某超高層框架-鋼筋混凝土核心筒結構減震案例分析

唐建余 潘文 董衛青 梁佶 孫柏峰

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.昆明理工大學工程抗震研究所 昆明 650500；3.云南省設計院集團有限公司 昆明 650032)

0 引言

抗震設計是保證建筑安全功能需求的關鍵，采用正確的抗震性能化設計方法有利于分析與計算超高層結構的抗震性能，在設計時更加有針對性地加強建筑結構的薄弱環節，從而達到建筑的抗震設計要求。在小震、中震作用下，運用彈性動力時程分析方法，通過減震結構與非減震結構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構響應，給出建筑結構開裂和屈服的順序，判斷建筑結構的薄弱環節、結構是否處于彈塑性階段及可能出現的破壞形式。

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，主體設計使用年限為50年，建筑結構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構。根據《建筑工程抗震設防分類標準》[1]，抗震設防分類為重點設防類，根據《工程結構可靠性設計統一標準》[2]，本建筑安全等級為一級，結構重要性系數為 1.1，抗震設防烈度為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,結構自振周期小于6.0 s，應阻尼比為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

建筑結構經過抗震設防設計后，在多遇地震作用下，建筑結構能夠基本保持彈性；在罕遇地震作用下，建筑結構的主體將進入塑性階段,但是與阻尼器連接的結構處于彈性階段，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首先進入屈服狀態，以吸收大量的地震能量來保護主體結構。本文利用PKPM、ETABS軟件，在小震作用下對結構進行分析，以及對結構主要參數進行對比。在大震作用下，使用PERFORM-3D對建筑進行分析，對結構的主要參數進行對比，得出建筑的減震效果。

2.2 阻尼器的工作機理、布置及參數

粘滯阻尼器的工作原理是當流體通過節流孔后產生粘滯阻力，它是一種與速度相關、與剛度無關的阻尼器。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，缸體內的活塞桿發生移動，使得受壓的流體穿過孔隙或縫隙，從而產生阻尼力。

按照《建筑消能減震技術規程》[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層的結構上設置懸臂式粘滯阻尼桁架進行減震。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C為300 kN/(mm·s-1)α，阻尼指數為0.35。阻尼器構造和布置見圖2和圖3。

圖2 筒式粘滯消能器構造

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，根據規范，當選擇2條人工波和5條天然波經行彈性時程分析時，時程法的計算結果取7條波的平均值，而振型分解反應譜法則取其較大值。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種軟件進行非減震結構的時程分析，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譜基地剪力值的對比見表1、表2。

表1 PKPM 非減震結構底部剪力

表2 ETABS非減震結構底部剪力

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譜的剪力值，故這7條波的選取滿足相關規范。

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層結構上布置粘滯阻尼器，考慮粘滯阻尼器的非線性，建筑結構減震分析主要通過減震與非減震結構的剪力、位移角進行對比。在小震作用下，建筑減震與非減震結構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，減震結構比非減震結構首層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%；通過對比減震結構與非減震結構樓層位移角得出在布置阻尼器后，減震結構比非減震結構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《建筑抗震設計規范》[5]，建筑減震構件附加給結構的有效阻尼比，可按下列方法確定。

消能部件附加給結構的有效阻尼比可按下式估算：

(1)

式中,ξa為消能減震結構的附加有效阻尼比；Wcj為第j個消能部件在結構預期層間位移△uj下往復循環一周所消耗的能量；Ws為設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能。

經減震計算分析，各阻尼器計算結果見表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

根據結構附加阻尼比的計算結果，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%。結構位移角計算時附加阻尼比為2.9%，總阻尼比為 6.9%。結構構件承載力設計時仍采用4%。

4.2 粘滯阻尼器中震減震分析

4.2.1 樓層剪力

中震作用下結構基本保持彈性，減震結構與非減震結構樓層剪力對比見圖6。

(a)X向剪力 (b)Y向剪力

對比中震減震結構與非減震結構樓層剪力，布置阻尼器后，減震結構比非減震結構首層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向會出現拉力，減震與非減震結構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 大震下結構彈塑性分析

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，選波的原則嚴格按照抗規要求，3條波彈性時程分析與反應譜對比見表7。

表7 各條波彈性時程分析與反應譜對比

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行彈塑性時程分析。結構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構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，建筑的主體結構發生塑性損傷較輕；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，對應速度為168 mm/s。

4.4 性能評價

根據結構在各地震工況下的塑性響應，對結構主要構件抗震性能進行評價，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型鋼，強度較臂式阻尼桁架樓層(23、35、47層，沒有進入屈服，外筒其他連梁多數進入屈服，底部加強區核心筒墻體個別進入屈服，設置懸7層)核心筒墻體，由于層高較高，墻體平面內壓彎破壞較為嚴重，減震模型與伸臂粘滯阻尼器連接相應墻體通過增設墻體暗柱配筋率來保證大震的極限承載力滿足要求。

5 結論

(1)在小震作用下，通過減震結構與非減震結構在7條地震波下參數的對比結果可以看出，減震結構(布置粘滯阻尼器)與非減震結構相比，減震結構在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構基本保持彈性，故滿足相關要求。

(2)在大震作用下，通過3條地震波作用下的參數結果對比可以得出，減震結構的X向和Y向基底剪力值有所減小，但減小的幅度很小；而減震結構的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%，建筑結構的主要構件在大震作用下具有良好的抗震性能，所以該結構構件的抗震設計達到“大震不倒”的要求。