随着国民经济的快速发展，大量超高层建筑不断涌现，其建造阶段和使用期间的安全问题越来越受到关注^[1]。塔式起重机拥有工作效率高、适用范围广等优点。在超高层建筑施工过程中，塔式起重机可附着于核心筒向上爬升;若施工期间发生地震，建筑和塔式起重机间的动态耦合效应会影响塔式起重机^[2]。分析超高层建筑施工塔式起重机-结构体系地震响应，吉見雅行等^[3]对塔式起重机-结构体系缩尺模型进行振动台试验和数值分析，证实建筑结构放大了施工塔式起重机地震响应。郝可航等^[4]通过建筑-塔式起重机缩尺振动台试验进行减震控制研究，结果表明:阻尼器布置在塔式起重机的上支撑减震效果更明显。总结已有研究成果发现，目前对超高层建筑施工塔式起重机的研究没有考虑吊臂仰角对塔式起重机地震作用的影响及地震动不同方向激励下，对建筑-塔式起重机结构体系的影响。

该试验使用的加载设备为北京工业大学2.5m×2.5m三向六自由度振动台双台阵系统，主要性能参数如表1所示。其中，振动台台面螺栓孔规格M16-6H，螺孔深38mm，螺栓孔间距300mm×300mm，每个台面共7排7列49个螺栓孔。

考虑超高层建筑和施工塔式起重机过高及试验场地条件、振动台规格，设定几何相似比为1∶15^[5]。通过刚度等效原则，用Q235热轧型钢代替原有的钢筋混凝土材料，弹性模量取值为1，加速度幅值相似比取5。其中，塔式起重机按1∶15比例缩尺后，由于杆件截面过小无法实现，因此同样采用刚度等效原则，用相同材料的方钢管代替塔身、起重臂和平衡臂3部分。依据相似理论确定缩尺试验模型其他相似系数，试验相似比如表2所示。

本试验模型以超高层建筑施工至48层为背景，此时建筑物高201.7m，塔式起重机塔身高54m，起重臂长40m。经过1∶15比例缩尺后超高层建筑高13.4m。由于超高层高度过大，考虑实验室场地条件，若将原模型按较小比例缩尺，则塔式起重机截面过小导致试验结果不准确，因此需进一步简化设计模型。截取核心筒顶部附着塔式起重机的8个楼层做试验模型，将试验原型框架-核心筒等效为不同壁厚的钢板，下部40个楼层的水平刚度由等刚度橡胶支座提供。试验选用4350mm的天然橡胶支座，布置于模型下部四角处，竖向刚度为1 450kN/mm，支座处于纯剪切状态，水平刚度计算式如下，得支座水平刚度为650.95kN/m。模型底部四角安装橡胶支座提供水平刚度，实现试验模型与原模型的低阶频率吻合。

式中:K_h为水平刚度;G为剪切模量;T_r为钢板厚度;A为橡胶支座橡胶层横截面积。

对上部结构采用等效刚度原则，在原核心筒有限元模型x, y向和以Q235碳素钢为材料的核心筒有限元模型x, y向沿高度施加均布荷载，通过只改变Q235碳素钢为材料的核心筒壁厚，使作用点沿作用力方向的变形与原模型变形相差<5%。试验模型与原模型缩尺后低阶周期对比如表3所示。

结合本试验结构的受力特点及振动台试验的研究内容和目的，在结构体系地震响应较大、潜在易损区域的关键位置布置传感器测点。在吊臂端部布置拉线式位移计，在塔身顶部、平衡臂端部、吊臂中部、吊臂端部布置加速度传感器;在塔身中部、塔身顶部、平衡臂与塔身连接处、吊臂与塔身连接处、吊臂中部布置应变片，其中加速度传感器根据塔式起重机位置选择合适的加速度计，本试验采用的加速度计有三向加速度传感器 (A13T100型) 和991B型位移拾振器，试验采用的传感器如图1所示，传感器布置如图2所示。试验目的是测量塔式起重机吊臂、塔身和核心筒相应位置的位移、应力、加速度。

