帶加強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

(1.東南大學 土木工程學院，南京 210096;2.江蘇省住房和城鄉建設廳 抗震辦公室，南京 210036)

高層建筑采用框架—筒體結構體系時，如果水平剛度不能滿足設計要求，可以考慮將結構的設備層或者避難層的空間設計為加強層［1－7］。加強層的設置一般有兩種方法:① 是在核心筒和外框架之間設置剛度較大的伸臂構件;② 是在外框架之間設置剛度較大的環向加強構件［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］。設置加強層可以提高結構的整體剛度、減小側移，但是也會引起加強層及其附近樓層內力和側移突變。因此，對帶加強層高層建筑在地震作用下的內力和側移規律需要深入研究。

框架－筒體結構用于高烈度區的高層建筑時，若按照一般抗震設計，可能導致較多不良后果，如:材料花費較多，工程造價提高，結構在大震作用下可能破壞嚴重等。為克服傳統抗震方法的缺陷，結構振動控制技術(簡稱“結構控制”)逐漸發展起來，并被認為是減輕結構地震和風振反應的有效手段。如果說傳統抗震設防技術屬于一種被動、消極的抗震措施的話，結構控制則屬于主動、積極的抗震措施，其目的在于提高結構抗震可靠性、抗風舒適度和使用性能［3］。結構消能減振技術是一種結構控制技術，它是通過在結構的適當位置安裝消能減振裝置，利用這些裝置的耗能來減小結構在地震和強風作用下的反應［8－13］。粘滯流體阻尼器就是一種性能優良的消能減振裝置，國內外很多學者對其基本性能進行了研究。本文將針對具體工程－位于高烈度區的帶加強層、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移特點，然后應用粘滯流體阻尼器進行減震研究。

1 工程概況

本文背景工程為某高烈度區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)。結構體系為框架－筒體結構，柱子采用鋼骨混凝土柱，梁采用鋼混凝土組合梁。結構平面縱向長72 m，橫向寬48 m，地上部分總高度156 m。塔樓部分標準層結構布置見圖1(由于兩個塔樓布置對稱，圖中只給出了一側塔樓平面布置)。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011－2010)的規定，本工程的抗震設防烈度為8°，設計基本地震加速度值為0.20 g，設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 塔樓部分標準層平面圖及加強桁架布置圖(單位:mm)Fig.1 Plane of tower's standard storey and arrangement of reinforced trusses(Unit:mm)

本工程的結構布置方面有兩個需要注意的地方:

(1)結構在十六層和二十七層設置加強層。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結構，并沿外框架布置環形加強桁架。伸臂加強桁架桿件截面為箱形800×300×25(mm)，環形加強桁架桿件截面為箱形650×300×20(mm)。加強桁架布置見圖1。

(2)由于設備布置需要，結構的第三十四和三十六層沒有樓板。這就造成結構的豎向剛度在三十四到三十六層出現突變，并進而影響整個結構在地震作用下的側移規律。

2 帶加強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

根據初步設計方案，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量參與率見表1。

2.2 動力特性分析

根據表1的動力特性數據可以看出:

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

(1)由于結構的塔樓部分核心筒布置在靠近塔樓內側位置，造成結構平面剛度不對稱，因此扭轉振動在結構的低階振型中表現較為明顯。

(2)結構豎向振動很小，在地震響應分析時可以忽略。

(3)到第34階振型，結構X向和Y向的累計質量參與率才超過90%。可見，計算結構地震響應時，高振型對結構振動響應的貢獻需要注意。

3 帶加強層豎向剛度突變高層建筑側移分析和減震設計

3.1 地震波的選擇

本文擬采用動力時程分析法分析結構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果能否既反映結構最大可能遭受的地震作用，又滿足工程抗震設計基于安全和功能的要求的前提。地震波選取的原則是:選用的地震波應與設計反應譜在統計意義上一致，對計算結果的評估是以結構底部剪力和振型分解反應譜法的計算結果進行比較，控制在一定范圍內。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給出了根據每條波時程曲線計算所得結構底部剪力和振型分解反應譜法計算的結果。經分析表明，所選三條波滿足規范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構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%)。

