新型伸臂消能體系的抗震性能研究

方創(chuàng)杰，涂偉榮，衛(wèi)杰彬，譚 平，張 穎

（廣州大學(xué)抗震中心，廣東 廣州 510405）

新型伸臂消能體系的抗震性能研究

方創(chuàng)杰，涂偉榮，衛(wèi)杰彬，譚 平，張 穎

（廣州大學(xué)抗震中心，廣東 廣州 510405）

以天津某實(shí)際工程項(xiàng)目為例，對(duì)新型伸臂消能結(jié)構(gòu)體系中消能伸臂的數(shù)量、位置和黏滯阻尼器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，比較了這一新型消能體系與常規(guī)消能減震方案的減震效果。研究表明，相對(duì)于常規(guī)消能減震方案，新型伸臂消能結(jié)構(gòu)體系可在布置較少數(shù)量阻尼器時(shí)，仍獲得較好的減震效果，其經(jīng)濟(jì)性十分明顯，可望在實(shí)際工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

消能減震；伸臂；振動(dòng)控制；高層結(jié)構(gòu)

引言

在高層建筑中，伸臂的設(shè)置使核心筒和外框筒協(xié)同工作，增加了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和整體性，有效減少結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移，因此得到了廣泛的使用，而在高層建筑中通過(guò)設(shè)置減震裝置以提高結(jié)構(gòu)抗震性能和舒適度，成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

新型伸臂消能結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)思和設(shè)計(jì)方法最早由英國(guó)ARUP工程顧問(wèn)公司的Smith等人提出，即利用高層建筑中核心筒與外框柱的相對(duì)豎向變形較大的特點(diǎn)，將伸臂與外框柱之間的連接斷開(kāi)并豎向安裝黏滯阻尼器，目前，該種體系已用于菲律賓圣弗朗西斯科兩幢210米高的香格里拉塔[1、2]?；趧傂陨毂鄣募俣?，對(duì)帶一道伸臂的該種新型體系，Gamaliel[3]采用頻域法對(duì)比分析阻尼器與外框柱串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式的抗風(fēng)性能，而陳政清等人[4、5]采用分布質(zhì)量法對(duì)黏滯阻尼系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析，進(jìn)一步根據(jù)Benchmark指標(biāo)對(duì)比分析了黏滯阻尼器和磁流變阻尼器的減震效果。

本文以天津某實(shí)際工程項(xiàng)目為例，對(duì)新型伸臂消能結(jié)構(gòu)體系中消能伸臂的數(shù)量、位置和黏滯阻尼器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，比較了這一新型消能體系與常規(guī)消能減震方案的減震效果。研究表明，相對(duì)于常規(guī)消能減震方案，新型伸臂消能結(jié)構(gòu)體系可在布置較少數(shù)量阻尼器時(shí)，仍獲得較好的減震效果，其經(jīng)濟(jì)性十分明顯，可望在實(shí)際工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 工程概況

天津某工程為混凝土框筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度403.25 m，94層，其17、29、40、51-55M、70、81、94層為加強(qiáng)層。抗震設(shè)防烈度為7度。采用ETABS建立三維空間有限元模型，如圖1所示。

2 消能減震原理

對(duì)設(shè)置了消能阻尼器的工程結(jié)構(gòu)，其在地震作用下的運(yùn)動(dòng)方程可表示如下：

由方程 （1）、 （2）可知，消能減震的原理是通過(guò)阻尼器提供阻尼力來(lái)減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，其減震效果取決于消能器的參數(shù)、設(shè)置位置與數(shù)量。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元分析模型Fig.1 Structural FEM analysis model

3 新型伸臂消能體系

3.1 消能伸臂的數(shù)量和位置

考慮到原結(jié)構(gòu)有7個(gè)加強(qiáng)層，通過(guò)試算各加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)整體的貢獻(xiàn)，確定原結(jié)構(gòu)中保留4個(gè)加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能已經(jīng)足夠[6]，將另外作用不大的三個(gè)加強(qiáng)層斷開(kāi)設(shè)計(jì)成新型的消能伸臂，將阻尼器豎向安裝在加強(qiáng)層的大梁與外框柱之間。這樣得到的新型消能結(jié)構(gòu)體系中一部分加強(qiáng)層采用傳統(tǒng)的伸臂設(shè)計(jì)保留其傳統(tǒng)的聯(lián)系外框與核心筒的職能，將另一部分冗余的加強(qiáng)層設(shè)計(jì)成新型的消能伸臂，從而達(dá)到既保證小震或風(fēng)振下結(jié)構(gòu)所必須的剛度要求，又確保其在強(qiáng)震下的耗能能力。

