近十年,我国在超高层建筑设计和建造方面取得了举世瞩目的成就。我国超高层建筑大都采用框架-核心筒结构体系,并根据结构刚度需求,辅助以环带桁架和伸臂桁架进行加强 ^[1]。近些年,随着结构高度的进一步增加,一般结构高度超过400m,又演变形成了巨型框架-核心筒结构体系。

　　 对传统的框架-核心筒结构进行改进,采用“框架-钢板阻尼墙”来近似代替核心筒,框架承担全部竖向荷载,钢板阻尼墙提供附加刚度和附加阻尼,形成一种新的减震结构体系——框架-阻尼框筒结构体系 ^[2],如图1所示。该体系有如下优点:1)从受力角度看,该体系框架柱承担竖向荷载,钢板阻尼墙仅承担水平剪力,受力明确、合理; 2)从耗能减震角度看,在地震作用下,钢板阻尼墙因强度低首先发生屈服,进而消耗较多的地震能量,起到减震的效果; 3)从建筑工业化的角度看,钢板阻尼墙本身是装配式构件,配合装配式框架梁、框架柱,适合于工业化建筑的理念,可提高工业化建筑的施工效率和经济性; 4)从更换维护角度看,钢板阻尼墙通过高强螺栓与内框架梁相连,地震耗能后更换方便,利于震后房屋修复,提高建筑韧性。

　　 针对框架-阻尼框筒这一新型结构体系,本文通过性能化分析技术,论证该结构体系在200m超高层建筑中应用的可行性。

　　 某200m超高层建筑的结构布置如图2所示,首层不布置钢板阻尼墙,2～44层布置钢板阻尼墙,其中X向框架中的2榀布置阻尼墙,每榀连续布置3片阻尼墙,Y向框架中的4榀布置阻尼墙,每榀间隔布置2片阻尼墙。首层不布置钢板阻尼墙有如下考虑:1)尽量减少钢板阻尼墙的竖向力传递; 2)涵盖底层不适合布置钢板阻尼墙的应用情景。

　　 通过YJK软件对图2布置的框架-阻尼框筒结构进行了构件截面设计和多遇地震分析,抗震设防烈度按上海地区取为7度,最终构件截面尺寸和钢板阻尼墙参数见表1。

　　 各楼层段钢板阻尼墙抗剪刚度与框架抗侧刚度之比如图3所示,X向和Y向的抗侧刚度之比平均值分别是34%和45%。结构前3阶周期对比见表2,钢板阻尼墙的刚度贡献明显,与不布置钢板阻尼墙的结构相比,结构前3阶周期降低了约18%。结构层间位移角对比如图4所示,当不布置钢板阻尼墙时,结构X向和Y向的层间位移角最大值分别为1/446和1/450,不满足规范 ^[3]的限值要求,而布置钢板阻尼墙后,结构X向和Y向的层间位移角分别为1/687和1/631,满足规范的限值要求。

　　 在上海抗震规范 ^[4]中的7组罕遇地震波作用下,X向和Y向弹塑性基底剪力平均值分别为46 010kN和45 262kN,对应剪重比分别为4.62%和4.55%。X向和Y向弹塑性基底剪力与弹性值之比平均值分别为0.44和0.43,如图5所示,基底剪力下降程度大于传统框架-核心筒结构。AW1波组下弹塑性与弹性顶部位移对比如图6所示,随着时间的推移,弹塑性位移较弹性位移的往复运动时间增长,表明结构刚度下降明显 ^[5]。X向和Y向弹塑性层间位移角平均值分别为1/122和1/118,如图7所示,小于规范对框架-核心筒的层间位移角1/100限值要求,在保证钢板阻尼墙变形能力的基础上,可以采用规范对框架结构的层间位移角1/50限值要求 ^[6]。

　　 在AW2波组作用下,框架柱的损伤情况如图8所示,框筒的中下部框架柱产生轻微受压损伤,柱中钢骨和钢筋均未进入塑性,性能良好。框架梁的损伤情况如图9所示,少数框架梁中混凝土发生轻微受压损伤,9～25层部分框架梁中的钢骨因受拉进入塑性,较多楼层框架梁的钢筋进入塑性,最大塑性应变均小于1倍屈服应变,属轻微损伤。

