临沂华润中心商业项目位于山东省临沂市兰山区, 西至八一路, 北至启阳路, 南至开阳路, 东至沂蒙路。规划总用地面积64 642m², 南北长约223m, 东西宽约295m。本文主要探讨万象汇商业部分, 此部分建筑面积地上99 415.70m², 地下78 000m²。

　　 本项目为集高端商业、餐饮娱乐、办公、高档公寓于一体的大型城市综合体, 主要包括万象汇、A#, B#, C#, D#楼。结构地下不分缝, 地上通过2道防震缝分成3个相互独立的结构。第一部分为万象汇纯商业部分;第二部分为A#, B#双塔^[1]及相连裙房;第三部分为C#, D#公寓, 详见图1。其建筑效果图见图2。

　　 整体地下室共2层, 地下2层主要用于车库和设备用房, 地下1层主要用于车库及商业, 层高分别为3.50, 5.40m;万象汇商业部分5层, 结构高度28.60m, 层高分别为:1层6.0m, 2～5层5.4m。商业部分标准层平面尺寸为56.10m×236.40m。

　　 本工程设计使用年限为50年, 建筑结构防火等级为一级, 建筑结构安全等级为二级, 地基基础设计等级为甲级, 地下室顶板作为上部结构的嵌固端。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称抗规) , 抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度值为0.20g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 特征周期为0.40s。根据建筑使用性质要求, 建筑抗震设防为重点设防类 (乙类) 。按照《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[3], 风荷载取50年重现期, 基本风压为0.40kN/m², 地面粗糙度为B类。

　　 本文的主要研究对象是万象汇商业部分。按照常规工程经验, 工程常采用框架或框架-剪力墙结构方案。但由于项目体型狭长, 而且处于高烈度地区, 若按传统结构方案设计, 会使框架柱截面较大且剪力墙布置较多, 将对建筑空间及地下车位等建筑功能造成影响^[4]。通过经济性分析, 采用消能减震技术, 能够降低成本, 故本文提出3种结构方案, 即:方案1为框架结构, 方案2为框架-剪力墙结构, 方案3为采用消能减震技术的框架结构。

　　 框架结构具有空间分隔灵活、自重轻、节省材料等优点。计算采用YJK V1.7.1软件, 框架柱截面尺寸:首层及2层为1 100×1 100, 2层及以上为900×900, 框架梁截面尺寸为600×850, 700×1 400。

　　 由于框架节点应力集中显著, 框架结构的侧向刚度小, 属柔性结构框架。在大震作用下, 结构所产生水平位移较大, 易造成严重的非结构性破坏。项目为高烈度区的大型商业综合体, 结构概念设计时应考虑增设二道防线提高其安全度, 并且对框架柱及框架梁的截面配筋要求较大。故采用方案1不合理。

　　 方案2中剪力墙和连廊可以作为抗震设防的第一道防线, 框架作为第二道防线。计算采用YJK V1.7.1软件。框架柱截面尺寸为900×900, 框架梁截面尺寸为500×800, 600×1 400。剪力墙墙厚为400mm。框架-剪力墙结构平面布置示意如图3所示。因万象汇将采光中庭南侧的消防疏散楼梯设置于C#, D#塔楼范围, 故中庭南侧区域缺少了可以布置剪力墙的楼梯间, 剪力墙布置受建筑空间限制较大。

　　 方案2小震计算的层间位移角最大值为1/809, 满足规范限值 (1/800) 要求。采用PKPM/Sausage软件进一步对方案进行了大震弹塑性时程分析, 分析时, 地震波采用本项目的Ⅱ类场地天然波, 时间间隔0.02s, 持时40s, 峰值调整到大震 (8度, 0.2g, 40cm/s²) 。分析结果大震弹塑性层间位移角为1/39, 不满足规范限值 (1/100) 要求。

