蔡 正, 潘 文, 周 強(qiáng), Ghafar Wahab Abdul, 楊 靜

(1．昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,昆明 650599; 2．云南省抗震工程技術(shù)研究中心,昆明 650599)

隨著城市現(xiàn)代化水平的不斷提高,連體超高層結(jié)構(gòu)在我國各大城市中不斷涌現(xiàn)。連體結(jié)構(gòu)的高度和跨度不斷增加,體型愈加復(fù)雜,使得連體結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)的難度不斷加大。根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中第10.5.1條對復(fù)雜高層建筑中連體結(jié)構(gòu)的規(guī)定,“連體結(jié)構(gòu)各獨(dú)立部分宜有相同或相近的體型、平面布置和剛度;宜采用雙軸對稱的平面形式。7度、8度抗震設(shè)計(jì)時(shí),層數(shù)和剛度相差懸殊的建筑不宜采用連體結(jié)構(gòu)。”但在實(shí)際工程中,大多數(shù)連體結(jié)構(gòu)在體型規(guī)則性等方面已超出我國現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定,屬于超限結(jié)構(gòu)。另外,從震害調(diào)查的結(jié)果來看[2-3]:連體結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞,連接體塌落較多。那么怎樣保證連體結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性,降低結(jié)構(gòu)地震破壞程度,已成為目前迫切需要解決的問題。

在連體結(jié)構(gòu)抗震性能研究及混合消能減震技術(shù)應(yīng)用方面,各國學(xué)者及工程師進(jìn)行了一定的分析研究,獲得了一些成果及工程經(jīng)驗(yàn)。國外針對連體結(jié)構(gòu)地震作用控制方面的研究主要集中在通過控制裝置連接的兩個(gè)相鄰建筑物。例如,采用連接控制裝置后,對連體結(jié)構(gòu)的耦聯(lián)響應(yīng)分析,這些連接控制裝置包括了摩擦阻尼器[4]、黏滯阻尼器[5]、黏彈性阻尼器[6]甚至主動控制裝置[7]。這些研究提供了一個(gè)物理模型用于更好地理解和分析采用連接控制裝置的結(jié)構(gòu)耦聯(lián)響應(yīng)及控制裝置對結(jié)構(gòu)的控制效果。其中, Basili等[8]將兩個(gè)相鄰的建筑物建模為多自由度體系,將連接控制裝置建模為彈簧-阻尼-慣性單元連接系統(tǒng),進(jìn)而研究連體結(jié)構(gòu)的抗震性能。此外, Makita等[9]建立了連接控制裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型并將連接控制方法擴(kuò)展到兩個(gè)動力特性相似的耦聯(lián)結(jié)構(gòu),得到了連接阻尼器的最佳剛度和阻尼,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出優(yōu)化方法的正確性。在連體結(jié)構(gòu)的抗震性能及振動控制方面我國學(xué)者也做了一定的研究,王琛等[10]對一非對稱連體結(jié)構(gòu)的抗震性能及變形差控制進(jìn)行研究,分析了結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件的受力情況,給出了設(shè)計(jì)建議。潘毅等[11]研究了連接方式對大跨度異型鋼連廊連體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,分別采用彈性連接、滑動連接、剛性連接、鉸接連接的四種不同連接方式開展了對比分析,給出了對控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、連接處的內(nèi)力和連接體跨中的豎向位移最有利的連接形式建議。鄭弦等[12]采用基于性能設(shè)計(jì)的抗震方法,對一強(qiáng)連接連體結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件性能進(jìn)行考察,結(jié)果表明,整體模型各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求,能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。金如元等[13]對一采用屈曲約束支撐(buckling-restrained brace, BRB)與黏滯阻尼器的雙塔雙連廊連體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究,對比分析了單塔模型和整體模型,證實(shí)了塔樓對連廊的地震放大效應(yīng)和連廊對塔樓的減震效應(yīng);朱圣妤等[14]研究了黏滯阻尼墻在連體結(jié)構(gòu)分析中的實(shí)現(xiàn)方法,并通過3個(gè)方案對比分析了黏滯阻尼墻的不同布置方式對結(jié)構(gòu)附加阻尼、地震響應(yīng)等指標(biāo)的影響,提出了基于減震效果及經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)方案。Guo等[15]對一采用負(fù)剛度裝置和摩擦阻尼器柔性連接的復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究,通過時(shí)程分析的方法,分析了柔性連接參數(shù)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響,結(jié)果表明,采用負(fù)剛度裝置和摩擦阻尼器柔性連接的設(shè)計(jì)能顯著減小結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)損傷程度,提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。在混合消能減震技術(shù)應(yīng)用方面我國學(xué)者也做了一定的研究,張慎等[16]為改善一復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗震性能,設(shè)置了屈曲約束支撐和防屈曲耗能鋼板墻的混合減震措施,通過時(shí)程分析的方法定量分析了結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)、構(gòu)件損傷、能量耗散分布情況,證實(shí)了混合減震措施能產(chǎn)生很好的減震效果。許立言等[17]對一采用混合消能減震技術(shù)的組合結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明,混合消能減震技術(shù)可顯著提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體耗能能力;但也發(fā)現(xiàn),未受到消能減震構(gòu)件保護(hù)的其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震響應(yīng)可能會被放大。周穎等[18]研究了混合控制消能減震伸臂桁架結(jié)構(gòu)的減震效果,采用參數(shù)化分析的手段,分析不同減震方案下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律,得到了最優(yōu)的混合減震方案。

