薛紅京, 束偉農(nóng)

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

伸臂技術應用與發(fā)展是高層建筑發(fā)展的主要驅動力之一。高層建筑側向主要受風力與地震作用影響,隨著建筑高度增加,豎向荷載基本按建筑高度呈線性增加,而水平荷載(主要是風力與水平地震作用)下產(chǎn)生的樓層彎矩與建筑高度呈3次方關系,產(chǎn)生的側向變形與建筑高度呈4次方關系[1],見圖1。

圖1 建筑內(nèi)力或位移與高度關系

蒙特利爾交易大樓創(chuàng)新性地第一次采用了加強伸臂技術,在1972年必和必拓大樓又領先采用了環(huán)桁架技術,此后框架-核心筒結合伸臂技術成為高層建筑結構形式主流。

伸臂加強作用非常明顯,當主體結構受到側向荷載作用時,核心筒產(chǎn)生變形,通過伸臂桁架協(xié)調(diào)作用,外框柱一側受拉另一側受壓,形成反向力偶,減小主體結構在側向力作用下的變形,平衡部分傾覆力矩,見圖2。

圖2 伸臂桁架與核心筒、外框柱連接示意

在普通剛性伸臂的基礎上,通過科技創(chuàng)新與工程實踐應用,將防屈曲支撐、黏滯阻尼器等裝置與普通伸臂技術結合,使得伸臂桁架從單純剛性伸臂逐步發(fā)展為BRB伸臂、一般黏滯阻尼伸臂(為與帶放大裝置黏滯阻尼伸臂區(qū)別)、帶放大裝置的黏滯阻尼伸臂,以及多種伸臂形式搭配使用的混合控制消能減震伸臂,在發(fā)揮側向加強作用的同時,進一步提高伸臂加強與耗能綜合效能。本文主要討論幾種伸臂的工作性能和優(yōu)缺點。

1 普通剛性伸臂

普通剛性伸臂應用最為廣泛,對主體結構抗側剛度的加強作用最為突出,為驗證剛性伸臂加強作用,結合設防烈度8度區(qū)某49層202m高層建筑,在保持其他條件相同的前提下,對設置伸臂與不設置伸臂的結構進行多遇地震分析,對比其在水平地震作用下的變形情況,以驗證剛性伸臂加強效果。

設置伸臂與不設置伸臂的結構多遇地震下層間位移角曲線見圖3。由圖3可以看出,不設置伸臂的結構最大層間位移角為1/536。結合建筑避難樓層布置,在第24層與第48層沿X向與Y向分別設置6道V形型鋼伸臂,在鋼伸臂加強作用下,主體結構最大層間位移角由1/536減少為1/673。不設置伸臂的結構雖然可以通過增加核心筒墻厚或加大外框架截面尺寸提升主體結構抗側剛度,但提升效率低,影響建筑利用率,降低工程經(jīng)濟性,設置剛性伸臂可以高效率提升建筑物抗側剛度,減小建筑物整體變形量與層間變形差。

圖3 多遇地震下結構層間位移角曲線

剛性伸臂雖然對主體結構加強作用突出,但其局限性也很明顯,首先,剛性伸臂耗能效果差,某300m高大廈沿豎向均勻布置了5道鋼桁架伸臂,采用ETABS軟件對其進行分析,得到多遇地震作用下主體結構頂點最大位移為190mm,最大層間位移角為1/1 103;在重現(xiàn)期50年風荷載作用下,主體結構頂點最大位移為285mm,最大層間位移角1/529(圖4)。

圖4 風力與多遇地震作用下主體結構變形對比

計算結果表明,本工程風荷載為水平作用控制工況。在地震與風荷載作用下結構安全性與抗變形能力均滿足規(guī)范要求。按照《工程結構通用規(guī)范》(GB 55001—2021)[2]要求,高層建筑在設計時應考慮脈動風對主體結構的影響,根據(jù)氣象記錄,將屋頂鋼架風力響應簡化為大小56.2kN、頻率為2.12Hz的水平集中荷載,施加于屋頂鋼架固定點,樓層振動加速度計算結果見圖5。由圖5可以看出,頂部多個樓層振動加速度超過100mm/s2,引起振動有多方面原因,屋面加強層采用剛性伸臂,在風力作用下剛性伸臂處于彈性狀態(tài),建筑物阻尼比低,整體結構耗能差是影響因素之一。