　　 因本项目剪力墙在中庭南侧不能形成连续且闭合的布置。单片墙肢在大震作用下吸收了大部分的地震力, 从而过早破坏, 导致第一道防线名存实亡。即使勉强做出了能满足规范指标的结构方案, 也是“肥梁胖柱”且剪力墙密布, 从技术角度和感官上都极度不合理, 既不经济也很难保证地震下结构的安全。故不采用方案2。

　　 受建筑方案功能影响, 万象汇商业部分结构体型狭长, 为L形, Y向刚度差。考虑增加结构Y向刚度和灵活建筑功能, 方案3采用屈曲约束支撑 (BRB) +剪切型阻尼器 (MD) 。抗侧力体系由钢筋混凝土框架和抗震消能器 (BRB/MD) 共同组成。根据建筑布局及《建筑消能减震技术规程》 (JGJ 297—2013) ^[5]的要求, 沿结构主楼方向分别设置消能器, 形成均匀合理的结构体系。

　　 框架柱截面尺寸为800×900, 框架梁截面尺寸为400×700, 600×1 200。BRB采用V字形撑或人字撑。BRB屈服力为2 500, 4 000kN。MD屈服力为500, 800kN。万象汇商业部分结构模型和结构抗侧力构件见图4, 5, 消能器结构布置详见图6。

　　 为确保本工程抗震设计的合理、安全可靠, 项目抗震计算采用了三种软件进行整体分析。详见表1。

　　 依照抗规对方案3进行弹性分析:1) 当主体结构基本处于弹性工作阶段时, 可采用线性分析方法作简化分析;2) 消能减震结构的总刚度为结构刚度和消能部件有效刚度的总和;3) 消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构有效阻尼比的总和。

　　 进行弹性分析时, 方案3中的消能器采用等效构件进行模拟, 将剪切型抗震消能器 (即剪切型阻尼器MD) 等效为混凝土墙, 将支撑型抗震消能器 (即屈曲约束支撑BRB) 等效为钢斜杆, 等效原则为刚度等效。

　　 如前文所述, 消能墙由剪切型消能器和上下部分混凝土墙体共同组成, 根据分析软件不同, 采用不同的等效模拟办法, 本项目共采用三种计算软件, YJK, MIDAS/Gen及PKPM/Sausage, 各阶段计算模型及计算内容详见表2。

　　 鉴于YJK程序在反应谱分析时不能准确模拟消能器, 为此, 采用等效墙方式对消能墙进行模拟, 即用一片两端与框架柱脱开的混凝土墙体模拟消能墙的抗侧刚度, 通过对消能墙与混凝土墙体刚度等效来模拟消能墙在主体结构中的刚度作用, 确保MD和上下部分混凝土连接墙的组合刚度与YJK计算模型中的等效墙刚度相等。

　　 在MIDAS/Gen中建立MD和上下部分混凝土连接墙模型及单片墙模型, 底部节点均固接, 上部节点约束竖向位移, 即上部节点仅能水平移动, 根据等位移原理, 得到与实际消能墙刚度一致的混凝土墙体截面, 即此截面墙体与实际消能墙抗侧刚度一致。

　　 消能器采用非线性连接单元 (滞后系统) 模拟, 滞后系统 (Hysteretic System) 由在六个自由度上分别具有单向塑性 (Uniaxial Plasticity) 的弹簧组成。另外, 还可以输入与滞后系统并联的附加线性黏性阻尼器的有效阻尼。在滞后系统的非线性特征值中, 定义消能器的弹性刚度K、屈服强度、屈服后刚度与弹性刚度之比r、屈服指数s。消能器滞回曲线见图7。

　　 在模型中真实输入消能器参数, 在消能墙与等效墙材料、约束及荷载相同的情况下, 调整等效墙的厚度, 使两者顶点位移相同, 即刚度等效。

　　 综合考虑, 最终项目选取采用带消能减震技术的框架结构, 即屈曲约束支撑 (BRB) 和剪切型阻尼器 (MD) 混合使用 (BRB+MD) 的框架结构体系。

　　 方案3弹性分析选用YJK V1.7.1及MIDAS/Gen进行计算, 考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载的影响。对方案1、方案3计算模型的各项整体控制指标进行对比。其中对方案3进行弹性计算时, 消能器不耗能, 无附加阻尼比。小震作用下两种方案各项指标见表3。

