0 前言

　　 超高层结构由于自重较大,地震作用明显,结构抗震是结构设计的主要内容。对于高烈度地震区的超高层结构,地震作用与结构刚度需求之间相互影响,结构有效抗侧效率降低,构件截面往往较大; 同时,高烈度地震区的核心筒墙肢在地震作用下受拉明显,为控制地震作用下墙肢拉应力,需要配置大量型钢,对施工及经济性指标不利 ^[1,2,3,4]。

　　 耗能减震技术,利用耗能装置(如阻尼器)消耗地震能量,减小主体结构的地震输入,降低整体结构体系的地震响应,进而减轻甚至避免主体结构构件的损伤破坏,是一种可行、有效的抗震策略,已成功应用于实际工程 ^[5,6,7,8,9]。本文基于8度区某310m高超高层实际项目,开展了减震方案的论证与分析,从减震方案的概念设计、参数优化、减震效果以及与传统抗震方案的比较等方面,说明减震方案的优势。

1 工程概况

　　 工程(图1)由两座超高层塔楼及中间部位裙楼组成,主体结构采用型钢混凝土框架-核心筒结构体系。东塔楼地上67层(本段楼层均为建筑层),地下4层,结构高度约310m,首层平面尺寸59.6m×59.6m,核心筒平面尺寸25.3m×25.3m; 裙房地上8层,地下4层,结构高度42.40m; 西塔楼地上63层,地下4层,结构高度约247.30m,平面尺寸52.5m×52.5m,核心筒平面尺寸21.0m×21.5m。东塔楼建筑功能包括商业区、办公、住宅公寓,西塔楼建筑功能为商业、住宅公寓、五星级酒店,裙房主要为商业和影院,地下为车库和机房等。

　　 塔楼结构设计使用年限为50年,主体结构安全等级为一级。抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g,设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅲ类,场地特征周期为0.55s,50年设计基准期内基本风压取0.4kN/m²,地面粗糙度类别为C类,基本雪压0.4kN/m²。本文以仅以东塔楼为例,进行减震分析与设计,东塔楼典型结构平面图如图2所示。

　　 图1 建筑效果图   

　　  

　　 图2 东塔楼标准层结构平面图   

　　  

　　 图3 减震方案示意图   

　　  

2 减震方案比选

　　 耗能减震结构利用耗能装置两端的相对速度或相对变形耗散地震能量。黏滞阻尼器是一种速度相关型耗能减震装置,通过阻尼器两端的相对速度产生阻尼耗能,在工程中应用广泛。超高层结构变形以弯曲变形为主,直接布设于层间的耗能装置两端相对速度或相对变形较小,无法有效发挥耗能减震作用。为使阻尼器更好地发挥耗能减震效果,需通过放大层间变形或采用转换构件进行设计,本文对3种不同减震方案进行对比,见图3(图中粗线为阻尼器连接构件),阻尼器集中布置于设备层。方案1通过套索装置放大层间变形,方案2及方案3均是将阻尼器布设于外框与内筒之间的外伸桁架端部,区别是方案2斜向布置阻尼器,方案3竖向布置阻尼器。

　　 从概念上,方案1通过套索装置放大层间变形,设计合理,位移放大系数可达2.0～4.0,但放大装置的连杆内力较大,套索装置构件加工及施工成本较高,同时对于同一跨间布置两个套索阻尼器,外框与内筒之间的梁轴力较大(套索装置连杆的内力分量叠加造成),大震下该梁的性能难以保证。方案2采用在外伸桁架上布设的斜向阻尼器连接外框与内筒,通过竖向变形及层间变形实现耗能减震,阻尼器的两端分别与桁架杆件及外框柱节点相连,无需复杂构件(如牛腿)设计即可实现变形传递。方案3较之方案2,通过外伸桁架的整体刚度实现外框与内筒之间的联系,保证变形传递至阻尼器的效率更高,考虑到层间有效变形在超高层结构中的占比较小。综合来看,方案3在具备方案2优势同时,可实现更大的阻尼器变形,效率更高,本工程采用方案3。

　　 图4 减震桁架平面布置图   

　　  

　　 本工程减震结构主要抗侧力体系为型钢混凝土框架+混凝土核心筒+外框内筒之间的减震桁架(图4及图5)。沿建筑物外轮廓布置32根型钢混凝土框架柱,柱截面尺寸为1 300×1 300～900×900,含钢率5%; 1～8层由于建筑对入口及大堂空间的需要采用斜柱(图6)。外围钢框架梁与框架柱刚接。核心筒外墙厚度为1 300～400mm,内墙厚度为650～300mm。楼面钢梁与外框、核心筒均铰接。减震桁架结合避难层及设备层集中布置于31,51,61层(建筑层位置见图5),减震桁架数量总计24组,每组减震桁架端部布设2个阻尼器,减震桁架与所在楼层楼板脱开,桁架上弦顶标高距楼板板底标高200mm,为保证减震桁架的面外稳定,需在减震桁架上、下弦所在楼板平面内设置垂直减震桁架方向的联系钢梁,联系钢梁按照压弯构件设计,轴力按照不低于减震桁架弦杆最大轴力的1/50考虑。