圖5 某高層建筑在脈動風作用下振動加速度

其次,在水平側向力作用下,剛性伸臂斜腹桿產(chǎn)生集中拉壓作用,會造成核心筒墻體損傷。

圖6為設置剛性伸臂和阻尼伸臂與核心筒連接部位的墻體損傷情況。從圖6可以看出,設置剛性伸臂的墻體產(chǎn)生了一定損傷,而設置阻尼伸臂的墻體基本無損傷。這是因為設置剛性伸臂后結構剛度增大,結構周期變短,間接加大了地震動輸入。剛性伸臂上述缺點通過試驗也得到了印證,楊青順等[3]以8度區(qū)某250m高、設置一道伸臂桁架的實際工程為研究背景,采用1∶3縮尺比例設計了伸臂桁架試件,并對其進行了擬靜力試驗研究,結果表明,普通伸臂試件腹桿易發(fā)生整體屈曲,弦桿易產(chǎn)生受彎屈服,存在承載力退化速度快、延性差和耗能能力不足的缺點。

圖6 不同伸臂核心筒墻體損傷對比

最后,設置剛性伸臂容易引起加強層剛度突變,也是高層建筑設計中需要重點注意的問題。

經(jīng)過多年應用與探索,伸臂技術得到了充分發(fā)展,在材料上可以采用混凝土構件,也可以采用鋼構件,還可以采用多種材料組合構件。伸臂形式也多種多樣,可以是從混凝土核心筒外挑的混凝土墻,也可以是鋼筋混凝土桁架或鋼桁架,而鋼桁架是最常見的結構形式。圖7為加強層布置與伸臂桁架常用的幾種布置形式[4-5]。

圖7 加強層布置與常用伸臂形式

為保證斜腹桿傳力效果,在伸臂桁架中,斜腹桿與水平桿夾角范圍一般為30°～60°,故在具體工程中需根據(jù)建筑物層高和進深尺寸選擇合理布置方式。

加強伸臂一般結合建筑避難層或設備樓層布置,根據(jù)相關研究成果,一道伸臂一般設置在0.6H(H為建筑高度)位置附近,二道伸臂分別布置在中部與頂部,多道伸臂沿高度均勻布置[5-10]。伸臂設置在不同的樓層效果有一定差異,布置在0.5H～0.9H時有利于控制結構側移;布置在0.3H～0.7H時對結構自振周期效果好;布置在0.3H以下時可有效減小底部樓層核心筒墻體的拉應力[11],見圖8。

圖8 加強伸臂布置不同高度時作用效果

2 BRB伸臂

由于剛性伸臂在工程應用中的局限性,有專家學者提出了采用BRB防屈曲支撐代替伸臂桁架斜腹桿,從而形成BRB伸臂。陳曦、蔣慶、Lin、Youssef等[12-15]研究了高層建筑中BRB伸臂的耗能性能,結果表明BRB伸臂可以起到耗能作用。

防屈曲支撐按照功能效果可以劃分為5部分,如圖9所示。首先是分布在兩端頭的無約束非屈曲段,此部分一般采用建筑用鋼結構材料,連接BRB支撐與主體結構;其次是中間約束屈曲段,此部分是BRB支撐的核心部件,由中心耗能軟鋼、外部鋼套筒以及填充砂漿等構成,也是核心功能段;第三部分是設置在中間約束屈曲段與兩端無約束非屈曲段之間的約束非屈曲段。BRB的芯材一般采用軟鋼,從原理上,可以通過軟鋼屈服拉伸與壓縮變形耗散外部輸入能量,圖10對比了BRB伸臂與一般剛性伸臂耗能效果。

