裝配整體式混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)黏滯阻尼器減震設(shè)計

耿耀明 劉文燕

(1.同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司,上海 200092; 2.上海大學(xué)土木工程系,上海 200444)

0 引 言

裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)由于具有施工效率高、節(jié)能環(huán)保等特點,被政府大力推廣應(yīng)用,《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》(國發(fā)辦[2016]71號文)提出“用10年左右的時間,使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%”。對于有高預(yù)制率指標(biāo)的裝配整體式混凝土高層建筑,若采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行抗震設(shè)計,很難同時兼顧建筑效果與使用性能、抗震性能和預(yù)制率等要求,而將消能減震技術(shù)引入裝配式結(jié)構(gòu)中可取得顯著的效果。本文通過一個實際的工程,展現(xiàn)裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)黏滯阻尼器減震設(shè)計的基本思路和流程,為類似工程提供參考。

1 工程概況

上海臨港重裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)H36-02地塊項目西1樓,總建筑面積19 657.3 m2,地下1層,地上11層(含1層小屋面),標(biāo)準(zhǔn)層高4.2 m,建筑總高度44.4 m,結(jié)構(gòu)體系采用設(shè)置黏滯流體阻尼器的裝配整體式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),預(yù)制率不低于45%。標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面和阻尼器的布置情況如圖1所示。建筑二層樓面在圖1虛線圈出部分挑空,樓板有效寬度小于典型寬度的50%,存在樓板局部不連續(xù)。

設(shè)計基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度,基本地震加速度為0.10g,場地類別為上海Ⅳ類,特征周期為0.90 s?；撅L(fēng)壓為0.55 kN/m2,地面粗糙度B類。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面布置圖(單位:mm)Fig.1 Typical floor plan (Unit:mm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)方案選型

在方案設(shè)計階段,分別對裝配整體式混凝土框架—現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)和裝配整體式混凝土框架+非線性黏滯流體阻尼器結(jié)構(gòu)進(jìn)來了比選。

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)作為常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式,技術(shù)成熟。但在本工程中的應(yīng)用具有如下缺點:

(1) 由于本工程采用裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014),框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻部分需要采用現(xiàn)澆,這使得結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆部分增加,不利于高預(yù)制率的實現(xiàn)。

(2) 受建筑使用功能的限制,只能在中間核心筒區(qū)域布置剪力墻,使得結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心偏離,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期與平動周期比難滿足。

(3) 為控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn),需增加外圈預(yù)制框架梁、柱截面,不利于建筑效果和使用,不利于預(yù)制構(gòu)件的運輸和施工的吊裝作業(yè)。

裝配整體式混凝土框架+非線性黏滯流體阻尼器結(jié)構(gòu),通過在結(jié)構(gòu)中適當(dāng)位置布置適量的黏滯阻尼器耗散地震輸入的能量,以調(diào)節(jié)和減輕結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸。采用黏滯阻尼器一般不會增加額外的剛度,且在多遇地震作用下就能顯著耗能[1-2],減小結(jié)構(gòu)的地震剪力和位移角。由于取消了剪力墻,使結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆部分減少,在滿足高預(yù)制率的同時,減小了混凝土的用量。

綜合考慮結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo),本工程采用裝配整體式鋼筋混凝土框架+非線性黏滯流體阻尼器結(jié)構(gòu)。

2.2 阻尼器布置

本工程采用非線性黏滯流體阻尼器,阻尼力的計算公式如式(1)所示:

F=C|v|αsgn(v)

(1)

式中:F為黏滯阻尼器的阻尼力;C為黏滯阻尼器的阻尼系數(shù);α為黏滯阻尼器的阻尼指數(shù);v為黏滯阻尼器的速度。

非線性黏滯阻尼器的典型滯回曲線如圖2所示。

圖2 非線性黏滯阻尼器典型滯回曲線Fig.2 Typical hysteresis curve of nonlinear viscous fluid dampers

根據(jù)規(guī)范[3-5],消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比可按式(2)估算:

ξa=∑Wcj/(4πWs)

(2)

對于與水平面夾角為θ的非線性黏滯阻尼器,阻尼器耗能Wcj可按式(3)計算[6]:

(3)

對整體結(jié)構(gòu),總應(yīng)變能可按式(4)計算:

(4)

由反應(yīng)譜法(CQC法)試算可知:當(dāng)阻尼器所提供的附加阻尼比為5%(結(jié)構(gòu)固有阻尼比按5%考慮),即總阻尼比10%時,結(jié)構(gòu)層間位移角等各項指標(biāo)能滿足規(guī)范要求。根據(jù)式(2)-式(4)阻尼器附加阻尼比的估算方法來確定阻尼器的性能參數(shù)及數(shù)量,如表1所示。附加阻尼比的估算以結(jié)構(gòu)Y向為例,如表2所示。

