連梁金屬阻尼器在四川天府新區(qū)某超高層的應(yīng)用

丁煥龍， 李治明， 王 武， 陶 兵， 程云昭， 李胤松

(成都市建筑設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610015)

1 工程概況

本工程為四川天府新區(qū)總部商務(wù)區(qū)某超高層辦公綜合體項目，涵蓋酒店、辦公、餐飲、商業(yè)等多種業(yè)態(tài)，總建筑面積約13萬m2，其中地上建筑面積約9.6萬m2，地下建筑面積約3.4萬m2。

本工程地上40層，地下3層，結(jié)構(gòu)總高度為189.6 m。建筑立面從下往上逐漸內(nèi)收。

主樓平面(長×寬)投影尺寸：1F～4F為86.8 m×62.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層(5F～39F)底部為49.5 m×49.5 m(最大)、頂部為39.2 m×39.2 m(最小)，框架柱與筒體外墻的軸線尺寸約為8.5～11.8 m，筒體外墻邊到邊尺寸為22.2 m×23.2 m，框架柱柱距為9 m，塔樓高寬比4.27，筒體高寬比8.6。標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.5 m。

地下室3層，平面尺寸約106 m×112 m，地下-1～-3F層高分別為6.5 m、4.2 m、4.0 m。本工程-3F為人防地下室。

結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

圖1 主樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

本工程結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限、耐久設(shè)計年限均為50年。

工程所在地的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第3組，場地類別為II類，Tg=0.45 s。水平地震影響系數(shù)最大值為0.08(多遇地震)。

本項目主要設(shè)計荷載取值：辦公室區(qū)域樓面恒載(不含樓板自重)2.0 kN/m2；活載考慮靈活隔斷3.5 kN/m2；屋面層樓面恒載(不含樓板自重)5.5 kN/m2，活載3.0 kN/m2。

根據(jù)建筑物高度、平面形狀、立面造型、裝配率要求、設(shè)防烈度等因素綜合考慮，采用混合結(jié)構(gòu)體系：框架核心筒結(jié)構(gòu)(型鋼混凝土柱+鋼梁+鋼筋混凝土核心筒)?？蚣芰号c鋼筋混凝土核心筒鉸接，與型鋼混凝土柱剛接。框架抗震等級為一級，核心筒抗震等級為特一級。

結(jié)構(gòu)主要豎向構(gòu)件尺寸見表1。

表1 豎向構(gòu)件截面尺寸 單位：mm

3 消能減震方案介紹

因框架梁采用鋼梁，剛度偏弱，經(jīng)計算分析，在多遇地震作用下，X向與Y向框架承擔(dān)的樓層剪力標(biāo)準(zhǔn)值最大值分別為樓層底部總剪力的9.45%、9.39%，均小于10%，混凝土核心筒承擔(dān)了大部分地震剪力，JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]第9.1.11條明確要求核心筒墻體需采用更嚴(yán)格的抗震措施。核心筒墻體作為抗震設(shè)防的第一道防線，尤為重要，為減少核心筒墻體在地震作用下的應(yīng)力損傷，本工程采用消能減震技術(shù)。

目前工程中應(yīng)用較多的消能減震技術(shù)有位移型阻尼器和速度型阻尼器，其中金屬阻尼器屬于位移型，其應(yīng)用方式可以分為支撐式、墻式和連梁式[2]。本工程選用連梁式金屬阻尼器，主要鑒于幾點：

(1)剪力墻連梁工作中由于墻肢彎曲變形，引起連梁兩側(cè)產(chǎn)生相對豎向變形，承受較大的剪切力，因此可以設(shè)置在相對豎向變形下可屈服的剪切型消能器[3]。

(2)連梁本身就是結(jié)構(gòu)中的耗能構(gòu)件，連梁阻尼器作為抗震設(shè)計第一道防線，符合結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[4]。