圖9 屈曲約束支撐構成與功能段劃分

圖10 BRB伸臂與一般伸臂桁架滯回曲線對比

由圖10可以看出,與一般剛性伸臂相比,BRB伸臂滯回曲線范圍更大,形狀飽滿,耗能效果優(yōu)于一般剛性伸臂。在地震等外部荷載作用下,通過中間約束屈曲段軟鋼耗能起到保護主體結構的作用,但BRB伸臂耗能的前提條件是中心軟鋼屈服,否則,BRB伸臂的性能與一般剛性伸臂一樣[16-17]。針對高層建筑抗震設計,只有BRB盡早參與耗能,才能減小結構內(nèi)力。BRB中心軟鋼屈服只能對應某水準地震外部作用。預設軟鋼在多遇地震作用下屈服,則在設防地震與罕遇地震作用下,BRB伸臂將失去抗側加強作用;同樣預設BRB伸臂在罕遇地震作用下屈服耗能,則在多遇地震與設防地震作用下,其性能與一般剛性伸臂無異。最為理想的情況是,在設防地震作用下,BRB中心軟鋼發(fā)生塑性耗能,但在實際工程中,由于風力也是高層結構主要側向作用之一,并且風力作用較為頻繁,尤其在我國沿海地區(qū),風荷載大且經(jīng)常面臨臺風作用,以深圳地區(qū)為例,根據(jù)氣象資料統(tǒng)計,自2000年以來深圳遭受臺風、強臺風、超強臺風超過20次?！督ㄖY構可靠性設計統(tǒng)一標準》(GB 50068—2018)[18]要求,高層建筑風荷載工況組合系數(shù)為1.1×1.5,對于設置BRB伸臂的高層結構,要在風荷載工況下BRB保持彈性,在我國沿海等風力作用較大地區(qū),BRB伸臂在大震階段才能耗能,應用較為局限。BRB伸臂中心軟鋼承載力低,芯材的截面尺寸大于普通鋼構件界面尺寸,加上外部鋼套筒以及填充砂漿影響,BRB伸臂界面尺寸是一般剛性伸臂界面尺寸的2～3倍。另外,BRB伸臂連接構造及節(jié)點作法較為復雜,因此,在高層建筑中BRB伸臂技術要開展實際工程應用,仍有較多難題需要深入研究。

3 一般黏滯阻尼伸臂

黏滯阻尼器是速度相關型阻尼器,工作原理是通過活塞的反復運動,內(nèi)部液體流過活塞頭上的小孔從而提供阻尼力。

一些學者在伸臂桁架中引入黏滯阻尼器形成一般黏滯阻尼伸臂,研究其加強及耗能效果。吳宏磊等[19]研究了黏滯阻尼器在超高層中的應用,指出黏滯阻尼伸臂減震效果良好,附加阻尼作用明顯,具有較好的經(jīng)濟性;汪志昊等[20]通過研究發(fā)現(xiàn)在高層建筑中核心筒和外框柱之間合理布置黏滯阻尼器可以顯著改善結構動力性能;Stafford等[9]提出了在高層建筑伸臂桁架與周邊框架柱中添加黏滯阻尼器可以減小結構動力反應的概念,并認為這種阻尼器的設置方式,相對于空間和經(jīng)濟成本要求較高的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器更具有經(jīng)濟性。周穎等[21]提出在伸臂桁架與外框架間布置黏滯阻尼器,并通過分析認為僅在伸臂桁架末端即外框架與核心筒相對變形較大的位置布置黏滯阻尼器尚顯不足,需沿伸臂桁架布置更多黏滯阻尼器。

建筑物受到地震動作用,產(chǎn)生慣性力、彈性回復力和阻尼力,地震作用下運動方程見式(1):

(1)

由于阻尼器參與工作提供阻尼反力,分擔了部分外力作用,地震作用下的能量方程如下:

EK+ED+EF=EEQ

(2)

EK+ED+EF+ES=EEQ

(3)