表1阻尼器性能參數(shù)取值及數(shù)量

Table 1 Performance parameter of the damper

注：阻尼器數(shù)量為X向和Y向各24個

表2結(jié)構(gòu)Y向附加阻尼比估算

Table 2 Additional damping ratio in Y direction

注：計算數(shù)據(jù)均來自YJK (CQC法)的計算結(jié)果(阻尼比10%);Y向附加阻尼比ξ=134.72/(4×3.141 59×206.07)=5.2%

為充分發(fā)揮阻尼器的耗能作用,阻尼器沿豎向應(yīng)盡量布置在層間位移較大的樓層[7],故在1～8層布置阻尼器;平面布置上,考慮到建筑使用功能的限制,故只在樓、電梯間及設(shè)備用房周圍布置黏滯阻尼器,并采用墻式連接。阻尼器墻式連接安裝布置如圖3所示。

圖3 黏滯阻尼器典型立面布置示意圖Fig.3 Typical vertical layout of viscous fluid dampers

3 結(jié)構(gòu)計算與分析

3.1 結(jié)構(gòu)計算模型與主要參數(shù)

多遇地震作用下彈性計算采用YJK和ETABS軟件,罕遇地震作用下彈塑性時程分析采用ETABS軟件。主要計算假定及參數(shù)如下:①本工程為裝配整體式結(jié)構(gòu),根據(jù)規(guī)范要求按等同現(xiàn)澆設(shè)計,故分析計算時與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同;②為真實反映樓板的平面內(nèi)變形,樓板采用彈性膜單元;③結(jié)構(gòu)固有阻尼比取5%;④彈性分析時周期折減系數(shù)取為0.7。

3.2 反應(yīng)譜法計算結(jié)果

采用兩個軟件(ETABS和YJK)對總阻尼比為10%(阻尼器提供的附加阻尼比5%,結(jié)構(gòu)固有阻尼5%)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下反應(yīng)譜分析(CQC法),其分析結(jié)果對比如表3所示。由計算結(jié)果可知:多遇地震作用下,ETABS和YJK兩個軟件反應(yīng)譜法(CQC法)的計算結(jié)果基本一致,表明計算結(jié)果較為可靠;當(dāng)阻尼器提供5%附加阻尼比,即結(jié)構(gòu)總阻尼比為10%時,結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求;與無阻尼器結(jié)構(gòu)相比,有阻尼器結(jié)構(gòu)的首層地震剪力減小約17%,最大層間位移角減小約20%。

3.3 黏滯阻尼器減震分析

反應(yīng)譜法(CQC法)計算中是將黏滯阻尼器的耗能作用簡單地等效為整體結(jié)構(gòu)的附加阻尼比。為驗證該方法的有效性與可靠性,在YJK中采用彈性時程分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的消能減振分析,其中黏滯阻尼器采用非線性連接單元(Damper單元)模擬。

表3結(jié)構(gòu)多遇地震作用下反應(yīng)譜計算結(jié)果

Table 3 Result of response spectrum under frequent earthquake

彈性時程分析選用7條地震波,其中5條為天然地震波,2條為人工地震波(RGB3波和RGB4波),地震波的峰值加速度均為35 cm/s2,有效持續(xù)時間均大于20 s,各地震波平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)主要自振頻率區(qū)段內(nèi)吻合較好,能夠達(dá)到在統(tǒng)計意義上相符,而且在各條地震波單獨作用下,結(jié)構(gòu)的底部剪力均大于反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%且不大于135%,多條地震波計算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%且不大于120%,因此,所選地震波滿足規(guī)范要求,其與規(guī)范反應(yīng)譜的對比如圖4所示。

圖4 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比圖Fig.4 Comparison of seismic wave response spectrum and code spectrum

有阻尼器結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下彈性時程分析的減震計算結(jié)果如表4和表5所示,其中減震率為有阻尼器結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果與無阻尼器結(jié)構(gòu)計算結(jié)果減小值的比值,在兩個表中同時給出了反應(yīng)譜法分析的減震率。由表4和表5可知,彈性時程分析下的首層地震剪力平均減震率為35%,大于反應(yīng)譜法分析的減震率17%;彈性時程分析下的最大層間位移角平均減震率為40%,大于反應(yīng)譜法分析的減震率20%;而且反應(yīng)譜法(CQC法)分析所得的彈性層間位移角和各樓層地震剪力均能包絡(luò)住各時程波彈性層間位移角和樓層剪力。因此,多遇地震作用下反應(yīng)譜法(CQC法)結(jié)構(gòu)設(shè)計中取總阻尼比10%(附加阻尼比5%)是偏于安全的。同時,能量分析結(jié)果也進(jìn)一步表明:多遇地震作用下,黏滯阻尼器的平均耗能比例高達(dá)64%,從而有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。圖5給出了典型黏滯阻尼器單元在彈性時程分析中的滯回曲線,阻尼器的滯回曲線飽滿,充分發(fā)揮了其耗能作用。