为研究超高层塔式起重机处于不同仰角时，地震作用对其产生的影响，假设结构体系处于二类场地，抗震设防烈度为8度，依据GB50011—2010《建筑抗震设计规范》^[6]选取合适的地震波。本试验采用的地震波均基于目标反应谱方法，从美国太平洋地震工程研究 (PEER) 数据库中选取3条短周期地震波 (EL-centro, Taft, chichi) 和3条长周期地震波 (NGA1498, NGA1494, NGA1202) ^[7]。将天然波按设计的时间相似比数值进行压缩，时间间隔0.001s，压缩后的地震波时程曲线如图3所示。

所选的6条地震波与规范反应谱对比情况如图4所示。

对上述地震波进行一致激励下结构地震响应的研究，激励方向分别采用x向 (平行塔式起重机吊臂) 、y向 (垂直塔式起重机吊臂) ，工况设置如表4所示。

本试验采用分级加载方式，地震波峰值取0.2g, 0.4g, 0.6g, 1.0g逐级加载，为说明吊臂在不同仰角下，地震波对其产生的影响，所选地震波激励强度为0.6g。

结构动力特性包括自振周期、自振频率、振型、阻尼等，研究结构的抗震性能首先要了解结构的固有动力特性^[8]。结构模型试验测试结构模态的方法有2种:人为激励与白噪声激励。由于结构体系比较刚，在人推力作用下很难克服摩擦，从而无法反映模型结构真实的模态信息。因此，模型试验通过白噪声激励法进行频率识别。

根据FDD (频域分解法) 的原理，利用MATLAB编程，计算结构-塔式起重机体系模型在白噪声激励下的地震响应，以识别结构体系的动力特性^[9]。根据识别的结果可看出，结构体系沿y向和x向振动均以第一阶振型为主，前两阶振动模态信息分别为建筑y向振动与塔式起重机平面外弯曲，频率为2.08Hz;建筑x向振动与塔式起重机平面内弯曲，频率为2.41Hz。功率谱密度矩阵奇异值如图5所示。

由图5可看出，试验后结构体系的自振频率略有降低，但降低幅度不明显。且模型频率在试验前、试验中、试验后并未发生明显变化。

由表5可知，结构体系试验前、试验后的前两阶振型频率依次降低4.8%，2.5%。结合试验结构体系出现一定程度的变形和微小裂缝，可以判断模拟地震动对结构产生一定程度的损伤，但对结构整体动力特性影响小。

从塔式起重机吊臂端部位移、吊臂端部加速度、塔身顶部位移、塔身顶部加速度等方面研究塔式起重机吊臂仰角在30°，60°时，地震作用对结构产生的影响。

由于塔式起重机结构质量分布不均匀、结构形式不对称，因此分析地震波激励方向对施工塔式起重机的影响很有必要。选取相应地震波，取激励强度为0.6g，塔式起重机吊臂仰角为30°，分析结构体系在地震波不同激励方向上的反应。吊臂端部节点x向加速度响应如图6所示。

由图6可知，顺着吊臂方向的加速度响应比垂直于吊臂方向的响应大，因为吊臂端部距塔身圆心距大，且地震波和重力双重作用下的作用力比地震波单纯垂直于吊臂方向的大。结构体系在长周期地震波作用下，表现的反应比短周期值大，是因为长周期地震波频率集中在低频位置，接近结构体系的自振频率，从而产生轻微共振现象。

塔式起重机塔身顶部x向 (平行吊臂方向) 在不同地震波作用下的加速度响应如图7所示。

由图7可知，相比吊臂端部加速度响应，塔身顶部加速度响应较小，是由于结构凸出部分容易受鞭梢效应的影响，响应相对较大。地震波在不同方向上的激励，塔身顶部x向加速度响应也表现不同，x向 (平行吊臂方向) 激励作用下的响应明显比y向 (垂直吊臂方向) 作用下的响应大，是由于吊臂加速度响应影响塔身，从图7中可看出，地震波平行吊臂方向时，吊臂对塔身的影响大于地震波垂直于吊臂方向对结构体系产生的影响。