式中:EEQ為地震作用對體系輸入的總能量;EK為結構動能;ED為主體結構阻尼耗能;EF為彈性勢能;ES為附加阻尼耗能。

在式(3)中,阻尼器參與工作后產(chǎn)生附加阻尼耗能ES,集中耗散部分地震能量輸入,一定程度上保護了主體結構,降低了地震作用。另外,通過阻尼器工作提高建筑附加阻尼比,反應譜曲線下降,地震影響系數(shù)降低,可以直接減小地震輸入;在反應譜曲線下降階段,延長結構振型周期也可以降低地震影響系數(shù),起到降低地震輸入的作用,見圖11。

黏滯阻尼伸臂設計是一個非常復雜的過程:1)黏滯阻尼器的選擇,要滿足強度設計需求,并且噸位不能過大,噸位過大影響耗能效果,作用類似剛性伸臂;2)阻尼器行程要有保證,在抗震設計中,阻尼器行程需要滿足大震要求,避免阻尼器失效;3)黏滯阻尼器靜止剛度為0,在外部荷載作用下產(chǎn)生阻尼反力,阻尼器的能量耗散能力隨著阻尼器變形的增大而增大,阻尼器反力和動力剛度也隨變形速度而變化,速度越快動力剛度越大。故為最大發(fā)揮阻尼器性能,選擇合理有效的部位布置阻尼器是關鍵,阻尼伸臂阻尼器典型安裝方式主要有兩種,見圖12。

圖12 阻尼伸臂阻尼器典型安裝方式

圖12(a)是黏滯阻尼器水平安裝伸臂桁架,在水平側向力作用下,黏滯阻尼器被動變形是利用樓層剪切變形。另一種是黏滯阻尼器豎向安裝伸臂桁架,見圖12(b),在水平側向力作用下,黏滯阻尼器被動變形主要利用主體結構彎曲變形。在超高層建筑中,伸臂加強層側向變形一般以彎曲變形為主,剪切變形所占比例較小,圖12(b)中豎向安裝阻尼器利用了核心筒與外框柱間豎向變形差,阻尼器行程與耗能效果強于圖12(a)水平安裝方式。

綜上,一般黏滯阻尼伸臂可以實現(xiàn)集中耗能,減震耗能效果比BRB伸臂好,但也存在響應速度慢,小震作用下阻尼器被動變形不足,阻尼器性能難以發(fā)揮,震后恢復力差[22]等問題。

4 帶放大裝置的黏滯阻尼伸臂

伸臂中黏滯阻尼器充分發(fā)揮耗能作用需要一定的變形量或者變形速度,對于一些自身側向變形較小的結構或者結構在中小地震作用下的情況,黏滯阻尼器難以充分發(fā)揮工作性能,應用效果受到制約。為解決上述問題需要對現(xiàn)有的伸臂技術進行改進,加入具有放大效應的裝置,放大結構反應,使得黏滯阻尼器盡早快速參與工作。

在伸臂中加入放大裝置后,可以有效放大黏滯阻尼器的位移、速度和阻尼力響應,能夠充分發(fā)揮黏滯阻尼器的性能。趙桂峰等[23]全面總結了國內(nèi)外阻尼器響應放大技術研究與應用進展,論述了多種裝置的構造和作用機理,分析了現(xiàn)有阻尼器響應放大技術的不足,指出了放大技術的應用的必要性和發(fā)展方向。趙桂峰等[24]還進一步研究了帶凸輪式放大裝置的阻尼構件作用原理和分析模型,證明帶放大裝置的阻尼構件可以用于工程實際,阻尼器作用被放大,耗能效果增加,能實現(xiàn)快速響應,降低結構成本,提高經(jīng)濟效益。李波等[25]分析了附加改進肘型斜撐阻尼器體系結構,證實了放大裝置可以帶動阻尼器更好地工作,在同等條件下,可以更好地控制樓層變形、降低樓層剪力反應。周云等[26]對設置懸臂肘節(jié)型黏滯阻尼器高層結構的減震效果進行了對比分析,指出用幾何放大原理,懸臂肘節(jié)型黏滯阻尼伸臂桁架可以有效放大結構層間位移,阻尼器名義位移放大系數(shù)可以達到3～5,效果較為理想。