上述研究表明,連體結(jié)構(gòu)由于連接體的存在使得連接的塔樓之間相互耦聯(lián),導(dǎo)致連體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)趨于復(fù)雜,而消能減震技術(shù)是減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)的有效途徑。目前,針對高烈度區(qū)雙塔連體超高層結(jié)構(gòu)采用混合消能減震技術(shù)的研究較少,因此有必要對減震裝置的合理布置形式進(jìn)行深入研究。為此,本文結(jié)合BRB和黏滯阻尼懸臂桁架的特點(diǎn),以某非對稱雙塔連體超高層結(jié)構(gòu)為研究對象,研究混合消能減震連體結(jié)構(gòu)在各烈度地震作用下的消能減震效果,探討B(tài)RB與黏滯阻尼懸臂桁架的位置變化對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,同時(shí)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的抗震性能評估。在不同水準(zhǔn)地震作用下,BRB與黏滯阻尼懸臂桁架耗能階段不同且具有不同的耗能效率,混合消能減震技術(shù)可以綜合不同類型阻尼器的優(yōu)勢作用,使連體結(jié)構(gòu)具有更全面的抗震性能。將為混合消能減震技術(shù)在連體超高層結(jié)構(gòu)中的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供借鑒。研究流程圖如圖1所示。

圖1 研究流程圖Fig.1 Research flow chart

1 結(jié)構(gòu)概況

研究對象為非對稱雙塔連體超高層建筑(分別為塔樓A、塔樓B)。其中雙塔塔樓地上45層,結(jié)構(gòu)高度為199 m;在結(jié)構(gòu)第26層～結(jié)構(gòu)29層,設(shè)置了3層架空鋼連廊,將A塔樓與B塔樓連接在一起,形成連體結(jié)構(gòu),連接體跨度為23 m,建筑立面圖如圖2所示。塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。連接體部分由3榀主桁架和1榀與主桁架垂直的次桁架組成?？紤]到連接體部分的功能要求,同時(shí)為保證受力桁架與結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的可靠連接,桁架采用剛性連接的方式。結(jié)構(gòu)體系組成如圖3所示,主要構(gòu)件截面尺寸見表1和表2。

表1 塔樓主要構(gòu)件截面Tab.1 Section of main components of tower

表2 連接體主要構(gòu)件截面Tab.2 Section of main components of connector

圖2 建筑立面圖Fig.2 Building elevation

圖3 結(jié)構(gòu)體系Fig.3 Structural system

2 結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 模型單元及地震波選取

為了準(zhǔn)確模擬和分析結(jié)構(gòu)及阻尼器在地震作用下的受力性能,采用有限元軟件ETABS、Perform3D進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模及動力時(shí)程分析。在ETABS中,框架梁、柱采用桿單元,剪力墻采用殼單元,BRB采用Plastic(Wen)單元,黏滯阻尼器采用Damper單元模擬。在Perform 3D中,框架梁、框架柱和剪力墻連梁采用塑性鉸模型模擬,剪力墻采用纖維模型;對于樓板,在連接體樓層及其相鄰層樓板采用彈性樓板,其余樓層為剛性樓板;BRB采用Perform 3D中自帶的Buckling Restrained Brace單元,黏滯阻尼器采用Fluid Damper單元模擬。由于桁架均作為可靠的傳力構(gòu)件,在模擬時(shí)采用固結(jié)的連接方式。建立的連體結(jié)構(gòu)前6階自振周期如表3所示。