表2 時程分析法和反應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構，利用非線性有限元計算軟件計算結構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構的層間變形，從中可以看出，由于設置兩道加強層、頂部兩層沒有樓板，本工程在地震作用下的側移有比較顯著的、不同于其他框架－筒體結構的特點，主要表現在:

(1)層間側移從底層開始逐漸變大，到沒有樓板的樓層達到最大。一般地，框架—筒體結構在水平荷載作用下側移應為彎剪型——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，使得側移規律發生質變:從底層開始一直增大，到沒有樓板的樓層達到最大，然后再減小。可見，樓板在連接外圍框架和核心筒、協調兩者變形中起到決定作用。樓板缺失時，不僅附近樓層的側移發生改變，而且連帶整個結構的側移規律發生本質變化。因此，對于位于高烈度區的框架－筒體結構來說，應盡量在每層設置面積、剛度相似的樓板，以使外圍框架和核心筒共同變形、減小側移。

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

3.3 消能減震設計

根據初步設計方案的建筑設計圖、結構布置圖及其他相關資料，在本工程層中設置粘滯流體阻尼器，這樣可以有效地增加結構的阻尼比，顯著降低結構的地震反應，從而減小主要受力構件的截面和配筋，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構消能減振體系的消能桿件或消能裝置而應用于結構中的，其核心部分是一種液壓裝置，包括連接件、導桿、活塞、阻尼孔、油缸、密封材料和阻尼材料(阻尼介質)等幾部分［8－14］。其基本原理是，結構受到地震(或風)力的作用時，與結構共同工作的粘滯流體阻尼器的導桿受力，推動活塞運動，活塞兩邊的高粘性阻尼介質產生壓力差，使阻尼介質通過阻尼孔，從而產生阻尼力，達到消能減振的目的。研究表明，粘滯流體阻尼器是一種無剛度、速度相關型的阻尼器，具有耗能能力強、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之間的關系可表示為:

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

3.3.1 設置不同數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，在結構的第23～26層、第28～36層沿X軸方向設置線性粘滯流體阻尼器，即α=1，阻尼系數取為2×107(N·s/m)。粘滯流體阻尼器數量從每層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構和原結構的X向層間側移(設置阻尼器的樓層)對比。從中可以看出，設置阻尼器后結構層間側移有不同程度的減小，但當每層阻尼器的數量從8個增加到10時，X向層間側移減小不明顯。表3給出了設置阻尼器后結構的X向底層剪力。

圖5 設置不同數量阻尼器X向側移對比Fig.5 Comparison of lateral displacements of X direction by different damper amounts

表3 設置阻尼器后結構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，設置阻尼器后結構的X向底部剪力有所減小，當每層設置8個阻尼器時，底部剪力減小約22%。當每層阻尼器的數量從8個增加到10時，X向底部剪力減小不明顯。綜合考慮，本工程在建筑設計的約束下，每層設置8個粘滯流體阻尼器對減小結構在地震作用下的側移、減小構件受力是有效的。

3.3.2 阻尼器設置在不同樓層減震效果比較

本節考察阻尼器數量確定、布置樓層不同時的減震效果。根據3.3.1節的討論結果，每層設置8個阻尼器，共在13層中設置阻尼器。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，減震結構的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。可見，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揮消能減震的作用。

表4 三種布置方案下減震結構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，以便充分發揮阻尼器的作用，并給梁下人行預留空間。

4 帶加強層高層建筑抗震設計建議

帶加強層高層建筑在地震或風等水平荷載作用下，受力和變形都會在加強層及其附近樓層發生突變，給結構設計帶來很大不便，嚴重者會導致地震作用下發生“強梁弱柱”或“強彎弱剪”等非延性破壞。因此，在設計中一定要高度重視加強層的設置。一般來說，加強層的作用是提高結構的抗側力剛度、減小結構在水平荷載作用下的變形，因此，加強層的設置要以“達到目的、適可而止”為原則，不能一味追求加強層的剛度。文獻［1］建議在必要時設置“有限剛度”的加強層，從概念上強調盡可能調整、增強原結構的剛度，采用加強層只是彌補整體剛度之不足。但是，加強層的設置有時需要考慮與建筑上需要的設備層相協調，不是單純地由結構設計師來確定。因此，在高烈度區高層建筑設計時，結構師要與建筑師充分協調，確定加強層的數量和合理位置，盡量減小加強層給結構帶來的不利影響。

