唐建余 潘文 董衛(wèi)青 梁佶 孫柏峰

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.昆明理工大學(xué)工程抗震研究所 昆明 650500；3.云南省設(shè)計院集團(tuán)有限公司 昆明 650032)

0 引言

抗震設(shè)計是保證建筑安全功能需求的關(guān)鍵，采用正確的抗震性能化設(shè)計方法有利于分析與計算超高層結(jié)構(gòu)的抗震性能，在設(shè)計時更加有針對性地加強建筑結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，從而達(dá)到建筑的抗震設(shè)計要求。在小震、中震作用下，運用彈性動力時程分析方法，通過減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的彈性時程分析的對比，得出粘滯阻尼器在小震和中震作用下的減震正效果。

在大震中，運用彈塑性動力分析，計算與分析建筑在大震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，給出建筑結(jié)構(gòu)開裂和屈服的順序，判斷建筑結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)、結(jié)構(gòu)是否處于彈塑性階段及可能出現(xiàn)的破壞形式。

1 工程概況

該建筑為一棟57層超高層建筑，建筑的總高度為249.1 m，主體設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)體系采用懸臂式阻尼桁架減震的混合框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[1]，抗震設(shè)防分類為重點設(shè)防類，根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[2]，本建筑安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為 1.1，抗震設(shè)防烈度為8度，地震加速度值是0.2g，地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.65 s,結(jié)構(gòu)自振周期小于6.0 s，應(yīng)阻尼比為4%，建筑模型如圖1所示。

圖1 建筑模型

2 減震方案分析

2.1 減震方案概況

建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)過抗震設(shè)防設(shè)計后，在多遇地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)能夠基本保持彈性；在罕遇地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的主體將進(jìn)入塑性階段,但是與阻尼器連接的結(jié)構(gòu)處于彈性階段，與阻尼器相連的子框架需滿足極限承載力要求；安裝在建筑物中的阻尼器應(yīng)首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，以吸收大量的地震能量來保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。本文利用PKPM、ETABS軟件，在小震作用下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以及對結(jié)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行對比。在大震作用下，使用PERFORM-3D對建筑進(jìn)行分析，對結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)進(jìn)行對比，得出建筑的減震效果。

2.2 阻尼器的工作機理、布置及參數(shù)

粘滯阻尼器的工作原理是當(dāng)流體通過節(jié)流孔后產(chǎn)生粘滯阻力，它是一種與速度相關(guān)、與剛度無關(guān)的阻尼器。缸體、活塞和粘滯流體是粘滯阻尼器主要組成部份，在外界作用下，缸體內(nèi)的活塞桿發(fā)生移動，使得受壓的流體穿過孔隙或縫隙，從而產(chǎn)生阻尼力。

按照《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》[3]、《建筑消能阻尼器》[4]的要求，在不影響建筑效果及使用功能的前提下，考慮到建筑功能需求，通過方案對比，在建筑第23層、35層、47層的結(jié)構(gòu)上設(shè)置懸臂式粘滯阻尼桁架進(jìn)行減震。每層X向、Y向各布置4組粘滯阻尼器，每組粘滯阻尼器為2個，共布置48個阻尼器。阻尼器阻尼力為2 000 kN，阻尼系數(shù)C為300 kN/(mm·s-1)α，阻尼指數(shù)為0.35。阻尼器構(gòu)造和布置見圖2和圖3。

圖2 筒式粘滯消能器構(gòu)造

圖3 粘滯阻尼伸臂平面布置

3 地震波的選取與分析

3.1 地震波的選取

在多遇震作用下，根據(jù)規(guī)范，當(dāng)選擇2條人工波和5條天然波經(jīng)行彈性時程分析時，時程法的計算結(jié)果取7條波的平均值，而振型分解反應(yīng)譜法則取其較大值。其中5條天然波分別是Landers、SHW10、HectorMine、Sup728、TH1-PW，2條人工波分別是ArtWave-RH2、ArtWave-RH3。實際使用時，將天然波和人工波的峰值主向加速度縮放至8度小震水平(PGA=70 cm/s2)。

3.2 地震波的合理性分析

選用PKPM和ETABS 2種軟件進(jìn)行非減震結(jié)構(gòu)的時程分析，得出了該建筑物在2種軟件運行下的基地剪力值(反應(yīng)譜、七條地震波、時程分析平均值)。7條波計算的建筑基底剪力值與反應(yīng)譜基地剪力值的對比見表1、表2。

表1 PKPM 非減震結(jié)構(gòu)底部剪力

表2 ETABS非減震結(jié)構(gòu)底部剪力

由表1、表2看出，每一條地震波的剪力值均小于振型分解反應(yīng)譜的剪力值，故這7條波的選取滿足相關(guān)規(guī)范。

4 減震分析

4.1 粘滯阻尼器小震減震分析

4.1.1 樓層剪力、位移角

在建筑23層、35層、47層結(jié)構(gòu)上布置粘滯阻尼器，考慮粘滯阻尼器的非線性，建筑結(jié)構(gòu)減震分析主要通過減震與非減震結(jié)構(gòu)的剪力、位移角進(jìn)行對比。在小震作用下，建筑減震與非減震結(jié)構(gòu)的剪力與位移角對比見圖4、圖5。

(a)X向剪力 (b)Y向剪力

(a)X向

在建筑上布置阻尼器后，減震結(jié)構(gòu)比非減震結(jié)構(gòu)首層X向剪力減小17%，Y向為18%。在第二層及以上各層也有較大幅度的減小。在建筑布置阻尼器的23、35、47層X向樓層剪力分別減小了8%、8%、7%，Y向分別為5%、6%、8%；通過對比減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)樓層位移角得出在布置阻尼器后，減震結(jié)構(gòu)比非減震結(jié)構(gòu)層間位移角最大值的減小率：X向為24%，Y向為28%。