　　 不同地震波作用下钢板阻尼墙总耗能对比如图10所示,可以看出,钢板阻尼墙的耗能总量对不同地震波特性敏感性高,对同一地震波主输入方向不敏感。但是,不同地震波作用下,钢板阻尼墙的耗能占比较为接近,基本位于35%～42%,如图11所示,X向和Y向的平均值分别为39%和37%,按耗能换算的附加阻尼比分别达3.9%和3.7%,使得结构基底剪力显著降低(图5)。各楼层区段钢板阻尼墙耗能占比平均值如图12所示,顶部4层区段和底部4层区段耗能占比较小,结构中间楼层区段耗能占比较大且较为平均。

　　 当钢板阻尼墙未进入屈服时,楼层有害位移角显著小于层间位移角; 当钢板阻尼墙进入屈服后,楼层有害位移角与层间位移角相近,如图13所示。结合3.1～3.3节可知,通过在框架结构体系中布置钢板阻尼墙,在弹性阶段提供刚度,显著降低结构的层间剪切变形; 在弹塑性阶段,钢板阻尼墙屈服耗能,显著降低结构的地震响应,减轻框架损伤。

　　 通过楼层有害位移与钢板阻尼墙的屈服位移相比(图14)以及各楼层区段钢板阻尼墙耗能占比(图12)可以得出,有害位移与屈服位移之比较大的楼层段耗能占比较大,因此,可以通过调节钢板阻尼墙的屈服位移优化结构在罕遇地震下的响应,提高钢板阻尼墙的耗能效率。

　　 为研究钢板阻尼墙屈服位移对结构抗震性能的影响,调整X向钢板阻尼墙的屈服位移,如图15所示,增大21～25层和36～40层的X向钢板阻尼墙屈服位移、减小16～20层和31～35层的X向钢板阻尼墙屈服位移,并对调整前后结构抗震性能进行分析对比。

　　 由图16可见,在AW1波组和AW2波组作用下,随着21～25层和36～40层的钢板阻尼墙屈服位移的增大,此区段的层间位移角略微减小; 随着16～20层和31～35层的钢板阻尼墙屈服位移的减小,此区段的层间位移角略微增大。由此可见,钢板阻尼墙屈服位移的有限改变,对结构的整体变形影响较小。

　　 由图17可见,在AW1波组和AW2波组作用下,随着21～25层和36～40层的钢板阻尼墙屈服位移的增大,此区段的有害层间位移角减小; 随着16～20层和31～35层的钢板阻尼墙屈服位移的减小,此区段的有害层间位移角增大。

　　 由图18可见,在AW1波组和AW2波组作用下,随着21～25层和36～40层的钢板阻尼墙屈服位移的增大,钢板阻尼墙的耗能占比减小; 随着16～20层和31～35层的钢板阻尼墙屈服位移的减小,钢板阻尼墙的耗能占比增大。

　　 通过对200m高的组合框架-阻尼框筒结构进行多遇地震和罕遇地震作用下的抗震性能分析,得到如下结论:

　　 (1)多遇地震作用下,钢板阻尼墙的刚度贡献显著,与不布置钢板阻尼墙的结构相比,结构前3阶周期均降低约18%,结构层间位移角最大值减小约32%。

　　 (2)罕遇地震作用下,结构基底剪力降低程度大于传统框架-核心筒结构,结构顶部位移的弹塑性与弹性对比亦反映结构刚度显著退化; 同时,层间位移角平均值小于规范对传统框架-核心筒的变形限值要求,说明结构位移响应得到抑制,未因结构刚度退化而显著增长。

　　 (3)通过在框架结构体系中布置钢板阻尼墙,在弹性阶段提供刚度,显著降低结构的层间剪切变形; 在弹塑性阶段,钢板阻尼墙屈服耗能,平均附加阻尼比约3.8%,降低结构地震响应,减轻框架损伤。

　　 (4)随着钢板阻尼墙屈服位移的增大,对应位置的层间位移角、有害层间位移角和钢板阻尼墙耗能占比均减小,反之亦然。

　　 (5)框架-阻尼框筒结构体系可应用于200m左右的超高层建筑中; 合理设计下的框架-阻尼框筒结构具有良好的抗震性能。