以輸入1條人工波為例，原結(jié)構(gòu)伸臂豎向相對(duì)速度包絡(luò)值如表1所示。綜合考慮以下因素：

（1）優(yōu)先保證抗震性能的原則，原結(jié)構(gòu)可考慮斷開(kāi)29、81、94層伸臂；

（2）從豎向?qū)娱g速度 （減震效果）來(lái)看，29層和55M層相近；

（3）從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，第55M結(jié)構(gòu)體型和剛度有較大的變化 （見(jiàn)圖1）。

因此，本文在該工程中選擇第55M、81、94層設(shè)置黏滯阻尼器。

3.2 黏滯阻尼器速度指數(shù)優(yōu)化

本工程選用結(jié)構(gòu)的第55M、81、94層作為消能伸臂位置。為了讓阻尼器發(fā)揮最大效能，阻尼系數(shù)均取C=12 000 kN/m·s-1，阻尼器速度指數(shù)按0.3，1.0，2.0三種情況考慮，地震波采用1條人工波，峰值為150 cm/s2，對(duì)比分析了層間位移角和頂層加速度的情況，見(jiàn)圖2和表2。由圖2、表2及公式 （2），可知:

（1）從層間位移角來(lái)看，不同速度指數(shù)的阻尼器均有一定程度的減震作用，但以速度指數(shù)為0.3時(shí)效果最好，且體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上部；

（2）從頂層加速度來(lái)看，類似的，以速度指數(shù)為0.3時(shí)綜合減震效果最好；

（3）當(dāng)速度很大時(shí)，速度指數(shù)為0.3的阻尼器對(duì)連接部位施加的力最小，可起到保護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用。

綜上所述，阻尼器的速度指數(shù)為0.3時(shí)減震效果最優(yōu)，故下文阻尼器的速度指數(shù)選用它。

3.3 消能減震方案

為了說(shuō)明新型消能伸臂體系的減震效果，基于同樣的阻尼器數(shù)量和阻尼器參數(shù)，且均集中布置在伸臂層，選擇常規(guī)消能減震方案 （方案一）和新型伸臂消能體系 （方案二）兩種不同減震方案進(jìn)行比較。

方案一：在結(jié)構(gòu)伸臂層水平布置阻尼器，將黏滯阻尼器水平布置在相應(yīng)伸臂層的外框柱和核心筒之間，采用剪切連接方式，使阻尼器能充分利用層間變形耗能減震。選擇設(shè)置阻尼器的伸臂層每層設(shè)置16個(gè)阻尼器，X、Y方向各8個(gè)，同一位置放2個(gè)，總共48個(gè)阻尼器。

表1 伸臂的豎向?qū)娱g速度比較Table 1 Comprision of vertical floor velocity of outrigger

圖2 層間位移角對(duì)比圖Fig.2 Comparison of story drift angle

方案二：將結(jié)構(gòu)相應(yīng)加強(qiáng)層的伸臂與外框柱斷開(kāi)，在伸臂的大梁與外框柱之間垂直布置阻尼器，以從分利用兩者的豎向變形差異來(lái)耗散地震能量。消能伸臂層每層設(shè)置16個(gè)阻尼器，X、Y向各8個(gè)，同一位置2個(gè)，總共48個(gè)阻尼器。

阻尼器均采用速度指數(shù)為0.3、阻尼系數(shù)為6 000 kN/m·s-1的非線性黏滯阻尼器，最大出力為3 000 kN(見(jiàn)表3)。

兩種減震方案的對(duì)比如表4和圖3所示。

3.4 減震效果比較

地震波中震選用天然波CHI-CHI和2條人工波。為節(jié)約篇幅，以下僅給出X向結(jié)果。由圖4～6可知：

（1）從層間位移角來(lái)看，三種方案均呈傾斜弓形，兩種減震方案均有一定的減震效果，減震效果主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上部，中底部基本重合。總體來(lái)看，方案二的減震效果較方案一好；

（2）加速度的減震效果比較明顯，且類似地，方案二較方案一更為有效；

（3）隨著地震強(qiáng)度的增加，減震效果更為明顯，這對(duì)于保障高層建筑的地震安全性是非常重要的。

4 結(jié)語(yǔ)