表3 連體結(jié)構(gòu)前6階振型Tab.3 First six vibration modes of connected structure

建筑場地所在地區(qū)的地震設(shè)防烈度為8度(0.2g),場地類別為Ⅲ類場地,設(shè)計(jì)地震分組為第三組。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016版)》[19](簡稱《抗規(guī)》)規(guī)定,選用7條地震波進(jìn)行三向動力時(shí)程分析,包括了5條天然波和2條人工波,地震波信息見表4,地震影響系數(shù)曲線如圖4所示。

表4 地震波信息表Tab.4 Information of earthquake waves

圖4 地震波地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范譜Fig.4 Seismic influence coefficient curve and code response spectrum of seismic wave

從圖4中可以看出,7條地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范反應(yīng)譜的地震影響系數(shù)曲線相比,在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大,均在20%范圍以內(nèi),滿足《抗規(guī)》的要求。

2.2 結(jié)構(gòu)的動力特性

該超高層建筑是由連接體分別與A塔樓、B塔樓剛接而形成的連體結(jié)構(gòu)。如圖2所示,由于雙塔結(jié)構(gòu)平面為非對稱,塔樓A與塔樓B的剛心、質(zhì)心連線均與整體結(jié)構(gòu)的主軸方向存在一定的夾角,結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心偏差較大,導(dǎo)致連體結(jié)構(gòu)與無連體結(jié)構(gòu)在其動力特性方面具有顯著差異。下面分別列出無連體結(jié)構(gòu)與連體結(jié)構(gòu)模型的前6振型圖如圖5、圖6所示,以及無連體結(jié)構(gòu)與連體結(jié)構(gòu)前12振型投影圖如圖7、圖8所示。

圖5 無連體結(jié)構(gòu)模型前6階振型平面圖Fig.5 Plan view of the first six vibration modes for unconnected structure model

圖6 連體結(jié)構(gòu)模型前6階振型平面圖Fig.6 Plan view of the first six vibration modes for connected structure model

圖7 無連體結(jié)構(gòu)模型前12振型投影圖Fig.7 Projection of the first twelve modes of the unconnected structure model

圖8 連體結(jié)構(gòu)模型前12振型投影圖Fig.8 Projection of the first twelve modes of the connected structure model

由圖5可見,在雙塔無連體結(jié)構(gòu)模型中,結(jié)構(gòu)第一振型為A塔的Y向平動,第二振型為B塔的Y向平動,第三振型為A塔的X向平動,第四振型為B塔的X向平動,第五、第六振型是塔樓的扭轉(zhuǎn)。各塔樓均先發(fā)生平動振型,后為扭轉(zhuǎn)振型,結(jié)構(gòu)各振型保持著各塔樓結(jié)構(gòu)振動的獨(dú)立性。由圖6可見,連體結(jié)構(gòu)的前3振型依次為整體結(jié)構(gòu)的X向平動、Y向平動和扭轉(zhuǎn)。隨后結(jié)構(gòu)振型中的扭轉(zhuǎn)成分逐漸增多。

由圖7和圖8可見,連體結(jié)構(gòu)的振型較非連體結(jié)構(gòu)的振型更為復(fù)雜,耦聯(lián)振動更為顯著,所以,X、Y兩個(gè)方向均有位移產(chǎn)生。設(shè)置連接體后,結(jié)構(gòu)的動力特性發(fā)生了很大變化:①結(jié)構(gòu)的周期減小,整體剛度增強(qiáng);②結(jié)構(gòu)耦聯(lián)振動增多,雙塔的相互作用增強(qiáng);③結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)成分增多;④連接體以上結(jié)構(gòu)位移較大,鞭梢效應(yīng)顯著。

從以上結(jié)果可以看出,雙塔連體結(jié)構(gòu)較雙塔無連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)明顯增強(qiáng)、受力復(fù)雜,抗震設(shè)計(jì)的難度增大。

