外，在可能的破壞區(qū)、水平徑向撐桿、核心筒柱腳彈簧等部位均布置了應(yīng)變片測(cè)試應(yīng)力的分布和變化。

5、試驗(yàn)結(jié)果及分析

    各加載階段主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。加載過(guò)程中整體結(jié)構(gòu)位移主要方向?yàn)?/span>x方向，方向位移較小。加載盤(pán)位移測(cè)試結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形很小，位移以平動(dòng)為主。

    在設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)下，外框筒所有構(gòu)件都處于彈性受力狀態(tài)，本文僅列出立柱、斜撐、環(huán)梁中應(yīng)力絕對(duì)值最大的構(gòu)件水平推力一應(yīng)變曲線(xiàn)(見(jiàn)圖21～圖23)。此時(shí)所有立柱都處于受壓狀態(tài)，且受力以軸力為主，絕大部分立柱軸力值在150～205kN之間，其中20號(hào)立柱軸力最大，立柱柱頂軸力分布與立柱的設(shè)計(jì)軸力分布較吻合(見(jiàn)圖24)，說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷氖芰�可以模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力。

    在施加第二階段荷載過(guò)程中，模型底部斜撐(見(jiàn)圖25)首先屈服，而后20號(hào)立柱柱腳受壓開(kāi)始進(jìn)入屈服，此時(shí)水平推力值H=920 kN，為設(shè)計(jì)值的3.83倍。外荷載作用下斜撐先于立柱屈服，符合結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。在水平力施加過(guò)程中，相對(duì)于外框筒而言，核心筒分擔(dān)的水平力較小。在三道徑向撐竿傳遞的水平力作用下，核心筒柱腳彈簧的彎矩內(nèi)力最大，且其截面小于核心筒鋼管混凝土截面，因此整個(gè)核心筒中彈簧的應(yīng)力最大。水平推力一核心筒柱腳彈簧應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖26，第二階段荷載施加結(jié)束時(shí)彈簧應(yīng)變遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)變，由此可推斷整個(gè)核心筒處于彈性受力狀態(tài)。外框筒先于核心筒屈服，說(shuō)明外框筒是主要抗側(cè)力體系。此外，應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明，彈簧拉壓兩側(cè)應(yīng)變絕對(duì)值基本相等，說(shuō)明彎矩作用產(chǎn)生的軸向應(yīng)力是主要的，而彈簧合軸力近似為零，豎向荷載全部由外框筒承擔(dān)，由此可見(jiàn)試驗(yàn)邊界條件很好地實(shí)現(xiàn)了外框筒作為主要研究對(duì)象的試驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

    隨著水平推力的增加，受壓區(qū)中的16～22號(hào)立柱底部最終發(fā)生了群柱失穩(wěn)破壞，該區(qū)域的立柱和斜撐(見(jiàn)圖27)在X方向出現(xiàn)了較大的鼓曲變形，失穩(wěn)破壞日寸結(jié)構(gòu)整體和局部變形情況如圖28、圖29所示.

 

    極限狀態(tài)時(shí)水平推力H=1785kN，即為設(shè)計(jì)值的1785/240=7.44倍。在軸力和水平力共同作用下，結(jié)構(gòu)整體變形為一壓彎懸臂柱的變形，結(jié)構(gòu)頂部位移最  大，同時(shí)破壞區(qū)立柱底部在水平力加載方向（X方向)發(fā)生了很大的變形。本文僅列出代表整體結(jié)構(gòu)變  形的頂部加載盤(pán)X、Y方向和破壞區(qū)部分立柱底部沿著主變形方向的荷載一位移曲線(xiàn)，見(jiàn)圖30～圖32。表4給出了破壞區(qū)各立柱柱頂試驗(yàn)極限軸力，其與設(shè)計(jì)軸力的比值均在2.4倍以上。

     圖33為水平推力一核心筒柱腳彈簧應(yīng)變和轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)。外框筒先屈服后，隨著水平力的增大，鄰近整體結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)時(shí)，核心筒柱腳彈簧截面開(kāi)始屈服，水平推力轉(zhuǎn)角位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性，極限狀態(tài)時(shí)彈簧實(shí)現(xiàn)了良好的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

6、群柱失穩(wěn)機(jī)理

    從結(jié)構(gòu)的破壞變形和荷載位移曲線(xiàn)可知，群柱失穩(wěn)屬極值點(diǎn)失穩(wěn)破壞。結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，往往是受壓最不利的部分構(gòu)件首先失穩(wěn)，然后帶動(dòng)周?chē)鷺?gòu)件發(fā)生失穩(wěn)，最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)喪失承載能力。各立柱柱頂  軸力一頂部加載盤(pán)位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖34，各立柱極限狀  態(tài)對(duì)應(yīng)的水平推力值見(jiàn)表4。立柱極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的水平推力值不同，反映了立柱失穩(wěn)的先后次序，在加載過(guò)程中20號(hào)和21號(hào)立柱先于其他立柱首先發(fā)生失穩(wěn)。這是因?yàn)椋涸谳S力和水平力共同作用下，所有立  拄中17—21號(hào)立柱離中和軸最遠(yuǎn)，因而軸壓力最大，受力最不利；相對(duì)而言，20號(hào)、21號(hào)立柱位于立柱底部曲面最平坦的區(qū)域，在水平力加載方向受到周?chē)鷺?gòu)件的約束作用最弱，因此這兩個(gè)立柱最容易失穩(wěn).

