高烈度區(qū)單向少墻超高層剪力墻結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)

呂堅(jiān)鋒，劉付鈞，2，張文華，黃忠海，2，陳 穎

（1、廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所 廣州 510170；2、廣州容聯(lián)建筑科技有限公司 廣州 510170）

0 引言

基于抗震概念設(shè)計(jì)，剪力墻結(jié)構(gòu)體系的兩個(gè)方向均宜布置剪力墻，使兩個(gè)主軸方向的抗側(cè)剛度接近。由于建筑通風(fēng)采光的需要，部分住宅、辦公類建筑采用南北向布置剪力墻，導(dǎo)致東西向剪力墻偏少，墻肢較短甚至完全退化為端柱，結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向受力特性出現(xiàn)明顯差異。該類結(jié)構(gòu)少墻方向在小震作用下具有足夠的側(cè)向剛度［1］，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［2］的變形限值。但在高烈度地區(qū)中、大震作用下少墻方向框架梁較早進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)缺乏二道防線對抗震不利。通過設(shè)置消能減震裝置可以有效耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)過早進(jìn)入屈服，使結(jié)構(gòu)具有二道防線。本文以實(shí)際工程為例，重點(diǎn)介紹高烈度區(qū)單向少墻剪力墻結(jié)構(gòu)的消能減震設(shè)計(jì)。

1 建筑概況

某超高層項(xiàng)目位于昆明市盤龍區(qū)，地上47 層，地下4層，地上建筑總高度222.2 m，總建筑面積約12萬m2。首層層高6 m，功能為辦公大堂、餐飲及商業(yè)個(gè)鋪；2層層高6 m，功能為餐飲；3、4層層高5.4 m，功能為辦公；5～46 層功能為公寓式辦公，層高4.5 m，其中5、20及35層為避難層兼設(shè)備層，層高4.8 m；47層功能為內(nèi)部辦公、餐廳及室內(nèi)小型游泳池，層高6.5 m。建筑效果如圖1 所示，標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖2 所示。塔樓平面尺寸為71.2 m×29.4 m，長寬比2.4，高寬比7.6。

圖1 建筑效果Fig.1 Rendering

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面Fig.2 Layout of Standard Floor （mm）

2 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)構(gòu)按照50年設(shè)計(jì)使用年限設(shè)計(jì)，建筑安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為乙類；本場區(qū)抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，地震設(shè)計(jì)分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為Tg=0.55 s；地震設(shè)計(jì)取規(guī)范反應(yīng)譜參數(shù)，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.16。50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為W0=0.30 kPa，地面粗糙度C類。

3 結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)布置

3.1 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)合建筑平面功能、立面造型、抗震（風(fēng)）性能要求、施工周期以及造價(jià)合理等因素，結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn)

⑴地震作用大，基本加速度0.2g，地震影響系數(shù)0.16，地震作用起控制作用。

⑵結(jié)構(gòu)自重較大，地震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)強(qiáng)烈。

⑶受建筑平面布局限制，塔樓為典型的單向少墻結(jié)構(gòu)。Y向可布置較多成榀剪力墻，受力上為典型的剪力墻結(jié)構(gòu)，抗側(cè)效率較高。X向長度較長，但剪力墻布置嚴(yán)重受建筑布局限制，受力上更接近框架-剪力墻結(jié)構(gòu)［1］。

⑷在中、大震作用下，塔樓X向耗能能力不足，框架較早進(jìn)入屈服，屈服后剛度蛻化明顯，較難滿足二道防線要求。如圖3 所示，未采取加強(qiáng)措施的模型雖然可以滿足小震下的剛度要求，但在大震作用下最大層間位移角為1∕95，遠(yuǎn)超過文獻(xiàn)［2］1∕120限值要求。

圖3 未加強(qiáng)模型在大震作用下層間位移角曲線Fig.3 Story Drift Ratio of Unreinforced Modelunder Rare Earthquake

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)對措施

⑴針對X向少墻的特點(diǎn)，采用消能減震技術(shù)，選取結(jié)構(gòu)變形較大處設(shè)置消能器，增加結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制，提升結(jié)構(gòu)在中、大震下的抗震性能，形成多道抗震設(shè)防結(jié)構(gòu)體系。

⑵在采用消能減震技術(shù)的基礎(chǔ)上，沿X向在建筑陽臺處利用分戶墻體位置設(shè)置外框立柱，與剪力墻端柱形成外框加密框架，提高X向兩側(cè)“框架”的抗側(cè)剛度。中震、大震作用下，外框立柱進(jìn)入塑性階段，類似“連梁”作為結(jié)構(gòu)的耗能構(gòu)件，提高X 向的結(jié)構(gòu)抗震延性。外框立柱不落地，在每個(gè)避難層處斷開，只承受局部樓層豎向荷載。

