帶加強(qiáng)層高層建筑地震作用分析與減震研究

劉 濤，李愛群，顧小平，裴友法，張志強(qiáng)

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210096;2.江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳 抗震辦公室，南京 210036)

高層建筑采用框架—筒體結(jié)構(gòu)體系時，如果水平剛度不能滿足設(shè)計要求，可以考慮將結(jié)構(gòu)的設(shè)備層或者避難層的空間設(shè)計為加強(qiáng)層［1－7］。加強(qiáng)層的設(shè)置一般有兩種方法:① 是在核心筒和外框架之間設(shè)置剛度較大的伸臂構(gòu)件;② 是在外框架之間設(shè)置剛度較大的環(huán)向加強(qiáng)構(gòu)件［1－2］。前者一般采用箱形梁、斜腹桿桁架或者空腹桁架;后者一般采用開孔梁、斜腹桿桁架或者空腹桁架［1］。設(shè)置加強(qiáng)層可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度、減小側(cè)移，但是也會引起加強(qiáng)層及其附近樓層內(nèi)力和側(cè)移突變。因此，對帶加強(qiáng)層高層建筑在地震作用下的內(nèi)力和側(cè)移規(guī)律需要深入研究。

框架－筒體結(jié)構(gòu)用于高烈度區(qū)的高層建筑時，若按照一般抗震設(shè)計，可能導(dǎo)致較多不良后果，如:材料花費較多，工程造價提高，結(jié)構(gòu)在大震作用下可能破壞嚴(yán)重等。為克服傳統(tǒng)抗震方法的缺陷，結(jié)構(gòu)振動控制技術(shù)(簡稱“結(jié)構(gòu)控制”)逐漸發(fā)展起來，并被認(rèn)為是減輕結(jié)構(gòu)地震和風(fēng)振反應(yīng)的有效手段。如果說傳統(tǒng)抗震設(shè)防技術(shù)屬于一種被動、消極的抗震措施的話，結(jié)構(gòu)控制則屬于主動、積極的抗震措施，其目的在于提高結(jié)構(gòu)抗震可靠性、抗風(fēng)舒適度和使用性能［3］。結(jié)構(gòu)消能減振技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，它是通過在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置安裝消能減振裝置，利用這些裝置的耗能來減小結(jié)構(gòu)在地震和強(qiáng)風(fēng)作用下的反應(yīng)［8－13］。粘滯流體阻尼器就是一種性能優(yōu)良的消能減振裝置，國內(nèi)外很多學(xué)者對其基本性能進(jìn)行了研究。本文將針對具體工程－位于高烈度區(qū)的帶加強(qiáng)層、豎向剛度突變的高層建筑，首先研究其動力特性和在地震作用下的側(cè)移特點，然后應(yīng)用粘滯流體阻尼器進(jìn)行減震研究。

1 工程概況

本文背景工程為某高烈度區(qū)一座雙塔樓高層建筑，地下室5層，地上38層(包括五層裙房，裙房以上為雙塔樓)。結(jié)構(gòu)體系為框架－筒體結(jié)構(gòu)，柱子采用鋼骨混凝土柱，梁采用鋼混凝土組合梁。結(jié)構(gòu)平面縱向長72 m，橫向?qū)?8 m，地上部分總高度156 m。塔樓部分標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置見圖1(由于兩個塔樓布置對稱，圖中只給出了一側(cè)塔樓平面布置)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011－2010)的規(guī)定，本工程的抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計基本地震加速度值為0.20 g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地土為Ⅱ類，場地特征周期值取0.35 s。

圖1 塔樓部分標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及加強(qiáng)桁架布置圖(單位:mm)Fig.1 Plane of tower's standard storey and arrangement of reinforced trusses(Unit:mm)

本工程的結(jié)構(gòu)布置方面有兩個需要注意的地方:

(1)結(jié)構(gòu)在十六層和二十七層設(shè)置加強(qiáng)層。采用鋼斜腹桿桁架形式，在主梁下布置連接核心筒和外圍框架的伸臂加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并沿外框架布置環(huán)形加強(qiáng)桁架。伸臂加強(qiáng)桁架桿件截面為箱形800×300×25(mm)，環(huán)形加強(qiáng)桁架桿件截面為箱形650×300×20(mm)。加強(qiáng)桁架布置見圖1。

(2)由于設(shè)備布置需要，結(jié)構(gòu)的第三十四和三十六層沒有樓板。這就造成結(jié)構(gòu)的豎向剛度在三十四到三十六層出現(xiàn)突變，并進(jìn)而影響整個結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移規(guī)律。