表2 頂層加速度比較Table 2 Comprisions of acceleration of top floor

本文以天津某工程項(xiàng)目為例，介紹了新型伸臂消能結(jié)構(gòu)體系伸臂位置的選擇和黏滯阻尼器的參數(shù)優(yōu)化，基此對(duì)比分析了常規(guī)消能減震方案和新型伸臂消能結(jié)構(gòu)的兩種減震方案的層間位移角和樓層加速度。研究表明，新型伸臂消能結(jié)構(gòu)體系：

（1）對(duì)層間位移角的減震效果主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上部，這說(shuō)明該種體系比較適用于以彎曲變形為主的超高層建筑；

（2）相對(duì)于層間位移角，頂點(diǎn)加速度的減震幅度較大，這對(duì)高層建筑中以舒適度為主要控制目標(biāo)的有重要的實(shí)際意義；

表3 阻尼器參數(shù)Talbe 3 Parameters of damper

表4 兩種減震方案對(duì)比Table 4 Comparisons of two schemes of energy dissipation

（3）隨著激勵(lì)增大，減震作用更為明顯，但減少幅度下降。這說(shuō)明該種體系應(yīng)基于設(shè)定的性能目標(biāo)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，充分利用彎曲變形并防止彎曲變形過(guò)大帶來(lái)的不良影響。

總之，新型伸臂消能結(jié)構(gòu)體系在同樣布置少量阻尼器的情況下，仍有較好的減震效果，值得在工程中推廣應(yīng)用。

圖3 阻尼器減震方案Fig.3 Schemes of energy dissipation using dampers

圖4 層間位移角包絡(luò)圖Fig.4 Envelope diagram of floor displacement angle

圖5 樓層加速度包絡(luò)圖Fig.5 Envolope diagram of floor acceleration

圖6 人工波1激勵(lì)下頂點(diǎn)加速度時(shí)程圖Fig.6 Acceleration of vertex for fired with artificial wave 1

[1]Rob J.Smith，Michael R.Willford.The damped outrigger concept for tall building[J].The Structural Design of Tall and Special Buildings， 2007， 16:501～517.

[2]Samuele Infanti， Jamieson Robinson， Rob Smith.Viscous dampers for high-rise buildings[A].In:The 14th World Conference on Earthquake Engineering[C].Beijing:China，2008.

[3]Renard Gamaliel.Frequency-base response of damped outrigger systems for tall buildings[D].Berkeley:B.S.，Civil and Environmental engineering，2007.

[4]Zheng-qing Chen，Zhi-hao Wang.A novel passive energy dissipation system for frame-core tube structure[A].In:The Seventh Asia-Pacific Conference on Wind Engineering， Taipei:Taiwan， 2009.

[5]Zhihao Wang， Zhengqing Chen， Chia-Ming Chang,Billie F.Spencer， Jr.Controllable outrigger damping system for high rise building with MR dampers[J].Sensors and Smart Structures Technologies for Civil，Mechanical， and Aerospace Systems， 2010， 7647(76473Z-1):1-8.

[6]沈蒲生.帶加強(qiáng)層與錯(cuò)層高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Seismic Performance of a New Damped Outrigger System

FANG Chuangjie， TU Weirong， WEI Jiebin，TAN Ping，ZHANG Ying

(Earthquake Engineering Research and Test Center， Guangzhou University，Guangzhou 510405，China)

In this paper,the number and position of outriggers and parameters of viscous dampers are investigated and optimized for a real high-rise building with novel damped outriggers in Tianjin.The paper compares seismic performance of the new damped outrigger system with that of the traditional energy dissipation system by the numerical simulation.Results show that the new damped outrigger system can greatly improve the seismic performance of high-rise building with a relatively small amount of viscous dampers.Thus,it is worthwhile to popularize and apply the new damped outrigger system in practical civil projects.

Energy dissipation;Outrigger;Structural control;Highrise building

P315.92

A

1001-8662（2011）04-0070-06

2011-11-16

國(guó)家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目 (90815027)；廣州市羊城學(xué)者科技計(jì)劃項(xiàng)目 （10A032D）

方創(chuàng)杰，1982年生，碩生研究生，主要從事結(jié)構(gòu)減震控制.E-mail:13602436123@qq.com.

譚 平，1973年生，男，博導(dǎo)，研究員.E-mail:tanping2000@hotmail.com.