⑶提高X向框架梁性能目標(biāo)。其中中部走廊兩側(cè)X向框架梁按中震不屈服、大震滿足最小抗剪截面的性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免中、大震時(shí)X向結(jié)構(gòu)剛度蛻化過快；外側(cè)陽臺處X向框架梁按不先于外框立柱屈服的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)小震按無外框立柱情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，確保外框立柱損壞后框架梁仍保持完整性。

⑷優(yōu)化剪力墻布置。Y向沿分戶墻設(shè)置9 榀連肢剪力墻，間距8.6 m，提高抗側(cè)效率。X向利用電梯間布置剪力墻并形成筒體，并沿中部走廊兩側(cè)布置長度為3 m的剪力墻。

⑸提高Y向結(jié)構(gòu)的延性。在Y向部分剪力墻設(shè)置雙連梁［3］，如圖4?所示，增加結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制，減少大震下墻肢的損傷并提高大震下結(jié)構(gòu)剛度。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置Fig.4 Structural Layout of Standard Floors

⑹底部加強(qiáng)區(qū)樓層針對關(guān)鍵構(gòu)件采用高延性的構(gòu)件類型，剪力墻端柱采用型鋼混凝土柱，核心筒角部內(nèi)設(shè)型鋼，提高豎向構(gòu)件承載力及抗震延性。

標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖4 所示，主要構(gòu)件截面尺寸如表1所示。

表1 主要構(gòu)件截面尺寸及材料強(qiáng)度等級Tab.1 Section Size and Material Strength Grade

4 消能減震設(shè)計(jì)

4.1 消能裝置的選擇

本項(xiàng)目消能裝置的選擇應(yīng)滿足以下要求：①地震下具有良好的耗能作用；②消能裝置應(yīng)布置靈活，安裝方便，不影響建筑功能；③震后消能裝置可快速便捷更換。

綜合考慮本項(xiàng)目特點(diǎn)后，確定選用RBS 消能墻。RBS 消能墻是在傳統(tǒng)鋼筋混凝土剪力墻的中部嵌入消能鍵構(gòu)造而成［4］，如圖5所示。剪力墻上、下端分別與上層框架梁及本層框架梁同時(shí)施工澆筑形成，并緊密連結(jié)，中間的消能鍵待主體結(jié)構(gòu)施工完成后方進(jìn)行安裝，并與混凝土墻體的上、下端以螺栓連結(jié)。RBS消能墻的核心部件RBS 消能鍵是一種位移相關(guān)型金屬剪切阻尼器，具有良好的滯回性能，可有效耗散地震能量［5-6］。

圖5 消能墻的構(gòu)造Fig.5 Structure of Energy Dissipation Wall

4.2 消能墻的布置

對消能墻的布置設(shè)計(jì)需考慮以下幾點(diǎn)：

⑴優(yōu)先考慮放置于相對剪切變形較大的邊榀且位于建筑的低區(qū)及中區(qū)。

⑵底部樓層（1～6 層）及避難層受建筑功能限制無法布置消能墻。

⑶ 中區(qū)樓層為彈性層間最大位移角出現(xiàn)的區(qū)段，布置消能墻能較好發(fā)揮消能作用，效率較高。

⑷墻肢布置受到平面功能的制約，X向墻肢數(shù)量比Y向少，大震彈塑性時(shí)程分析結(jié)論顯示X向結(jié)構(gòu)剛度比Y向要弱，結(jié)合結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)，低區(qū)、中區(qū)兩向均設(shè)消能墻，X向消能墻數(shù)量為Y向的兩倍。

⑸高區(qū)樓層層間位移相對較小，但考慮到結(jié)構(gòu)剛度的過渡，以及控制高振型響應(yīng)對結(jié)構(gòu)的不利影響，可在高區(qū)設(shè)置少量消能墻。

綜合考慮以上因素，最終確定：在7～19層、21～34層共27層每層設(shè)置12組消能墻，其中Y向4組、X向8組；在36～45 層共10 層每層設(shè)置4 組消能墻，僅在X向布置。消能墻的平面布置如圖4所示。

消能鍵上下的鋼筋混凝土墻體采用400 mm 厚C35 混凝土（與梁混凝土強(qiáng)度等級相同），消能鍵采用BLY160 軟鋼。消能墻屈服力為600 kN，最大極限力為1 200 kN，屈服位移1 mm，極限位移80 mm。消能鍵上下的鋼筋混凝土墻體，以及與之相連的框架梁采用中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)，以保證消能墻的耗能作用得以充分發(fā)揮。