建筑設計或設備布置有時要求將結構某層全部或部分樓板取消，這將導致框架——筒體結構中框架和核心筒的聯系減弱，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，樓板缺失有時會導致框架－筒體結構整體側移規律的改變。因此，對于樓板面積縮小的樓層變形和受力一定要高度關注。一般來說，建議不要整個樓層不布置樓板，可以在設備不經過的梁間布置部分樓板，并盡量集中布置以更多地發揮樓板的作用。另外，也可以將加強層布置在該層，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 結論

本文以具體工程為背景，研究了帶加強層、豎向剛度突變的高層建筑的動力特性、地震作用下的側移規律和減震優化設計，得出以下結論:

(1)加強層的存在使得框架－筒體結構在地震作用下的側移在加強層附近發生突變，給結構設計帶來不便。因此，加強層的布置要以“達到目的、適可而止”為原則，采用“有限剛度”的加強層。不能認為加強層剛度越大越好，否則將導致結構剛度突變加劇、內力驟變、罕遇地震下結構可能在加強層附近形成薄弱層而破壞。

(2)樓板缺失對框架－筒體結構在水平荷載作用下的側移影響很大，嚴重者將導致框架－筒體結構整體側移規律的改變。因此，設計時應盡量不要使整個樓層沒有樓板，必要時可以將加強層設置在樓板較少的樓層，用以聯系外框架和核心筒，協調變形、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，在高層建筑減震設計中有廣闊的應用前景。本文在背景工程中設置粘滯流體阻尼器，通過數值分析可以看出，本文選用的地震波是合適的，加了阻尼器之后結構在X向地震作用下的層間變形和底部剪力都有所減小。經過合理優化設計(每層設置8個阻尼器，阻尼器設置在頂部層間位移較大的樓層)，底部剪力可以減小20%～25%。可見，采用粘滯流體阻尼器用于高烈度區帶加強層高層建筑，減震效果良好。

［1］徐培福.復雜高層建筑結構設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［2］方鄂華，錢稼茹，葉列平.高層建筑結構設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［3］李愛群，高振世.工程結構抗震設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［4］沈朝勇，黃襄云，周福霖，等.帶SRC桁架轉換層及鋼加強層高層建筑抗震性能研究［J］.地震工程與工程振動，2004，24(6):83 －88.

［5］朱杰江，宋 健，王 穎.帶加強層框架—芯筒結構的優化研究［J］.南京建筑工程學院學報，2001，58(3):26－31.

［6］葛家騏，張 濤.帶有加強層的超高層主體結構設計研究［J］.建筑科學，2003，19(1):4 －7.

［7］李愛群，高振世.工程結構抗震與防災［M］.南京:東南大學出版社，2003.

［8］葉正強.粘滯流體阻尼器消能減震技術的理論、試驗與應用研究［D］.南京:東南大學，2003.

［9］錢 輝，李宏男，宋鋼兵.形狀記憶合金阻尼器消能減震體系的控制研究［J］.振動與沖擊，2008，27(8):42－47.

［10］曲激婷，李宏男.粘彈性阻尼器在結構減震控制中的位置優化研究［J］.振動與沖擊，2008，27(6):87－91.

［11］Zemp R，de la Llera J C，Roschke P.Tall building vibration control using a TM-MR damper assembly:experimental results and implementation［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2011，40(3):257 －271.

［12］ Pnevmatikos N G，Gantes C J.Design and control algorithm for structures equipped with active variable stiffness devices［J］.Structural Control and Health Monitoring，2010，17(6):591－613.

［13］劉 濤，李愛群，張志強.粘彈性阻尼器用于框支剪力墻結構減震設計［J］.防災減災工程學報，2007，27(S):277－280.