　　 为更好地说明减震方案的减震效果及优势,建立未控结构模型(减震结构直接去掉黏滞阻尼器)及抗震结构模型(图6),其中抗震结构采用型钢混凝土框架+混凝土核心筒+环带桁架的抗侧力体系,外框架型钢混凝土柱截面尺寸为1 500×1 500～1 000×1 000,含钢率6%～8%,核心筒外墙厚度为1 500～500mm,内墙厚度为650～300mm,抗震结构各项性能指标均满足规范要求。

　　 图5 减震结构示意图  

　　  

　　 图6 抗震结构示意图   

　　  

　　 考虑到地震作用下,阻尼器给主体结构提供阻尼的同时提供动刚度,常用的振型分解反应谱分析无法考虑阻尼器动刚度贡献,本文对于减震结构的计算分析与评价均采用考虑阻尼器非线性的动力时程分析法,地震输入选用满足规范要求的5组天然记录+2组人工记录,结构阻尼比取4%。

3 减震优化与效果评价

3.1 阻尼器参数优化

　　 减震效果取决于阻尼器的布设方案(位置、数量)、阻尼器参数、阻尼器连接构件刚度等因素,同时考虑到实际安装间隙会降低小震下非线性阻尼器的减震效果,阻尼器的耗能减震效果评价宜采用中震下的力学指标。具体到本项目,在阻尼器布设方案比选确定、保证连接刚度的前提下,以中震下基底剪力、层间位移及附加阻尼比不低于2.0%(附加阻尼比计算采用能量比值法)为综合优化目标,对阻尼器参数进行优化分析,主要包括阻尼系数及阻尼指数的优化。

　　 如图7所示,阻尼器阻尼系数为3 000kN\5(s/m)^0.3,阻尼指数介于0.1～0.4时,减震结构基底剪力随着阻尼指数的增大呈现先减后增的趋势,最大和最小基底剪力相差百分比约5.0%,阻尼指数为0.3时基底剪力最小; 层间位移角随阻尼指数的增大单调增大,变化幅度约20%; 附加阻尼比随着阻尼指数的增大单调递减,阻尼指数0.1,0.2,0.3,0.4对应的附加阻尼比分别为3.4%,2.9%,2.3%,1.7%。

　　 阻尼指数为0.3的情况下,阻尼系数对于综合优化目标的影响如图8所示,阻尼系数取值为2 000～5 000kN·(s/m)^0.3,减震结构基底剪力随着阻尼系数的增大逐步降低,但降低速率趋缓,最大与最小基底剪力相差百分比为3.3%,基底剪力变化基本可以忽略; 层间位移角随阻尼系数的增大单调减小,变化幅度约15%; 阻尼系数2 000,3 000,4 000,5 000kN·(s/m)^0.3对应的附加阻尼比分别1.5%,2.3%,2.9%,3.5%。

　　 图7 不同阻尼指数对应 的基底剪力、层间位移角 及附加阻尼比 

　　  

　　 图8 不同阻尼系数对应 的基底剪力、层间位移角 及附加阻尼比 

　　  

　　 结合图7、图8的综合优化目标分析,同时考虑到阻尼器出力过大,阻尼器造价较高,与其相连的结构构件内力较大,中震、大震作用下构件性能难以保证; 故选取阻尼器参数为:阻尼指数0.3,阻尼系数3 000kN·(s/m)^0.3; 阻尼器行程及出力基于ABAQUS的大震计算结果,按照规范 ^[10,11]考虑1.2倍安全系数,阻尼器设计行程取250mm,设计出力取2 500kN。

3.2 减震效果评价

　　 图9 层间位移角   

　　  

　　 图10 楼层剪力 

　　  

　　 为评价阻尼器减震效果,提取减震结构及未控结构的分析结果,如图9、图10所示(图中楼层为结构层)。定义减震率为(未控结构的计算结果-减震结构的计算结果)/未控结构的计算结果,小震下结构层间位移角最大减震率26.7%,楼层剪力最大减震率20%,基底剪力减震率14%,减震后结构层间位移角满足规范限值1/500的要求; 中震下层间位移角最大减震率为15.5%,楼层剪力最大减震率为15%,基底剪力减震率为10%。

3.3 阻尼器滞回曲线及附加阻尼比

　　 小震及中震下阻尼器滞回曲线如图11所示,可见,滞回曲线饱满,阻尼器发挥了耗能减震作用。小震下阻尼器稳定出力1 000kN,最大变形约23mm,阻尼器提供给主体结构的附加阻尼比约0.041(结构阻尼比为0.04); 中震下阻尼器稳定出力1 500kN,最大变形达到80mm,阻尼器提供的附加阻尼比为0.023。