3 加強(qiáng)層和減震層位置敏感性分析

根據(jù)連體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),在相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)的變形提出了更為嚴(yán)格的限制要求,因此控制結(jié)構(gòu)側(cè)向變形,降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了改善和提高結(jié)構(gòu)的變形能力,可以在結(jié)構(gòu)中設(shè)置伸臂桁架或環(huán)桁架加強(qiáng)層,考慮到連接體以上結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著,在設(shè)置加強(qiáng)層時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考察該區(qū)域,基于此,在連接體以上部分每5層設(shè)置一道伸臂桁架或環(huán)桁架,在連接體以下樓層每10層設(shè)置一道伸臂桁架或環(huán)桁架,即分別在結(jié)構(gòu)的第10、第20、第30、第35、第40層設(shè)置加強(qiáng)層,相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)位置高度分別為0.27H、0.49H、0.71H、0.80H、0.90H,H為結(jié)構(gòu)高度。圖9為塔樓可設(shè)置伸臂桁架或環(huán)桁架加強(qiáng)層的位置示意圖。根據(jù)在上述樓層中分別布設(shè)伸臂桁架或環(huán)桁架后對結(jié)構(gòu)變形的影響效果,對其布設(shè)位置進(jìn)行敏感性分析。

圖9 加強(qiáng)層位置示意圖Fig.9 Location of the strengthened story

3.1 設(shè)置伸臂桁架加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)響應(yīng)敏感性分析

按圖9中加強(qiáng)層的位置分別在結(jié)構(gòu)的第10層、20層、30層、35層、40層設(shè)置一道伸臂桁架,依次記為方案O-10、O-20、O-30、O-35、O-40,圖10為伸臂桁架的平面布置圖,結(jié)構(gòu)主要參數(shù)結(jié)果如表5所示,結(jié)構(gòu)層間位移角如圖11所示。

表5 結(jié)構(gòu)主要參數(shù)結(jié)果Tab.5 Results of main structural parameters

圖10 伸臂桁架布置圖Fig.10 Layout of outrigger truss

圖11 層間位移角Fig.11 Inter-story drift ratio

由表5和圖11可知,隨著伸臂桁架沿結(jié)構(gòu)高度位置的不斷變化,結(jié)構(gòu)周期略有不同,其中在結(jié)構(gòu)高度0.49H處(方案O-20)布設(shè)伸臂桁架對結(jié)構(gòu)的周期影響較其余方案顯著。各方案對結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移、層間位移角以及扭轉(zhuǎn)角等變形的影響效果具有差異性。從對頂點(diǎn)位移的控制效果來看,方案O-20及方案O-35控制效果較優(yōu);從結(jié)構(gòu)的層間位移角以及扭轉(zhuǎn)角的控制效果來看,方案O-35控制效果最優(yōu)?；谝陨辖Y(jié)果分析,在結(jié)構(gòu)高度0.80H位置處(方案O-35)即在結(jié)構(gòu)的第35層布設(shè)伸臂桁架對結(jié)構(gòu)變形的控制效果最為顯著。

3.2 設(shè)置環(huán)桁架加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)響應(yīng)敏感性分析

按圖9中加強(qiáng)層的位置分別在結(jié)構(gòu)的第10層、20層、30層、35層、40層設(shè)置一道環(huán)桁架,依次記為方案T-10、T-20、T-30、T-35、T-40,圖12為環(huán)桁架的平面布置示意圖,結(jié)構(gòu)主要參數(shù)結(jié)果如表6所示,層間位移角如圖13所示。

表6 結(jié)構(gòu)主要參數(shù)結(jié)果Tab.6 Results of main structural parameters

圖12 環(huán)桁架桿件平面布置圖Fig.12 Plan of truss torus members

圖13 層間位移角Fig.13 Inter-story drift ratio

由表6和圖13可知,隨著環(huán)桁架沿結(jié)構(gòu)高度的布設(shè)位置不斷變化,其對結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移、層間位移角以及扭轉(zhuǎn)角等變形的影響效果也不盡相同。以X向最大層間位移角為例,按方案T-10與方案T-35設(shè)置環(huán)桁架的結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1/622、1/651,二者相差4.5%。由于結(jié)構(gòu)的變形仍以彎曲變形為主,各方案之間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)差異較為明顯,總的結(jié)構(gòu)變形特征及規(guī)律可以概括為:在連接體以上樓層(35層、40層)即在結(jié)構(gòu)高度的0.80H、0.90H處設(shè)置環(huán)桁架對結(jié)構(gòu)變形及扭轉(zhuǎn)的控制效果較優(yōu),其中設(shè)置在0.80H位置處最優(yōu),而在結(jié)構(gòu)高度的0.29H處設(shè)置環(huán)桁架與其他方案相比對結(jié)構(gòu)變形控制效果最不顯著。以上結(jié)果表明,在結(jié)構(gòu)高度為0.80H位置處(方案T-35)即在結(jié)構(gòu)第35層布設(shè)環(huán)桁架對結(jié)構(gòu)的變形影響最為敏感。