　　 小震作用下, 通过计算结果对比分析可知, 与方案1相比, 方案3周期减小, 刚度增大, 最大层间位移角减小, 消能器有效改善了结构的抗震性能。

　　 采用MIDAS/Gen软件对方案3进行多遇地震下的弹性时程分析。选用了5条天然波 (Big, Chi, Duz, Man, N.pal) 和2条人工波 (人工波1, 人工波2) 进行小震弹性时程分析, 并与反应谱结果进行比较。弹性时程分析均采用三向地震波输入, 地震波峰值比水平主向∶水平次向∶竖向=1∶0.85∶0.65, 主方向地震波峰值为70Gal。小震弹性时程分析层间位移角见表4。

　　 小震工况下, 考虑消能器非线性变形, 在14组地震波工况作用下, 消能器基本不屈服, 能满足预期要求, 如图8所示。中震工况下, 从典型消能器滞回曲线来看, 消能器基本屈服, 这说明消能器在中震作用下已经开始耗能, 表现出较好的减震能力 (图9) 。

　　 本工程弹塑性时程分析采用基于显式积分的分析方法。主要采用结构动力弹塑性计算软件PKPM/Sausage, 此软件可以准确模拟梁、柱、支撑、剪力墙 (包括带钢板剪力墙) 和楼板等结构构件的非线性性能。大震动力弹塑性分析采用不同力学模型的MIDAS/Gen辅助复核分析。

　　 在MIDAS/Gen中, 梁、柱采用梁单元模拟, 其非线性特征采用集中塑性铰模拟, 梁铰滞回模型为修正武田三折线模型, 柱铰为P-M-M相关铰, 滞回模型为随动硬化模型。消能器为一般连接单元, 采用滞后系统模拟其非线性特征。

　　 消能器均采用非线性连接单元模拟。方案3中剪切型抗震消能器 (MD) 按实际情况建模, 分别建立连接部件和剪切型消能器部分, 如图10所示。连接部件的尺寸按实际参数确定, 消能器采用软件中的一般连接进行模拟, 一般连接采用双线性模型, 如图11所示 (图中各符号含义详见《建筑消能减震技术规程》 (JGJ 297—2013) ^[5]第3.3.5条) 。

　　 按照抗规要求, 选取了2条天然波和1条人工波, 共3条地震波来进行结构的罕遇地震弹塑性时程分析。采用三向地震波输入, 主次方向和竖向地震波峰值比为1∶0.85∶0.65, 主方向地震波峰值为400Gal。

　　 在地震作用下, 地震输入能=动能+阻尼耗能+变形能。其中, 变形能由应变能、普通构件的弹塑性耗能和消能器耗能三部分组成。3条地震波作用下, PKPM/Sausage计算得到的罕遇地震下的地震能量分布图如图12所示。结构附加阻尼结果详见表5。

　　 1) 在考虑重力二阶效应及大变形的条件下, 方案3在罕遇地震作用下的最大顶点位移为0.18m, 能保持直立状态, 满足“大震不倒”的设防要求。2) 在3条地震波作用下, 结构的最大弹塑性层间位移角为1/91 (X向) 和1/77 (Y向) , 小于1/75的限值要求。3) 由3条地震波的地震能量分布图及附加阻尼比结果可知, 在罕遇地震作用下消能器起到了耗能构件的作用, 且整体耗能效果较好。

　　 综上所述, 在高烈度地区, 消能减震结构体系具有较好的抗震性能。采用消能减震技术, 可以减小地震作用对结构的影响, 优化结构体系刚度, 使之具有良好的结构性能。本工程抗震设计中除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外, 还补充了主要构件在中震、大震下的性能要求, 并采取多种计算程序进行了弹性、弹塑性的计算, 在大震下, 消能减震部分可保护主体结构安全, 实现“大震不倒”。对于消能减震产品的计算分析, 可以满足设计要求。