　　 图11 阻尼器典型滞回曲线  

　　  

4 减震结构与抗震结构对比

4.1 整体指标

　　 减震结构与抗震结构整体指标对比如表1所示。由于设置了阻尼器,减震结构的整体刚度明显小于抗震结构; 减震结构周期约为抗震结构周期的1.1倍,地震作用降低; 同时,考虑阻尼器的动刚度及阻尼贡献,减震结构X向、Y向基底剪力分别约为抗震结构的66.5%,67.0%,减震结构X向、Y向最大层间位移角约为抗震结构的78.8%,78.7%。

　　 减震结构与抗震结构整体指标对比 表1

结构类型		减震结构	抗震结构
质量/t		326 794.1	328 864.5
周期/s	T1	6.21	5.65
	T2	6.15	5.60
	T3	3.21	3.01
最大层间位移角	X向	1/603	1/475
	Y向	1/610	1/480
基底剪力/kN	X向	63 081	94 793
	Y向	62 894	93 865

 

　　  

4.2 层间位移及楼层剪力

　　 小震及中震作用下,减震结构与抗震结构的层间位移角、楼层剪力随楼层的分布如图12、图13所示(图中楼层为结构层)。相比抗震结构,减震结构小震下层间位移角减小约23%,基底剪力减小约35%; 减震结构中震下层间位移角减小约为15%,基底剪力减小约30%。为增加结构整体刚度,抗震结构中采用三道环带桁架形成加强层,控制结构变形的同时造成结构竖向抗侧刚度突变; 减震结构竖向刚度更加均匀,结构受力更为合理。

　　 图12 减震结构与抗震结构层间位移角对比   

　　  

　　 图13 减震结构与抗震结构楼层剪力对比  

　　  

4.3 核心筒墙肢拉力

　　 以X向为主地震输入为例,提取中震下混凝土核心筒典型外墙肢(墙肢编号见图14)拉应力,如图15、图16所示(图中楼层为结构层),由于30层以上核心筒外墙肢拉力较小或受压,图中仅示意1～30层拉应力分布。相较于抗震结构,减震结构核心筒底部左右侧墙肢拉应力最大降低48%(墙肢P3),最小降低20%(墙肢P1),表明,采用减震方案可有效减少底部区段核心筒墙肢内设型钢,经济效果明显。

　　 图14 墙肢编号   

　　  

　　 图15 1～30层核心筒左侧墙肢拉应力分布   

　　  

　　 图16 1～30层核心筒右侧墙肢拉应力分布   

　　  

　　 通过减震结构、抗震结构及未控结构墙肢拉应力沿楼层分布对比不难发现,在核心筒底部,减震结构墙肢拉力较未控结构降低明显,主要原因如下:1)阻尼器发挥了耗能作用,给主体结构提供了附加阻尼,减小了底部墙肢的地震输入,进而降低了墙肢拉力; 2)在动力时程输入下,阻尼器为主体结构提供了动刚度,调整了外框与内筒之间的内力分配,通过动刚度起到了类似于伸臂桁架的作用; 使得减震结构的外框分担地震作用比例提高,减小了核心筒地震倾覆力矩,减小了墙肢拉应力。

5 结论

　　 基于8度区某结构高度约310m的实际超高层项目,对粘滞减震方案的耗能装置进行了参数优化、布置方案比选,并与传统抗震结构进行了对比分析,得到以下结论:

　　 (1)超高层减震方案受限于层间有效变形较小,需要采用位移放大机制才能取得较为明显的减震效果,同时考虑到建筑使用空间的限制,宜采用大出力阻尼器集中布设,阻尼器布设于外框与内筒之间的减震桁架上属于较优的选择之一。同时,对阻尼器参数的取值,应综合考虑减震目标、经济性、连接构件设计等进行优化分析; 并采取构造措施保证阻尼器的面外稳定。

　　 (2)针对本项目优化后的减震方案,阻尼器参数取阻尼指数0.3、阻尼系数3 000 kN·(s/m)^0.3,可实现小震、中震下提供附加阻尼比4.1%,2.3%,基底剪力减震率14%,10%,层间位移角最大减震率26.7%,15.5%,减震效果明显。

　　 (3)相较于抗震方案,减震方案地震作用降低明显,结构受力均匀,不存在刚度突变; 地震作用下结构性能更优,同时更为合理的结构截面为建筑空间的使用提供了便利。

　　 (4)减震方案由于阻尼器附加给主体结构的阻尼效应及动刚度,可明显降低核心筒底部墙肢的拉力,减少墙肢内部型钢用量,节省材料的同时缩短工期,体现出较为明显的经济优势。