(3)連梁阻尼器體積小，布置靈活，不影響建筑及設(shè)備功能。

(4)連梁阻尼器替代原有連梁，節(jié)點構(gòu)造簡單，經(jīng)濟性好。

(5)若在較大地震發(fā)生屈服破壞，易更換。

本工程中連梁式金屬阻尼器(圖2)布置在剪力墻筒體中的連梁位置，在地震中利用連梁的變形進行耗能。

圖2 連梁阻尼器安裝示意

本工程連梁阻尼器布置如圖3所示。圖中CBDX表示X方向的阻尼器，CBDY表示Y向布置的阻尼器。布置樓層范圍為1～39層。阻尼器參數(shù)詳見表2。

圖3 阻尼器平面布置

表2 阻尼器參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 計算軟件及模型

多遇地震彈性反應(yīng)譜采用YJK和Midas Building分別計算；多遇地震彈性時程分析采用YJK。

設(shè)防地震等效彈性采用YJK計算；設(shè)防地震動力彈塑性時程分析采用Strat計算。

罕遇地震動力彈塑性時程分析采用Strat計算。

結(jié)構(gòu)計算模型如圖4所示。

4.2 多遇地震作用下分析

本工程多遇地震作用下反應(yīng)譜分析采用YJK及MIDAS Building計算。2個模型輸出的周期、剛度、層間位移和基底剪力等主要指標(biāo)差值均在誤差允許范圍內(nèi)，從而保證了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本工程采用時程分析法時，選用了7條時程波，其中5組天然波，2組人工波，計算結(jié)果取平均值。進行多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震計算時，所用地震加速度時程最大值采用現(xiàn)行GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的相應(yīng)值。7組時程波編號見表3，7組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符[5]。

表3 地震波編號

多遇地震彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果與彈性時程分析結(jié)果見表4，以彈性時程分析所得的結(jié)構(gòu)主方向基底剪力與同方向振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果進行比較，單條(單向或兩向水平)地震波時程分析得到的結(jié)構(gòu)主方向基底總剪力為同方向反應(yīng)譜計算結(jié)果的65%～135%，7條地震波時程分析的結(jié)構(gòu)主方向基底總剪力平均值為反應(yīng)譜計算結(jié)果的80%～120%，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計算分析，在多遇地震下，阻尼器基本保持彈性，故不考慮附加阻尼作用。

表4 多遇地震底部剪力

4.3 設(shè)防地震作用下的分析

本工程選用上海佳構(gòu)軟件科技有限公司開發(fā)的Strat軟件(V2017.2版本)進行結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析。梁、柱和支撐等構(gòu)件采用纖維束模型模擬其彈塑性性質(zhì)，剪力墻則采用非線性殼單元模擬。設(shè)防地震下的結(jié)構(gòu)非線性時程分析采用地震波同多遇地震。地震波水平主向加速度峰值取100 cm/s2，次方向加速度峰值取85 cm/s2。

4.3.1 設(shè)防地震作用下層間位移角

設(shè)防地震作用下，X主向和Y主向最大層間位移角平均值分別為1/401和1/415，均小于設(shè)防地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)所定位移角限值1/216。

4.3.2 設(shè)防地震作用下附加阻尼比及底部剪力

設(shè)防地震作用下能量曲線見圖5、圖6，根據(jù)能量比法[5]計算得到的設(shè)防地震下附加阻尼比詳見表5。

圖5 X向-T1波能量曲線

圖6 Y向-T1波能量曲線

表5 設(shè)防地震下附加阻尼比

根據(jù)設(shè)防地震非線性時程分析能量比法結(jié)果，附加阻尼比近似取1%，故總阻尼比取5%進行等效彈性反應(yīng)譜分析，與非線性時程分析結(jié)果對比，對比結(jié)果詳見表6。

表6 反應(yīng)譜與時程分析結(jié)果對比

根據(jù)反應(yīng)譜與時程分析層間位移角及底部剪力對比，可看出考慮附加阻尼比后的等效反應(yīng)譜的結(jié)果略大于時程分析結(jié)果，等效反應(yīng)譜計算結(jié)果較為可靠。構(gòu)件設(shè)計時采用等效反應(yīng)譜法計算。