表4多遇地震作用下首層地震剪力分析結(jié)果

Table 4 Seismic force of first floor under frequent earthquake

表5多遇地震作用下最大層間位移角分析結(jié)果

Table 5 Maximum drift angle between floors under frequent earthquake

3.4 結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下彈塑性時程分析

為研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能,采用ETABS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析。彈塑性時程分析選用3條符合規(guī)范要求的地震波,峰值加速度根據(jù)《上海市建筑抗震設(shè)計規(guī)程》(DGJ 08-9—2013)按7度(0.1g)確定,取為200 cm/s2,框架梁、柱均采用FEMA塑性鉸模型。

圖5 黏滯阻尼器滯回曲線Fig.5 Hysteresis curve of viscoms fluid dampers

罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析所得到的最大層間位移角如表6所示。由表6可知結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/158,小于純框架結(jié)構(gòu)大震下層間位移角限值(1/50)的一半,滿足規(guī)范對消能減震結(jié)構(gòu)層間位移角從嚴(yán)控制的要求。整體結(jié)構(gòu)層間位移角沿樓層高度分布均勻無突變,沒有薄弱層出現(xiàn)。

表6罕遇地震作用下最大層間位移角分析結(jié)果

Table 6 Analysis results of maximum interstory drift angle under rare earthquakes

結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件的耗能比例統(tǒng)計如表7所示。由表7可知:三組地震波作用下結(jié)構(gòu)能量耗散分布基本一致,說明結(jié)構(gòu)屈服耗能機制較穩(wěn)定合理;罕遇地震作用下,黏滯阻尼器的耗能作用減小,同時部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入非線性,產(chǎn)生塑性耗能,其中結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后的平均耗能比例為26.5%。黏滯阻尼器的平均耗能比例為19.4%,耗散了約五分之一的地震能量,在一定程度上的保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)。此外,根據(jù)結(jié)構(gòu)固有阻尼和黏滯阻尼器的耗能占比,按等效比例法可近似得出罕遇地震作用下黏滯阻尼器提供的附加阻尼比為1.8%,比多遇地震作用下提供的附加阻尼比小。

表7結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件耗能比例統(tǒng)計

Table 7 Energy dissipation ratio statistics of structural components

所有黏滯阻尼器中,最大出力為532.7 kN,小于阻尼器最大設(shè)計阻尼力600 kN;最大位移為30.0 mm,其1.2倍為36.0 mm,小于阻尼器最大行程50 mm。因此,阻尼器能夠滿足罕遇地震作用下規(guī)范對最大阻尼力和最大位移的要求,出力最大的黏滯阻尼器的滯回曲線如圖6所示。

圖6 出力最大的黏滯阻尼器的滯回曲線Fig.6 The hysteretic curve of the maximum output viscous damper

根據(jù)規(guī)范ASCE/SEC 41-46[8],主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形性能如表8所示。計算結(jié)果表明:①主體結(jié)構(gòu)框架梁基本處于屈服狀態(tài),其中絕大部分混凝土框架梁屈服后塑性變形在B～I(xiàn)O范圍以內(nèi),極少數(shù)框架梁塑性變形在IO～LS范圍以內(nèi),沒有框架梁塑性變形超過LS(生命安全)性能目標(biāo);②主體結(jié)構(gòu)僅0.66%的框架柱進(jìn)入屈服狀態(tài),進(jìn)入屈服狀態(tài)的框架柱,其塑性變形均在B～I(xiàn)O范圍以內(nèi),沒有框架柱超過IO(立即入住)性能目標(biāo)。

表8主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形性能統(tǒng)計

Table 8 Deformation performance statistics of main structural components

4 結(jié) 論

(1) 本工程為裝配整體式混凝土高層建筑結(jié)構(gòu),在采用了黏滯阻尼器消能減振技術(shù)后,取消了現(xiàn)澆剪力墻的布置,在滿足高預(yù)制率的同時,減小了混凝土的用量,且結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

(2) 多遇地震作用下,采用反應(yīng)譜法(CQC法)和彈性時程分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算,計算結(jié)果表明:本工程取黏滯阻尼器所提供的附加阻尼比為5%是偏于安全的;多遇地震作用下,黏滯阻尼器耗能作用明顯,有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求,同時采取相關(guān)的抗震構(gòu)造措施,使結(jié)構(gòu)能夠滿足小震不壞、中震可修的抗震設(shè)防目標(biāo)。

(3) 罕遇地震作用下,黏滯阻尼器的耗能作用較多遇地震作用下降低,但仍能消耗部分能量,起到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用。結(jié)構(gòu)塑性變形滿足“生命安全LS”性能目標(biāo),大震下結(jié)構(gòu)抗震性能良好。