在x向 (平行吊臂方向) 和y向 (垂直吊臂方向) 地震波激励下，塔身顶部节点y向加速度响应如图8所示。

由图8可得，相比地震波x向 (平行吊臂方向) 激励，在地震波y向 (垂直吊臂方向) 激励作用下，y向加速度响应比x向加速度响应值大，是因为地震波激励方向顺塔身节点y方向，该方向上塔身顶部节点加速度响应值大，相反垂直于地震波方向的加速度响应值偏小。

超高层塔式起重机附着于建筑物向上爬升，施工工况复杂，作为超高层建筑施工的机械设施，受地震作用发生破坏后影响人和物，且超高层建筑随主体结构层数不断增加，其本身的动力特性也不断发生变化，结构体系本身的周期也发生变化，且超高层建筑高度越大，结构体系周期相对越大。长周期地震波的频率集中在低频部分 (0.1～2Hz) ，接近建筑-塔式起重机体系的自振频率，如果发生地震，很大概率上会影响建筑，甚至会破坏塔式起重机结构。长周期地震波包括近场及远场地震动，近场地震动中速度与位移脉冲对长周期结构不利，因此考虑不同类型的地震波对结构产生的影响很有必要。

现选取2.1节所选地震波，取激励强度为0.6g，地震激励方向为x向 (平行吊臂方向) ，研究超高层塔式起重机吊臂处于仰角30°和60°时，不同类型地震波对结构产生的影响，如图9所示。

由图9可知，当吊臂仰角处于30°时，其加速度响应明显大于吊臂仰角处于60°时，是因为吊臂仰角低时，吊臂端部对塔身圆心距r₁比吊臂仰角60°的圆心距r₂大，即吊臂对塔身产生的力矩不一样，在地震波作用下产生的力就不一样。圆心距大的，地震波对其产生的影响大。

吊臂仰角处于30°，60°时，塔身顶部x向 (平行吊臂方向) 加速度响应如图10所示。

由图10可得，相比吊臂仰角30°，塔身顶部x向加速度的响应比吊臂仰角60°的大，且反应程度没有吊臂竖向加速度响应大。其反应结果显示，吊臂仰角不同，塔身顶部在地震作用下响应也不同。吊臂仰角大的比吊臂仰角小的反应程度小。所以，在今后工程建筑施工过程中，吊臂仰角尽可能放大。

吊臂处于不同仰角下，塔身顶部y向加速度响应如图11所示。

由图11可知，塔身顶部y向加速度响应在吊臂仰角30°时明显偏大，相比x向震动反应明显偏小，从而进一步说明平行吊臂方向响应更大。

1) 以某超高层建筑施工塔式起重机体系为原型，以量纲分析为基础，以1∶15的缩尺比例设计超高层建筑-塔式起重机体系试验模型，且模型满足试验要求。

2) 以FDD法为基础，通过白噪声扫描识别结构试验模型的模态信息。比较试验前、试验中、试验后的结构模型动力特性，指出结构模型在试验前、中期动力特性并没有太大变化，而试验后的动力特性出现改变，可认为试验后期的地震动工况对结构造成一定损伤。

3) 平行于吊臂方向的地震波激励下，塔式起重机控制节点的位移和加速度响应明显大于垂直于吊臂方向的地震波激励。长周期地震波从平行于吊臂方向和垂直于吊臂方向分别作用于结构体系，结构体系响应程度比短周期地震波作用响应剧烈。

4) 在长，短周期地震波作用下，塔式起重机吊臂仰角小的，塔式起重机控制节点位移和加速度响应大，且长周期地震波作用下的结构体系响应程度更剧烈。