    對(duì)于單個(gè)立柱而言，其邊界條件為：柱腳鉸接．柱頂與加載盤(pán)鉸接連接，中間通過(guò)環(huán)梁和斜撐的連接而受到周?chē)�立柱的約束，此外還通過(guò)與核心筒連接的  三道徑向撐竿為立柱提供徑向支撐。因此，單根立柱雖為壓彎構(gòu)件，但受力非常復(fù)雜。

    結(jié)合20號(hào)、21號(hào)立柱的柱頂軸力一位移曲線(xiàn)，在初始施加水平力時(shí)構(gòu)件就產(chǎn)生彎益變形，立柱軸力隨撓度而增加，處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。隨后，在軸向壓力和彎矩共同作用下，立柱底部截面邊緣纖維開(kāi)始屈服，即進(jìn)入了彈塑性受力狀態(tài)，此時(shí)底部的斜撐也已經(jīng)屈服，剛度開(kāi)始下降，因而其對(duì)立柱的約束作用開(kāi)始變小，這同時(shí)導(dǎo)致了相鄰立柱對(duì)該柱支援作用變?nèi)酢ｋS著水平力的不斷增加，立柱底部截面塑性不斷向內(nèi)擴(kuò)展，立柱抗彎剛度不斷降低，x方向撓度逐漸加快，在整體結(jié)構(gòu)P-△效應(yīng)和立柱自身P-δ效應(yīng)共同作用下，附加彎矩增加，立柱彎曲凸面纖維壓應(yīng)變開(kāi)始減小，同一截面上的幾個(gè)邊緣纖維應(yīng)變隨荷載的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出分叉現(xiàn)象（見(jiàn)圖35、圖36)，隨后甚至出現(xiàn)拉應(yīng)變。當(dāng)立柱內(nèi)力抵抗矩的增長(zhǎng)小于外力矩的增長(zhǎng)時(shí)，內(nèi)外力矩?zé)o法平衡，因而發(fā)生極值點(diǎn)失穩(wěn)。立柱達(dá)到穩(wěn)定承載力的極限狀態(tài)。此后結(jié)構(gòu)水平力繼續(xù)增大，而這兩個(gè)失穩(wěn)立柱分擔(dān)的外荷載逐步減小，內(nèi)力出現(xiàn)重分布，荷載由其周?chē)�的立柱承�?dān)，因而17～19號(hào)立柱軸力不斷增大，最終發(fā)生極值點(diǎn)失穩(wěn)，形成群柱失穩(wěn)破壞，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定承載力的極限狀態(tài)。

    圖37給出了破壞區(qū)上部鄰近斜撐水平推力一應(yīng)變曲線(xiàn)。水平力初始施加時(shí)，該區(qū)域斜撐受壓，壓應(yīng)變隨荷載增大，隨著水平推力的增大，破壞區(qū)域構(gòu)件出現(xiàn)較大的局部變形，此時(shí)斜撐通過(guò)拉拽作用以約束破壞區(qū)局部變形的發(fā)展，因此軸壓力開(kāi)始減小，壓應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)由增大變?yōu)闇p小。

7、結(jié)論

    將細(xì)腰模型試驗(yàn)研究結(jié)果和細(xì)腰原型足尺結(jié)構(gòu)理論分析結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者極限承載力和荷載設(shè)計(jì)值的比值相當(dāng)，說(shuō)明模型試驗(yàn)研究得到的結(jié)論可推廣到足尺原型結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于指導(dǎo)實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

    通過(guò)對(duì)廣州新電視塔細(xì)腰段整體模型進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，達(dá)到了原定試驗(yàn)?zāi)康模�可以得到如下主要結(jié)論：

    (1)結(jié)構(gòu)最終的破壞形式為模型底部大片立柱的鼓曲破壞，屬極值點(diǎn)失穩(wěn)破壞，驗(yàn)證了廣州新電視塔結(jié)構(gòu)存在的群柱失穩(wěn)現(xiàn)象。通過(guò)試驗(yàn)研究揭示了群柱失穩(wěn)破壞的機(jī)理，為細(xì)腰段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的理論研究提供了試驗(yàn)依據(jù)。

    (2)獲得了整體模型及不利立柱的穩(wěn)定極限承載力和全過(guò)程的荷載位移曲線(xiàn)。極限狀態(tài)時(shí)的水平推力為設(shè)計(jì)值的7.44倍，破壞區(qū)各立柱的試驗(yàn)極限軸力

與設(shè)計(jì)軸力的比值均在2.4倍以上。

    (3)在設(shè)計(jì)荷載水平，所有構(gòu)件都處于彈性受力狀態(tài)。所有立柱都處于受壓狀態(tài)，且受力以軸力為主，此時(shí)立柱的試驗(yàn)軸力與設(shè)計(jì)軸力分布較吻合。

    (4)揭示了外框筒鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服順序，加載過(guò)程中斜撐首先屈服，然后是立柱屈服，符合結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。

    (5)外框筒先于核心筒屈服，分擔(dān)了大部分水平力，是主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。

    江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司承擔(dān)了本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷匿摻Y(jié)構(gòu)加工制作工作，廣州新電視塔建設(shè)有限公司對(duì)試驗(yàn)提供了經(jīng)濟(jì)支持，在此表示衷心的感謝。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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