2 帶加強(qiáng)層豎向剛度突變高層建筑動力特性分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)初步設(shè)計方案，建立有限元模型，并計算其動力特性。有限元模型見圖2，部分振型的周期和質(zhì)量參與率見表1。

2.2 動力特性分析

根據(jù)表1的動力特性數(shù)據(jù)可以看出:

表1 部分振型周期和質(zhì)量參與率Tab.1 Partial natural vibration periods and mass participation rate

(1)由于結(jié)構(gòu)的塔樓部分核心筒布置在靠近塔樓內(nèi)側(cè)位置，造成結(jié)構(gòu)平面剛度不對稱，因此扭轉(zhuǎn)振動在結(jié)構(gòu)的低階振型中表現(xiàn)較為明顯。

(2)結(jié)構(gòu)豎向振動很小，在地震響應(yīng)分析時可以忽略。

(3)到第34階振型，結(jié)構(gòu)X向和Y向的累計質(zhì)量參與率才超過90%。可見，計算結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)時，高振型對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的貢獻(xiàn)需要注意。

3 帶加強(qiáng)層豎向剛度突變高層建筑側(cè)移分析和減震設(shè)計

3.1 地震波的選擇

本文擬采用動力時程分析法分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力和變形。時程分析法中，輸入地震波的選取是時程分析結(jié)果能否既反映結(jié)構(gòu)最大可能遭受的地震作用，又滿足工程抗震設(shè)計基于安全和功能的要求的前提。地震波選取的原則是:選用的地震波應(yīng)與設(shè)計反應(yīng)譜在統(tǒng)計意義上一致，對計算結(jié)果的評估是以結(jié)構(gòu)底部剪力和振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果進(jìn)行比較，控制在一定范圍內(nèi)。本工程選用 EL-Centro波、Federal波以及一條人工合成波，圖3給出了人工波的波形，表2給出了根據(jù)每條波時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力和振型分解反應(yīng)譜法計算的結(jié)果。經(jīng)分析表明，所選三條波滿足規(guī)范5.1.2條的要求(彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%)。

表2 時程分析法和反應(yīng)譜法計算的底部剪力(單位:kN)Tab.2 Base shears from time history analysis and response spectrum(Unit:kN)

3.2 側(cè)移分析

將所選擇的地震波作為地面震動加速度時程輸入未加阻尼器的原結(jié)構(gòu)，利用非線性有限元計算軟件計算結(jié)構(gòu)在地震波作用下的層間變形。圖4給出了地震波在X、Y兩個方向分別作用時結(jié)構(gòu)的層間變形，從中可以看出，由于設(shè)置兩道加強(qiáng)層、頂部兩層沒有樓板，本工程在地震作用下的側(cè)移有比較顯著的、不同于其他框架－筒體結(jié)構(gòu)的特點，主要表現(xiàn)在:

(1)層間側(cè)移從底層開始逐漸變大，到?jīng)]有樓板的樓層達(dá)到最大。一般地，框架—筒體結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下側(cè)移應(yīng)為彎剪型——頂部和底部都較小、中間樓層變形最大。但是由于本工程頂部第三十四和三十六層沒有樓板，使得側(cè)移規(guī)律發(fā)生質(zhì)變:從底層開始一直增大，到?jīng)]有樓板的樓層達(dá)到最大，然后再減小?？梢姡瑯前逶谶B接外圍框架和核心筒、協(xié)調(diào)兩者變形中起到?jīng)Q定作用。樓板缺失時，不僅附近樓層的側(cè)移發(fā)生改變，而且連帶整個結(jié)構(gòu)的側(cè)移規(guī)律發(fā)生本質(zhì)變化。因此，對于位于高烈度區(qū)的框架－筒體結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)盡量在每層設(shè)置面積、剛度相似的樓板，以使外圍框架和核心筒共同變形、減小側(cè)移。

(2)加強(qiáng)層所在樓層側(cè)移比其附近樓層小很多，側(cè)移曲線在加強(qiáng)層附近發(fā)生突變。加強(qiáng)層的環(huán)向桁架將外圍框架柱聯(lián)系在一起，共同受力、共同變形。伸臂加強(qiáng)桁架將外圍框架和核心筒聯(lián)系在一起，使得框架更多地參與抗傾覆、增大結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩。從圖4可以清晰地看出，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的側(cè)移在加強(qiáng)層附近突然減小。這種剛度突變導(dǎo)致的側(cè)移和受力突變使得結(jié)構(gòu)在地震作用下可能形成薄弱層，嚴(yán)重者將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在大震作用下的破壞機(jī)理難以呈現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”的延性屈服機(jī)制［1］。因此，在地震區(qū)尤其是高烈度區(qū)采用帶有加強(qiáng)層的框架－核心筒結(jié)構(gòu)應(yīng)慎重，最好采取有效措施，減小加強(qiáng)層帶來的不利影響。