3.3 環(huán)桁架桿件替換為BRB或黏滯阻尼器效果對比分析

傳統(tǒng)環(huán)桁架加強(qiáng)層通常為沿結(jié)構(gòu)外圍框架設(shè)置的一圈環(huán)桁架,會造成結(jié)構(gòu)剛度突變、構(gòu)件內(nèi)力狀態(tài)趨于復(fù)雜,容易形成薄弱部位,對結(jié)構(gòu)抗震不利。因此,將結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層設(shè)計(jì)為“減震層”[20-21],即將原結(jié)構(gòu)環(huán)桁架加強(qiáng)層的桁架桿件替換為相應(yīng)的消能減震構(gòu)件,以改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),是解決上述問題的有效途徑。

從3.2節(jié)的分析結(jié)果來看,在結(jié)構(gòu)高度0.80H處即第35層布設(shè)環(huán)桁架對結(jié)構(gòu)的變形影響最敏感,所以在結(jié)構(gòu)第35層的加強(qiáng)層中,考慮采用如下兩種方案將環(huán)桁架桿件替換為減震構(gòu)件并與無控結(jié)構(gòu)的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對比分析。方案一:將環(huán)桁架桿件替換為BRB;方案二:將環(huán)桁架桿件替換為黏滯阻尼器。環(huán)桁架桿件立面布置如圖14所示。

圖14 環(huán)桁架桿件立面布置圖Fig.14 Elevation layout of truss torus members

BRB和黏滯阻尼器的耗能特點(diǎn)不同, 且在高層結(jié)構(gòu)布置中存在差異:BRB為位移相關(guān)型阻尼器,多遇地震下,BRB不屈服,僅為結(jié)構(gòu)提供剛度;設(shè)防地震下,BRB有一定限度的屈服;罕遇地震下,全數(shù)BRB屈服耗能,但仍具有一定剛度;當(dāng)結(jié)構(gòu)位移較大或結(jié)構(gòu)變形復(fù)雜時(shí),建議采用BRB[22-23]。黏滯阻尼器為速度相關(guān)型阻尼器,在不同設(shè)防水準(zhǔn)地震作用下,均變形耗能,但不提供剛度;當(dāng)結(jié)構(gòu)基底剪力響應(yīng)較大時(shí),建議采用黏滯阻尼器。對于方案一,由于結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的動力特性存在差異,分析中選取了兩種類型的BRB進(jìn)行分析,在結(jié)構(gòu)0.80H處即在結(jié)構(gòu)第35層X向和Y向分別布設(shè)屈服承載力為5 000 kN,屈服位移為3.81 mm和屈服承載力為5 000 kN,屈服位移為3.49 mm的BRB。對于方案二,采用參數(shù)為200 kN·(s/mm)0.3的黏滯阻尼器進(jìn)行分析。

表7和圖15給出了環(huán)桁架桿件分別采用BRB和黏滯阻尼器方案在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)結(jié)果。

表7 不同方案對比結(jié)果Tab.7 Comparative results of different schemes

圖15 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)Fig.15 Structural response under frequent earthquake

從表7和圖15可以看出,當(dāng)環(huán)桁架桿件為黏滯阻尼器時(shí),結(jié)構(gòu)可獲得一定的附加阻尼,減小了部分地震作用,使得樓層剪力降低。當(dāng)環(huán)桁架桿件為BRB時(shí),結(jié)構(gòu)剛度較采用黏滯阻尼器時(shí)略有增加,地震剪力也呈增大趨勢,同時(shí)對結(jié)構(gòu)中、上部即加強(qiáng)層及其附近樓層的側(cè)向變形有較為明顯的改善作用。以X向最大層間位移角為例,方案一的位移角為1/649,方案二的位移角為1/641,無控結(jié)構(gòu)的位移角為1/621,方案一與方案二較無控結(jié)構(gòu)的位移角分別降低了4.3%和3.1%。Y向最大層間位移角也有類似的結(jié)果。所以,方案一對結(jié)構(gòu)的位移控制效果更顯著。從結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)角的結(jié)果來看,以Y向最大扭轉(zhuǎn)角為例,方案一的扭轉(zhuǎn)角為1/968,方案二的扭轉(zhuǎn)角為1/939,無控結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角為1/899,方案一與方案二較無控結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)角分別降低了7.6%和4.4%?；谝陨辖Y(jié)果,在結(jié)構(gòu)高度0.80H位置處即在結(jié)構(gòu)第35層中采用方案一(BRB型環(huán)桁架)對結(jié)構(gòu)位移及扭轉(zhuǎn)響應(yīng)具有更佳的控制效果。