4.3 消能墻的分析方法及設(shè)計(jì)結(jié)果

4.3.1 小震彈性設(shè)計(jì)

在小震和風(fēng)荷載作用計(jì)算時(shí)，消能墻不發(fā)生屈服［7-8］，以抗側(cè)剛度等效的原則，采用鋼斜撐等代計(jì)算［5］，以反映消能墻在小震和風(fēng)作用下對結(jié)構(gòu)側(cè)剛的貢獻(xiàn)。

小震作用下有、無消能墻時(shí)結(jié)構(gòu)的自振周期及層間位移角對比如表2所示。消能墻具有一定的初始彈性剛度，設(shè)置消能墻后結(jié)構(gòu)的基本周期略有減小，X向位移角有較明顯減小。

表2 小震下主要指標(biāo)對比Tab.2 Comparison of Main Indexes under Small Earthquakes

4.3.2 中、大震等效彈性設(shè)計(jì)

中、大震時(shí)消能墻進(jìn)入屈服狀態(tài)，除提供剛度外，還額外提供阻尼及耗能，保證結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》［9］12.3 節(jié)的規(guī)定，消能減震結(jié)構(gòu)的總剛度應(yīng)為結(jié)構(gòu)剛度和消能部件有效剛度的總和，消能減震結(jié)構(gòu)的總阻尼比應(yīng)為結(jié)構(gòu)阻尼比和消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比的總和。按照文獻(xiàn)［9］12.3.4條的計(jì)算方法，對本結(jié)構(gòu)在中震、大震下的消能墻有效剛度及消能墻附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比進(jìn)行迭代計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：

⑴在中震下，消能墻附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比X、Y向分別為0.022、0.016；在大震下，消能墻附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比X、Y向分別為0.029、0.025，兩個(gè)方向附加的阻尼比與兩個(gè)方向消能墻的數(shù)量基本成正比。

⑵在中震下，消能墻的有效剛度約為初始彈性剛度的25%～45%；在大震下，消能墻的有效剛度約為初始彈性剛度的15%～20%。

⑶進(jìn)行中震、大震等效彈性方法計(jì)算時(shí)，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)非線性后，結(jié)構(gòu)總阻尼比可近似取0.07、0.08，等代斜撐的剛度按相應(yīng)消能墻的有效剛度折算后進(jìn)行計(jì)算。

4.3.3 大震彈塑性時(shí)程分析

大震彈塑性時(shí)程分析，按消能墻實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行ABAQUS 有限元模擬，考慮材料的非線性，消能墻與結(jié)構(gòu)整體一起進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，復(fù)核結(jié)構(gòu)是否滿足大震下預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

大震彈塑性時(shí)程分析的層間位移角指標(biāo)如表3所示。天然波2 作用下有、無消能墻時(shí)層間位移角曲線對比如圖6所示。由于X向最大層間位移角出現(xiàn)在底部未設(shè)消能墻的樓層，最大值變化并不明顯，但設(shè)置消能墻的樓層位移角均有不同程度的改善。有消能墻模型與無消能墻模型相比，X向各樓層層間位移角減小約1%～17%，平均減小8%，Y向各樓層層間位移角減小約1%～12%，平均減小6%，說明消能墻可增加結(jié)構(gòu)耗能能力，在一定程度降低結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)。另外，采用消能墻、外框立柱等加強(qiáng)措施之后，結(jié)構(gòu)在大震下兩個(gè)方向的抗震能力基本接近，有效避免了單向少墻結(jié)構(gòu)在少墻方向提前破壞。

表3 大震彈塑性時(shí)程分析層間位移角對比Tab.3 Comparison of Story Drift Ratio of Elastoplastic Time History Analysis under Rare Earthquake

圖6 天然波2作用下有無消能墻時(shí)層間位移角曲線對比Fig.6 Comparison of Story Drift Ratio with or without Energy Dissipation Wall under Natural Wave 2

天然波2 作用下的樓層剪力曲線如圖7 所示。在大震作用下，結(jié)構(gòu)X向框架承擔(dān)的剪力約占樓層剪力的25%左右，消能墻承擔(dān)約5%左右，其余約70%地震剪力由剪力墻承擔(dān)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)受力特性明顯，框架可以發(fā)揮二道防線作用；結(jié)構(gòu)Y向剪力基本由剪力墻承擔(dān)，剪力墻結(jié)構(gòu)受力特性明顯。