3.3 消能減震設(shè)計

根據(jù)初步設(shè)計方案的建筑設(shè)計圖、結(jié)構(gòu)布置圖及其他相關(guān)資料，在本工程層中設(shè)置粘滯流體阻尼器，這樣可以有效地增加結(jié)構(gòu)的阻尼比，顯著降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而減小主要受力構(gòu)件的截面和配筋，增加建筑物的使用面積，降低工程造價。

粘滯流體阻尼器及其附屬裝置是作為結(jié)構(gòu)消能減振體系的消能桿件或消能裝置而應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中的，其核心部分是一種液壓裝置，包括連接件、導(dǎo)桿、活塞、阻尼孔、油缸、密封材料和阻尼材料(阻尼介質(zhì))等幾部分［8－14］。其基本原理是，結(jié)構(gòu)受到地震(或風(fēng))力的作用時，與結(jié)構(gòu)共同工作的粘滯流體阻尼器的導(dǎo)桿受力，推動活塞運動，活塞兩邊的高粘性阻尼介質(zhì)產(chǎn)生壓力差，使阻尼介質(zhì)通過阻尼孔，從而產(chǎn)生阻尼力，達(dá)到消能減振的目的。研究表明，粘滯流體阻尼器是一種無剛度、速度相關(guān)型的阻尼器，具有耗能能力強(qiáng)、加工精度高、外型美觀等特點，其阻尼力F與活塞運動速度V之間的關(guān)系可表示為:

式中，α為一常數(shù)，通常稱為阻尼指數(shù)，因阻尼器的內(nèi)部構(gòu)造不同，其值通常在0.2～3.0之間。

3.3.1 設(shè)置不同數(shù)量阻尼器減震效果分析

考慮到建筑物的使用功能和空間布置，在結(jié)構(gòu)的第23～26層、第28～36層沿X軸方向設(shè)置線性粘滯流體阻尼器，即α=1，阻尼系數(shù)取為2×107(N·s/m)。粘滯流體阻尼器數(shù)量從每層4個到每層10個，兩個塔樓對稱布置。圖5給出了三條波分別作用下減震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的X向?qū)娱g側(cè)移(設(shè)置阻尼器的樓層)對比。從中可以看出，設(shè)置阻尼器后結(jié)構(gòu)層間側(cè)移有不同程度的減小，但當(dāng)每層阻尼器的數(shù)量從8個增加到10時，X向?qū)娱g側(cè)移減小不明顯。表3給出了設(shè)置阻尼器后結(jié)構(gòu)的X向底層剪力。

圖5 設(shè)置不同數(shù)量阻尼器X向側(cè)移對比Fig.5 Comparison of lateral displacements of X direction by different damper amounts

表3 設(shè)置阻尼器后結(jié)構(gòu)X向底部剪力(單位:kN)Tab.3 Base shears by the direction of X with different damper amounts(Unit:kN)

表3與表2相比較可以看出，設(shè)置阻尼器后結(jié)構(gòu)的X向底部剪力有所減小，當(dāng)每層設(shè)置8個阻尼器時，底部剪力減小約22%。當(dāng)每層阻尼器的數(shù)量從8個增加到10時，X向底部剪力減小不明顯。綜合考慮，本工程在建筑設(shè)計的約束下，每層設(shè)置8個粘滯流體阻尼器對減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移、減小構(gòu)件受力是有效的。

3.3.2 阻尼器設(shè)置在不同樓層減震效果比較

本節(jié)考察阻尼器數(shù)量確定、布置樓層不同時的減震效果。根據(jù)3.3.1節(jié)的討論結(jié)果，每層設(shè)置8個阻尼器，共在13層中設(shè)置阻尼器。討論三種阻尼器布置方案:一種是阻尼器布置在頂部層間位移較大的樓層－第23～26層、第28～36層;一種是阻尼器布置在中間樓層－第13～15層、第17～26層;一種是阻尼器布置在底部層間位移較小的樓層－第1～13層。表4給出了三種布置情況下，減震結(jié)構(gòu)的X向底層剪力。從中可以看出，第一種布置方案下，減震效果最理想?？梢?，將粘滯流體阻尼器布置在層間位移較大的樓層可以使阻尼器更為充分地發(fā)揮消能減震的作用。

表4 三種布置方案下減震結(jié)構(gòu)X向底部剪力(單位:kN)Tab.4 Base shears by the direction of X under three configurations of dampers(Unit:kN)