3.4 設(shè)置黏滯阻尼懸臂桁架結(jié)構(gòu)響應(yīng)敏感性分析

為了進(jìn)一步地利用結(jié)構(gòu)的變形以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的耗能能力,決定在結(jié)構(gòu)中增設(shè)黏滯阻尼懸臂桁架,并對其不同的布置位置進(jìn)行敏感性分析。

黏滯阻尼懸臂桁架是將傳統(tǒng)伸臂桁架與外圍框架柱斷開形成懸臂桁架,再將黏滯阻尼器沿豎向布置于懸臂桁架與外框柱之間,構(gòu)造示意圖如圖16所示。黏滯阻尼懸臂桁架的耗能機(jī)理是將核心筒的彎曲變形通過懸臂桁架轉(zhuǎn)化為黏滯阻尼器的軸向變形,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)黏滯阻尼器的耗能。同樣可以避免或減輕傳統(tǒng)伸臂桁架在其與主結(jié)構(gòu)連接處產(chǎn)生的較大內(nèi)力的不利影響。

圖16 黏滯阻尼懸臂桁架構(gòu)造圖Fig.16 Construction diagram of cantilever truss with viscous dampers

按圖9中加強(qiáng)層的位置分別在結(jié)構(gòu)的第10層、第20層、第30層、第35層、第40層設(shè)置一道黏滯阻尼懸臂桁架,依次記為方案C-10、C-20、C-30、C-35、C-40,分析中采用了參數(shù)為600 kN·(s/mm)0.3的黏滯阻尼器。結(jié)構(gòu)主要參數(shù)結(jié)果如表8所示,平面布置圖見圖10,結(jié)構(gòu)層間位移角如圖17所示。

表8 結(jié)構(gòu)主要參數(shù)結(jié)果Tab.8 Results of main structural parameters

圖17 多遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.17 Inter-story drift ratio under frequent earthquake

從表8中可以看出,通過設(shè)置黏滯阻尼懸臂桁架,可以為結(jié)構(gòu)提供一定的附加阻尼比。5個(gè)方案中方案C-20所附加的阻尼比最大,達(dá)到了0.76%,方案C-35所附加的阻尼比次之,為0.69%。在結(jié)構(gòu)變形控制方面,方案C-20對結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移的控制效果最優(yōu),方案C-35對結(jié)構(gòu)層間位移角的影響最顯著。從圖17中可以看出,方案C-20對連接體以下結(jié)構(gòu)的位移控制效果最優(yōu),方案C-35對連接體以上部分的位移控制效果更優(yōu)。綜合以上結(jié)果,方案C-20和方案C-35即在結(jié)構(gòu)高度的0.49H(第20層)和0.80H(第35層)處布設(shè)黏滯阻尼懸臂桁架,對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)控制效果最為顯著。

4 混合消能減震分析

4.1 混合消能減震方案

根據(jù)第3章的分析結(jié)果,在塔樓敏感位置的加強(qiáng)層(20層、35層)中設(shè)置減震裝置,分別在結(jié)構(gòu)第20層設(shè)置黏滯阻尼懸臂桁架,在結(jié)構(gòu)第35層設(shè)置BRB型環(huán)桁架和黏滯阻尼懸臂桁架。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)見表9。阻尼器布置圖如圖18所示。

表9 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)Tab.9 Seismic performance objectives of structure

4.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

采用非線性時(shí)程分析的方法,分別計(jì)算了結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震作用下的動力響應(yīng),從結(jié)構(gòu)構(gòu)件耗能、阻尼器耗能及結(jié)構(gòu)變形等方面,說明混合消能減震技術(shù)在雙塔連體超高層結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)用效果。圖19～圖23分別給出了不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件能量耗散曲線、罕遇地震作用下阻尼器的滯回曲線及結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線。表10和表11分別給出了不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)耗能及結(jié)構(gòu)減震效果對比結(jié)果。

表10 不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)耗能情況

表11 不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)減震效果

圖19 不同水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)耗能曲線Fig.19 Curve of structural energy dissipation under different earthquake levels

圖20 罕遇地震作用下黏滯阻尼器滯回曲線Fig.20 Hysteretic curve of viscous fluid dampers under rare earthquake level