4.3.3 設(shè)防地震作用下底部墻肢拉應(yīng)力

設(shè)防地震作用下底部剪力墻受拉情況詳見表7，表格中數(shù)值為墻肢平均拉應(yīng)力與混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值ftk的比值。其中ftk=2.85 MPa。

圖7 墻肢編號示意

4.3.4 設(shè)防地震作用分析結(jié)論

根據(jù)設(shè)置阻尼器的等效反應(yīng)譜與不設(shè)置阻尼器的反應(yīng)譜結(jié)果對比，可看出在設(shè)防地震作用下阻尼器普遍處于屈服階段，耗能作用明顯，明顯降低了地震作用下墻肢拉應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)的樓層剪力有明顯改善作用。

4.4 罕遇地震作用下的分析

罕遇地震非線性時程分析分別輸入了7組水平地震波(同多遇地震時程分析選波)，地震波主分量加速度峰值取220 cm/s2，次方向加速度峰值取187 cm/s2。阻尼比取0.04。

表7 設(shè)防地震作用下底部剪力墻受拉情況

4.4.1 罕遇地震作用下層間位移角

罕遇地震作用下，X主向和Y主向最大層間位移角平均值分別為1/239和1/305，均小于罕遇地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)所定位移角限值1/111。

4.4.2 罕遇地震作用下附加阻尼比

罕遇地震作用下能量曲線見圖8、圖9，根據(jù)能量比法計算得到的設(shè)防地震下附加阻尼比詳見表8。

在罕遇地震作用下，非線性時程分析底部剪力值如表9所示。

4.4.3 罕遇地震作用下應(yīng)力圖及滯回曲線

根據(jù)層剪力情況可知T3波作用接近平均值，因此以下展示T3波作用下的計算結(jié)果。圖10～圖13為罕遇地震作用下應(yīng)力圖及滯回曲線圖。

4.4.4 罕遇地震作用分析結(jié)論

罕遇地震作用非線性時程分析表明：

圖8 X向-T3波能量曲線

圖9 Y向-T3波能量曲線

表8 罕遇地震下附加阻尼比

表9 罕遇地震作用下樓層底部剪力 單位：kN

圖10 T3波作用下外框架梁最大應(yīng)力

圖11 T3波作用下核心筒拉應(yīng)力(X向與Y向)

圖12 X向典型連梁阻尼器滯回曲線

層間位移角遠小于規(guī)范限值1/111，連梁阻尼器耗能較多，所消耗能量約占系統(tǒng)阻尼耗能的30%，較好的保護了主體結(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土核心筒的連梁多數(shù)均產(chǎn)生了塑性鉸，耗散了相當(dāng)一部分地震輸入能量，核心筒墻體的屈服集中發(fā)生在底部若干層，形成較強的耗能能力，核心筒較好地發(fā)揮了第一道抗震防線的效能；作為第二道防線的外圍型鋼混凝土框架始終保持在彈性受力階段，較好地發(fā)揮了二道防線的作用。

總之，整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中有意識地設(shè)置了一系列耗能構(gòu)件，形成了多道抗震防線，結(jié)構(gòu)破壞模式和屈服機制合理，達到了預(yù)期的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)。

圖13 Y向典型連梁阻尼器滯回曲線

5 結(jié)論

在本工程中，為了提高結(jié)構(gòu)抗震性能，在核心筒外墻部分連梁上布置了連梁式金屬阻尼器。本文計算了多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下連梁阻尼器的附加阻尼比。結(jié)果表明：

(1)多遇地震作用下，因阻尼器基本保持彈性，不考慮附加阻尼作用。

(2)設(shè)防地震作用下，阻尼器可提供附加阻尼比約1%，對結(jié)構(gòu)的樓層剪力及底部墻肢拉應(yīng)力有明顯改善作用。

(3)罕遇地震作用下，連梁阻尼器進一步耗能，其總耗能約占塑性耗能的30%，剪力墻的損傷得到有效控制。

綜上所述：連梁阻尼器在設(shè)防地震和罕遇地震作用下能起到很好的效果，充分發(fā)揮耗能作用，整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，滿足建筑功能需求的同時提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。