4.1.2 小震下附加阻尼比分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]，建筑減震構(gòu)件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比，可按下列方法確定。

消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按下式估算：

(1)

式中,ξa為消能減震結(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比；Wcj為第j個消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期層間位移△uj下往復(fù)循環(huán)一周所消耗的能量；Ws為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能。

經(jīng)減震計算分析，各阻尼器計算結(jié)果見表3、表4。

表3 X向阻尼器總耗能及附加阻尼比

表4 Y向阻尼器總耗能及附加阻尼比

根據(jù)結(jié)構(gòu)附加阻尼比的計算結(jié)果，小震下X向阻尼器附加阻尼比為 2.96%，Y向阻尼器附加阻尼比為3.23%。結(jié)構(gòu)位移角計算時附加阻尼比為2.9%，總阻尼比為 6.9%。結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計時仍采用4%。

4.2 粘滯阻尼器中震減震分析

4.2.1 樓層剪力

中震作用下結(jié)構(gòu)基本保持彈性，減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)樓層剪力對比見圖6。

(a)X向剪力 (b)Y向剪力

對比中震減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)樓層剪力，布置阻尼器后，減震結(jié)構(gòu)比非減震結(jié)構(gòu)首層X向剪力減小13%，Y向為 12%。首層以上也有較大幅度的減小。在布置阻尼器的23、35、47層，X向樓層剪力分別減小 9%、10%、9%，Y向分別為 7%、6%、9%。

4.2.2 底部墻體拉力分析

在中震作用下，底部墻體在X向、Y向會出現(xiàn)拉力，減震與非減震結(jié)構(gòu)墻體拉力的平均值對比見表5、表6。

表5 X向的墻體拉力

表6 Y向的墻體拉力

4.3 大震下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

4.3.1 地震波的選取

在大震作用下，選擇1條人工波和2條天然波作為時程分析的輸入加速度，選波的原則嚴(yán)格按照抗規(guī)要求，3條波彈性時程分析與反應(yīng)譜對比見表7。

表7 各條波彈性時程分析與反應(yīng)譜對比

4.3.2 模型的建立及基本假定

將該建筑在地下室完全嵌固的前提下進(jìn)行彈塑性時程分析。結(jié)構(gòu)重力荷載通過施加重力場加速度的方式考慮，重力場加速度按9.81 m/s2取值。在施加重力場荷載并取得靜力平衡后，再輸入地震波。阻尼比采用4%，阻尼使用瑞利阻尼，阻尼矩陣C是由質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K疊加組合而成，阻尼矩陣在整個求解過程中保持恒定不變。在彈塑性時程分析時選用Perform-3D軟件和ACC3、HEC1762、TH075這3條波來進(jìn)行。

4.3.3 彈塑性時程分析

(1) 基底剪力

各時程工況下的非減震基底最大剪力與減震基底最大剪力對比見表8。

表8 非減震基底最大剪力與減震基底最大剪力對比

各時程工況下，減震模型較非減震模型樓層剪力總體上有所減小，但是減小幅度不大。

(2) 層間位移角

各時程工況作用下結(jié)構(gòu)層間位移角對比見表9。

表9 各時程工況下最大位移角對比

4.3.4 抗震性能評價

總體來說，在大震作用下，建筑基本能夠保持彈塑性，建筑的主體結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性損傷較輕；粘滯阻尼器附加阻尼比最小為0.90%，具體見表10。

表10 附加阻尼比

在時程工況作用下，粘滯阻尼器最大力和變形發(fā)生在ACC3作用下，其中X向時程作用下最大力為1 797.5 kN，變形為118.3 mm，對應(yīng)速度為168 mm/s；Y向時程作用下最大力為1 798.0 kN，變形為121.3 mm，對應(yīng)速度為168 mm/s。

4.4 性能評價

根據(jù)結(jié)構(gòu)在各地震工況下的塑性響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件抗震性能進(jìn)行評價，建筑的鋼管柱與鋼框梁塑性損傷較輕，外筒中間部位連梁由于加設(shè)型鋼，強度較臂式阻尼桁架樓層(23、35、47層，沒有進(jìn)入屈服，外筒其他連梁多數(shù)進(jìn)入屈服，底部加強區(qū)核心筒墻體個別進(jìn)入屈服，設(shè)置懸7層)核心筒墻體，由于層高較高，墻體平面內(nèi)壓彎破壞較為嚴(yán)重，減震模型與伸臂粘滯阻尼器連接相應(yīng)墻體通過增設(shè)墻體暗柱配筋率來保證大震的極限承載力滿足要求。

5 結(jié)論

(1)在小震作用下，通過減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)在7條地震波下參數(shù)的對比結(jié)果可以看出，減震結(jié)構(gòu)(布置粘滯阻尼器)與非減震結(jié)構(gòu)相比，減震結(jié)構(gòu)在X、Y向的基地剪力和樓層的位移都有了明顯減小，在最不利位置和布置阻尼器相鄰的樓層的減小較為突出，在小震和中震作用下結(jié)構(gòu)基本保持彈性，故滿足相關(guān)要求。

(2)在大震作用下，通過3條地震波作用下的參數(shù)結(jié)果對比可以得出，減震結(jié)構(gòu)的X向和Y向基底剪力值有所減小，但減小的幅度很小；而減震結(jié)構(gòu)的X向和Y向最大層間位移、位移角、最大位移有明顯減小，且粘滯阻尼器附加阻尼比最小為0.90%，建筑結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件在大震作用下具有良好的抗震性能，所以該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計達(dá)到“大震不倒”的要求。