綜上所述，本工程在第23～26層、第28～36層的X向，每層設(shè)置8個粘滯流體阻尼器(對稱布置)，具體位置見圖1。阻尼器在梁下采用人字形支撐，以便充分發(fā)揮阻尼器的作用，并給梁下人行預(yù)留空間。

4 帶加強(qiáng)層高層建筑抗震設(shè)計建議

帶加強(qiáng)層高層建筑在地震或風(fēng)等水平荷載作用下，受力和變形都會在加強(qiáng)層及其附近樓層發(fā)生突變，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很大不便，嚴(yán)重者會導(dǎo)致地震作用下發(fā)生“強(qiáng)梁弱柱”或“強(qiáng)彎弱剪”等非延性破壞。因此，在設(shè)計中一定要高度重視加強(qiáng)層的設(shè)置。一般來說，加強(qiáng)層的作用是提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度、減小結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的變形，因此，加強(qiáng)層的設(shè)置要以“達(dá)到目的、適可而止”為原則，不能一味追求加強(qiáng)層的剛度。文獻(xiàn)［1］建議在必要時設(shè)置“有限剛度”的加強(qiáng)層，從概念上強(qiáng)調(diào)盡可能調(diào)整、增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)的剛度，采用加強(qiáng)層只是彌補(bǔ)整體剛度之不足。但是，加強(qiáng)層的設(shè)置有時需要考慮與建筑上需要的設(shè)備層相協(xié)調(diào)，不是單純地由結(jié)構(gòu)設(shè)計師來確定。因此，在高烈度區(qū)高層建筑設(shè)計時，結(jié)構(gòu)師要與建筑師充分協(xié)調(diào)，確定加強(qiáng)層的數(shù)量和合理位置，盡量減小加強(qiáng)層給結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。

建筑設(shè)計或設(shè)備布置有時要求將結(jié)構(gòu)某層全部或部分樓板取消，這將導(dǎo)致框架——筒體結(jié)構(gòu)中框架和核心筒的聯(lián)系減弱，不能有效連接、共同變形和受力。通過本文對背景工程的分析可以看出，樓板缺失有時會導(dǎo)致框架－筒體結(jié)構(gòu)整體側(cè)移規(guī)律的改變。因此，對于樓板面積縮小的樓層變形和受力一定要高度關(guān)注。一般來說，建議不要整個樓層不布置樓板，可以在設(shè)備不經(jīng)過的梁間布置部分樓板，并盡量集中布置以更多地發(fā)揮樓板的作用。另外，也可以將加強(qiáng)層布置在該層，盡可能地使框架和核心筒共同受力，以使層間變形的突變減小到最小。

5 結(jié)論

本文以具體工程為背景，研究了帶加強(qiáng)層、豎向剛度突變的高層建筑的動力特性、地震作用下的側(cè)移規(guī)律和減震優(yōu)化設(shè)計，得出以下結(jié)論:

(1)加強(qiáng)層的存在使得框架－筒體結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移在加強(qiáng)層附近發(fā)生突變，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來不便。因此，加強(qiáng)層的布置要以“達(dá)到目的、適可而止”為原則，采用“有限剛度”的加強(qiáng)層。不能認(rèn)為加強(qiáng)層剛度越大越好，否則將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變加劇、內(nèi)力驟變、罕遇地震下結(jié)構(gòu)可能在加強(qiáng)層附近形成薄弱層而破壞。

(2)樓板缺失對框架－筒體結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移影響很大，嚴(yán)重者將導(dǎo)致框架－筒體結(jié)構(gòu)整體側(cè)移規(guī)律的改變。因此，設(shè)計時應(yīng)盡量不要使整個樓層沒有樓板，必要時可以將加強(qiáng)層設(shè)置在樓板較少的樓層，用以聯(lián)系外框架和核心筒，協(xié)調(diào)變形、減小豎向剛度突變。

(3)粘滯流體阻尼器滯回曲線飽滿，耗能能力強(qiáng)，在高層建筑減震設(shè)計中有廣闊的應(yīng)用前景。本文在背景工程中設(shè)置粘滯流體阻尼器，通過數(shù)值分析可以看出，本文選用的地震波是合適的，加了阻尼器之后結(jié)構(gòu)在X向地震作用下的層間變形和底部剪力都有所減小。經(jīng)過合理優(yōu)化設(shè)計(每層設(shè)置8個阻尼器，阻尼器設(shè)置在頂部層間位移較大的樓層)，底部剪力可以減小20%～25%?？梢姡捎谜硿黧w阻尼器用于高烈度區(qū)帶加強(qiáng)層高層建筑，減震效果良好。

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