圖13為三種常用阻尼器變形放大裝置。根據(jù)相關研究,連桿式放大裝置,容易發(fā)生平面外失穩(wěn),側移較小時效率低[27-29];齒輪式放大裝置耐久性差,安裝精度要求高[23,30-31];旋轉式放大裝置角度小,極限位移受到限制,對阻尼器變形放大作用一般[23]。

圖13 三種常用阻尼器變形放大裝置

圖14為相對于一般阻尼伸臂增加了一套機械放大裝置,通過的菱形放大裝置的轉動效應放大核心筒和外框之間的豎向變形差,從而放大提高阻尼器的行程和響應速度,提升黏滯阻尼器耗能效率,工作原理直接,放大倍數(shù)可控。以8度區(qū)某250m高層建筑為背景工程,該建筑地上51層,結合建筑避難層伸臂加強層布置于地上35層,在X向與Y向共布置有8道放大耗能型阻尼伸臂,每道伸臂包含2個黏滯阻尼器,阻尼器阻尼系數(shù)為2 000kN/(m/s)0.3,阻尼指數(shù)為0.3。

圖14 帶放大裝置阻尼伸臂系統(tǒng)布置圖

圖15為帶放大裝置與一般阻尼伸臂阻尼器滯回曲線對比,模型1為一般黏滯阻尼伸臂,阻尼器布置見圖12(b)。模型2為帶放大裝置黏滯阻尼伸臂(圖14)。在菱形裝置放大作用下,黏滯阻尼器滯回環(huán)包圍的面積擴大,綜合提升了黏滯阻尼伸臂系統(tǒng)的耗能效果。對比考察一般黏滯阻尼伸臂和帶放大技術黏滯阻尼伸臂中黏滯阻尼器出力與變形情況,兩個模型荷載及其余條件完全一致,分析后兩模型伸臂中阻尼器反力時程曲線及兩端相對位移時程曲線對比見圖16與圖17。

圖15 兩種伸臂阻尼器滯回曲線對比

圖16 模型1與模型2阻尼器反力時程曲線對比

圖17 模型1與模型2阻尼器兩端相對位移時程曲線對比

通過圖16與圖17可以看出,兩個模型對黏滯阻尼器出力要求基本一致,帶放大裝置的黏滯阻尼伸臂變形響應放大效果良好,驗證了該放大裝置的有效性。在多遇地震作用下,采用帶放大裝置黏滯阻尼伸臂,建筑結構可獲得超過1%的附加阻尼比。在罕遇地震作用下,采用帶放大裝置黏滯阻尼伸臂產(chǎn)生的附加阻尼效果更大,X向阻尼器貢獻的附加阻尼比為2.1%,Y向阻尼器貢獻的附加阻尼比為2.3%,建筑結構耗能分布見圖18。

圖18 罕遇地震作用下累積能量分布圖

放大裝置顯著提升了阻尼伸臂系統(tǒng)的耗能效果,對比第3節(jié)式(3),放大耗能阻尼伸臂增加了建筑附加阻尼,提升了集中耗能效果,有利于減小地震能量輸入,起到了明顯的耗能減震作用。

5 結論

本文介紹了幾種高層建筑加強伸臂,結合伸臂桁架加強作用與耗能效果,分析了每種伸臂的優(yōu)缺點,得出如下結論:

(1) 剛性伸臂對提升主體結構抗側剛度效果突出,但耗能作用差,容易造成加強層剛度突變。

(2)BRB伸臂具有一定耗能作用,但節(jié)點連接復雜,在大震階段才能發(fā)揮耗能作用,應用有一定局限性。

(3)一般阻尼伸臂可以實現(xiàn)集中耗能,效果優(yōu)于BRB伸臂,但震后恢復力差,響應速度慢,變形不足影響耗能效果。

(4) 帶放大裝置的黏滯阻尼伸臂在各水準地震作用下阻尼器都能快速響應,發(fā)揮耗能作用,集中消耗外部輸入能量,能有效減輕主體結構關鍵構件的損傷,具有廣闊的工程應用前景。