圖7 天然波2作用下樓層剪力曲線Fig.7 Story Shear Force under Natural Wave 2

圖8 為天然波1 作用下高區(qū)有、無消能墻時(shí)曲線對比，結(jié)果表明：①高區(qū)無消能墻時(shí)，在天然波1 作用下，結(jié)構(gòu)高振型被充分激發(fā)，引起結(jié)構(gòu)高區(qū)X向位移角產(chǎn)生較大的突變，成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位。②高區(qū)有消能墻時(shí)，高區(qū)X向位移角有明顯減?。◤?∕119 變?yōu)?∕149），消能墻有效限制了高振型響應(yīng)對結(jié)構(gòu)的不利影響，同時(shí)也證明了本結(jié)構(gòu)采用消能墻的必要性。

圖8 天然波1作用下高區(qū)有無消能墻時(shí)X向樓層位移及位移角對比Fig.8 Comparison of X-direction Story Displacement and Drift Ratio with or without Energy Dissipation Wall in High Zone under Natural Wave 1

外框立柱在天然波2作用下的鋼筋塑性應(yīng)變云圖如圖9 所示，可見在大震作用下外框立柱已大部分進(jìn)入屈服，并起到類似連梁的耗能作用。

圖9 天然波2作用下外框立柱鋼筋塑性應(yīng)變云圖Fig.9 Nephogram of Plastic Strain of Reinforcement of Outer Frame Column under Natural Wave 2

4.3.4 消能墻滯回耗能情況

消能墻在整體結(jié)構(gòu)中的典型塑性應(yīng)變云圖如圖10 所示，消能鍵在大震作用下均充分進(jìn)入塑性，起到了充分的塑性耗能作用；與消能鍵相連的剪力墻及框架梁均未屈服，可保證消能鍵充分耗能。

圖10 天然波2作用下典型消能鍵塑性應(yīng)變云圖Fig.10 Nephogram of Plastic Strain of Typical Energy Dissipation Bond under Natural Wave 2

不同樓層消能墻滯回耗能情況如圖11 所示，由圖11 可知，不同樓層的消能墻滯回曲線均十分飽滿，在大震作用下均起到了充分的滯回耗能作用。X向、Y向消能鍵最大變形量分別為37 mm及35 mm。

圖11 天然波2作用下典型消能墻力-位移滯回曲線Fig.11 Force-displacement Hysteretic Curve of Typical Energy Dissipation Wall under Natural Wave 2

結(jié)構(gòu)在大震作用下的能量曲線如圖12所示，天然波2X主方向作用下消能墻滯回耗能約為地震輸入總能量的9%（其中X向消能墻8%，Y向消能墻1%），天然波2Y主方向作用下消能墻滯回耗能約為地震輸入總能量的7%（其中X向消能墻3.5%，Y向消能墻3.5%），兩個(gè)方向消能墻均起到了良好的滯回耗能作用，吸收了一部分地震能量，降低了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性損傷程度。兩個(gè)方向消能墻的耗能比例基本與兩個(gè)方向消能墻的數(shù)量成正比，說明消能墻在高烈度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)（Y向）及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)（X向）中均具有良好的地震耗能作用，可以作為地震下第一道防線，減小地震響應(yīng)，從而有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖12 天然波2作用下的能量曲線Fig.12 Energy Curve under Natural Wave 2

5 結(jié)論

⑴高烈度區(qū)單向少墻剪力墻結(jié)構(gòu)在地震作用下少墻方向耗能能力不足，少墻向框架較早進(jìn)入屈服，屈服后剛度蛻化明顯，較難滿足二道防線要求，需采取措施提高少墻方向的耗能能力。

⑵通過設(shè)置消能墻等措施，可有效增加單向少墻剪力墻結(jié)構(gòu)的耗能能力，使兩個(gè)方向具有基本一致的抗震性能。

⑶RBS 消能墻與單向少墻剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合組成的帶消能墻剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有雙重抗震防線，消能墻在大震作用下率先屈服耗能，可減小地震響應(yīng)，從而有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

⑷單向少墻剪力墻結(jié)構(gòu)中消能墻的耗能比例基本與兩個(gè)方向消能墻的數(shù)量成正比，說明消能墻在高烈度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中均具有良好的地震耗能作用，可以作為地震下第一道防線。

⑸RBS 消能墻（位移相關(guān)型金屬剪切阻尼器）在高烈度區(qū)單向少墻剪力墻結(jié)構(gòu)中得到成功應(yīng)用，為高烈度區(qū)類似結(jié)構(gòu)消能減震設(shè)計(jì)提供了新思路。