由圖19～圖21和表10可見:黏滯阻尼器在不同水準(zhǔn)地震作用下均變形耗能,隨著地震作用的增大,黏滯阻尼器耗能占比逐漸減小。BRB在多遇地震作用下未屈服,不參與耗能,僅為結(jié)構(gòu)提供附加剛度;在罕遇地震作用下,BRB均屈服,其滯回曲線飽滿,耗能占比隨著地震作用的增大而增加,在一定程度上彌補(bǔ)了黏滯阻尼器耗能減小的部分,BRB與黏滯阻尼器具有分階段耗能的有益效果,保證了結(jié)構(gòu)的耗能能力。

圖21 罕遇地震作用下BRB滯回曲線Fig.21 Hysteretic curve of BRB under rare earthquake level

從圖22、圖23和表11可見:多遇地震作用下有控結(jié)構(gòu)X向、Y向的層間位移角分別為1/735和1/922,無控結(jié)構(gòu)X向、Y向的層間位移角分別為1/621和1/737,位移降低率分別為0.84、0.80;罕遇地震作用下有控結(jié)構(gòu)X向、Y向的層間位移角分別為1/128和1/131,無控結(jié)構(gòu)X向、Y向的層間位移角分別為1/119和1/117,位移降低率分別為0.93、0.89。相對于無控結(jié)構(gòu),在不同水準(zhǔn)地震作用下有控結(jié)構(gòu)的層間位移角得到了顯著改善。

圖22 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.22 Inter-story drift ratio under frequent earthquake level

圖23 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角Fig.23 Inter-story drift ratio under rare earthquake level

4.3 罕遇地震下結(jié)構(gòu)損傷分析

為了研究和了解結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷情況,對構(gòu)件的塑性屬性進(jìn)行定義,參照以變形為基準(zhǔn)的極限狀態(tài)對整體結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的性能進(jìn)行評估。如圖24所示,圖24中:縱坐標(biāo)Q/Qy為彎矩與屈服彎矩之比;橫坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)角或位移。構(gòu)件的性能水準(zhǔn)由離散的3個(gè)性能點(diǎn),立即使用(immediate occupancy,IO)、生命安全(life safety,LS)和防止倒塌(collapse prevention,CP)表示,相對應(yīng)的3種極限狀態(tài)分別為正常使用極限狀態(tài),生命安全極限狀態(tài)和防止倒塌極限狀態(tài)。

圖24 性能曲線[25]Fig.24 Performance curve

采用有限元軟件Perform3D對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的動力時(shí)程分析,結(jié)合結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo),從結(jié)構(gòu)的整體變形及主要構(gòu)件如剪力墻、連梁、框架柱、框架梁的損傷情況進(jìn)行分析。

4.3.1 剪力墻損傷

圖25為罕遇地震作用下剪力墻內(nèi)鋼筋塑性分布圖,從圖25可以看出,受力較大部位集中在結(jié)構(gòu)底部、連接體部位及結(jié)構(gòu)頂部。其中,在無控結(jié)構(gòu)底部的加強(qiáng)區(qū)范圍中有少數(shù)剪力墻內(nèi)的鋼筋應(yīng)力超過了400 MPa,達(dá)到屈服狀態(tài)。而有控結(jié)構(gòu)由于設(shè)置了BRB和黏滯阻尼器,使得結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的耗能能力增強(qiáng),降低了結(jié)構(gòu)剪力墻的損傷程度,剪力墻內(nèi)的鋼筋應(yīng)力未超過材料屈服強(qiáng)度。為了確保結(jié)構(gòu)安全,可考慮在結(jié)構(gòu)底部、連體部位及結(jié)構(gòu)頂部等集中損傷部位適當(dāng)增設(shè)型鋼,提高構(gòu)件延性。

圖25 罕遇地震作用下剪力墻內(nèi)鋼筋塑性分布圖Fig.25 Plastic distribution of rebar of shear wall under rare earthquake

4.3.2 連梁損傷

圖26為罕遇地震作用下核心筒連梁塑性鉸分布圖,從圖26可以看出,連體結(jié)構(gòu)中多數(shù)連梁進(jìn)入了塑性狀態(tài),塑性鉸發(fā)展較為充分。對于有控結(jié)構(gòu),所有連梁塑性鉸均未超過CP性能點(diǎn);而無控結(jié)構(gòu)連梁塑性分布更為廣泛,程度也較深,其中,有少數(shù)連梁轉(zhuǎn)角已超過CP性能點(diǎn)進(jìn)入防止倒塌極限狀態(tài)。說明通過采用混合消能減震技術(shù),確保了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下具有一定的耗能能力,減震裝置能夠分擔(dān)連梁所承擔(dān)的部分地震能量,降低了連梁的損傷程度。

圖26 罕遇地震作用下核心筒連梁塑性鉸分布圖Fig.26 Plastic angle distribution of coupling beams of shear wall under rare earthquake

4.3.3 框架柱損傷

圖27給出了結(jié)構(gòu)框架柱在罕遇地震作用下的塑性鉸分布,從圖27可以看出,塑性發(fā)展主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)中、下部以及連接體附近樓層。在無控結(jié)構(gòu)中,部分構(gòu)件達(dá)到了LS性能點(diǎn),超過了預(yù)期性能目標(biāo)的要求;有控結(jié)構(gòu)框架柱的塑性發(fā)展程度較無控結(jié)構(gòu)框架柱的塑性發(fā)展程度輕。有控結(jié)構(gòu)具有更大的抗震安全儲備。

圖27 結(jié)構(gòu)框架柱在罕遇地震作用下的塑性鉸分布Fig.27 Plastic angle distribution of columns under rare earthquake

4.3.4 框架梁損傷

圖28給出了結(jié)構(gòu)框架梁在罕遇地震作用下的塑性鉸分布情況,從圖28可以看出,對于無控結(jié)構(gòu),其框架梁塑性發(fā)展主要集中在塔樓中部及連接體附近部分樓層,且有少數(shù)構(gòu)件塑性轉(zhuǎn)角達(dá)到了CP性能點(diǎn)。有控結(jié)構(gòu)框架梁的塑性發(fā)展程度輕于無控結(jié)構(gòu),且均未達(dá)到CP性能點(diǎn)。

圖28 結(jié)構(gòu)框架梁在罕遇地震作用下的塑性鉸分布Fig.28 Plastic angle distribution of beams under rare earthquake

綜合以上分析,采用混合消能減震技術(shù)的連體結(jié)構(gòu),由于BRB和黏滯阻尼懸臂桁架分階段耗能的有益作用,有效地耗散部分地震輸入能量,保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件,減輕了結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件塑性發(fā)展程度,提高了結(jié)構(gòu)的抗震安全性。有控結(jié)構(gòu)具有合理的耗能機(jī)制,其地震響應(yīng)結(jié)果均滿足抗震性能目標(biāo)的要求。

5 結(jié) 論

對一高烈度區(qū)非對稱雙塔連體超高層結(jié)構(gòu)應(yīng)用混合消能減震技術(shù),結(jié)合連體結(jié)構(gòu)自身變形和減震裝置的特點(diǎn),有針對性的在結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層內(nèi)設(shè)置了BRB和黏滯阻尼懸臂桁架,將不同類型的阻尼器應(yīng)用于混合消能減震體系中,得到了一些有益結(jié)論:

(1)在不同水準(zhǔn)地震作用下,不同類型減震裝置的混合應(yīng)用能有效控制連體結(jié)構(gòu)側(cè)移,耗散地震能量,表現(xiàn)出了良好的耗能機(jī)制;各類減震裝置具有分階段耗能的有益效果,彌補(bǔ)了BRB小震不耗能及黏滯阻尼器大震耗能減弱的缺陷。

(2)在以彎曲變形為主的連體結(jié)構(gòu)的中、上部加強(qiáng)層中布設(shè)減震裝置時(shí),結(jié)構(gòu)具有更佳的減震效果;其中,黏滯阻尼懸臂桁架布置在結(jié)構(gòu)高度0.49H處對結(jié)構(gòu)附加的阻尼效率最高,且對結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移控制效果最優(yōu);BRB型環(huán)桁架布置在結(jié)構(gòu)高度0.80H處對結(jié)構(gòu)的側(cè)移及扭轉(zhuǎn)控制效果最優(yōu)。

(3)與無控結(jié)構(gòu)相比,在多遇地震作用下,有控結(jié)構(gòu)層間位移角降低率達(dá)到了0.80～0.84;罕遇地震作用下,有控結(jié)構(gòu)層間位移角降低率達(dá)到了0.89～0.93,有效降低了結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

(4)通過性能評估發(fā)現(xiàn),與無控結(jié)構(gòu)相比,罕遇地震作用下,有控結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件如剪力墻、連梁、框架梁及框架柱等的損傷程度均有所降低,使連體結(jié)構(gòu)具有更良好的抗震性能,滿足抗震性能目標(biāo)要求。