带加强层高层建筑地震作用分析与减震研究

刘 涛，李爱群，顾小平，裴友法，张志强

(1.东南大学 土木工程学院，南京 210096;2.江苏省住房和城乡建设厅 抗震办公室，南京 210036)

高层建筑采用框架—筒体结构体系时，如果水平刚度不能满足设计要求，可以考虑将结构的设备层或者避难层的空间设计为加强层［1－7］。加强层的设置一般有两种方法:① 是在核心筒和外框架之间设置刚度较大的伸臂构件;② 是在外框架之间设置刚度较大的环向加强构件［1－2］。前者一般采用箱形梁、斜腹杆桁架或者空腹桁架;后者一般采用开孔梁、斜腹杆桁架或者空腹桁架［1］。设置加强层可以提高结构的整体刚度、减小侧移，但是也会引起加强层及其附近楼层内力和侧移突变。因此，对带加强层高层建筑在地震作用下的内力和侧移规律需要深入研究。

框架－筒体结构用于高烈度区的高层建筑时，若按照一般抗震设计，可能导致较多不良后果，如:材料花费较多，工程造价提高，结构在大震作用下可能破坏严重等。为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术(简称“结构控制”)逐渐发展起来，并被认为是减轻结构地震和风振反应的有效手段。如果说传统抗震设防技术属于一种被动、消极的抗震措施的话，结构控制则属于主动、积极的抗震措施，其目的在于提高结构抗震可靠性、抗风舒适度和使用性能［3］。结构消能减振技术是一种结构控制技术，它是通过在结构的适当位置安装消能减振装置，利用这些装置的耗能来减小结构在地震和强风作用下的反应［8－13］。粘滞流体阻尼器就是一种性能优良的消能减振装置，国内外很多学者对其基本性能进行了研究。本文将针对具体工程－位于高烈度区的带加强层、竖向刚度突变的高层建筑，首先研究其动力特性和在地震作用下的侧移特点，然后应用粘滞流体阻尼器进行减震研究。

1 工程概况

本文背景工程为某高烈度区一座双塔楼高层建筑，地下室5层，地上38层(包括五层裙房，裙房以上为双塔楼)。结构体系为框架－筒体结构，柱子采用钢骨混凝土柱，梁采用钢混凝土组合梁。结构平面纵向长72 m，横向宽48 m，地上部分总高度156 m。塔楼部分标准层结构布置见图1(由于两个塔楼布置对称，图中只给出了一侧塔楼平面布置)。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011－2010)的规定，本工程的抗震设防烈度为8°，设计基本地震加速度值为0.20 g，设计地震分组为第一组，建筑场地土为Ⅱ类，场地特征周期值取0.35 s。

图1 塔楼部分标准层平面图及加强桁架布置图(单位:mm)Fig.1 Plane of tower's standard storey and arrangement of reinforced trusses(Unit:mm)

本工程的结构布置方面有两个需要注意的地方:

(1)结构在十六层和二十七层设置加强层。采用钢斜腹杆桁架形式，在主梁下布置连接核心筒和外围框架的伸臂加强结构，并沿外框架布置环形加强桁架。伸臂加强桁架杆件截面为箱形800×300×25(mm)，环形加强桁架杆件截面为箱形650×300×20(mm)。加强桁架布置见图1。

(2)由于设备布置需要，结构的第三十四和三十六层没有楼板。这就造成结构的竖向刚度在三十四到三十六层出现突变，并进而影响整个结构在地震作用下的侧移规律。

2 带加强层竖向刚度突变高层建筑动力特性分析

2.1 有限元模型建立

根据初步设计方案，建立有限元模型，并计算其动力特性。有限元模型见图2，部分振型的周期和质量参与率见表1。

2.2 动力特性分析

根据表1的动力特性数据可以看出:

表1 部分振型周期和质量参与率Tab.1 Partial natural vibration periods and mass participation rate

(1)由于结构的塔楼部分核心筒布置在靠近塔楼内侧位置，造成结构平面刚度不对称，因此扭转振动在结构的低阶振型中表现较为明显。

(2)结构竖向振动很小，在地震响应分析时可以忽略。

(3)到第34阶振型，结构X向和Y向的累计质量参与率才超过90%。可见，计算结构地震响应时，高振型对结构振动响应的贡献需要注意。

3 带加强层竖向刚度突变高层建筑侧移分析和减震设计

3.1 地震波的选择

本文拟采用动力时程分析法分析结构在地震作用下的受力和变形。时程分析法中，输入地震波的选取是时程分析结果能否既反映结构最大可能遭受的地震作用，又满足工程抗震设计基于安全和功能的要求的前提。地震波选取的原则是:选用的地震波应与设计反应谱在统计意义上一致，对计算结果的评估是以结构底部剪力和振型分解反应谱法的计算结果进行比较，控制在一定范围内。本工程选用 EL-Centro波、Federal波以及一条人工合成波，图3给出了人工波的波形，表2给出了根据每条波时程曲线计算所得结构底部剪力和振型分解反应谱法计算的结果。经分析表明，所选三条波满足规范5.1.2条的要求(弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%)。

表2 时程分析法和反应谱法计算的底部剪力(单位:kN)Tab.2 Base shears from time history analysis and response spectrum(Unit:kN)

3.2 侧移分析

将所选择的地震波作为地面震动加速度时程输入未加阻尼器的原结构，利用非线性有限元计算软件计算结构在地震波作用下的层间变形。图4给出了地震波在X、Y两个方向分别作用时结构的层间变形，从中可以看出，由于设置两道加强层、顶部两层没有楼板，本工程在地震作用下的侧移有比较显著的、不同于其他框架－筒体结构的特点，主要表现在:

(1)层间侧移从底层开始逐渐变大，到没有楼板的楼层达到最大。一般地，框架—筒体结构在水平荷载作用下侧移应为弯剪型——顶部和底部都较小、中间楼层变形最大。但是由于本工程顶部第三十四和三十六层没有楼板，使得侧移规律发生质变:从底层开始一直增大，到没有楼板的楼层达到最大，然后再减小。可见，楼板在连接外围框架和核心筒、协调两者变形中起到决定作用。楼板缺失时，不仅附近楼层的侧移发生改变，而且连带整个结构的侧移规律发生本质变化。因此，对于位于高烈度区的框架－筒体结构来说，应尽量在每层设置面积、刚度相似的楼板，以使外围框架和核心筒共同变形、减小侧移。

(2)加强层所在楼层侧移比其附近楼层小很多，侧移曲线在加强层附近发生突变。加强层的环向桁架将外围框架柱联系在一起，共同受力、共同变形。伸臂加强桁架将外围框架和核心筒联系在一起，使得框架更多地参与抗倾覆、增大结构抗倾覆力矩。从图4可以清晰地看出，在地震作用下，结构的侧移在加强层附近突然减小。这种刚度突变导致的侧移和受力突变使得结构在地震作用下可能形成薄弱层，严重者将导致结构在大震作用下的破坏机理难以呈现“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的延性屈服机制［1］。因此，在地震区尤其是高烈度区采用带有加强层的框架－核心筒结构应慎重，最好采取有效措施，减小加强层带来的不利影响。

3.3 消能减震设计

根据初步设计方案的建筑设计图、结构布置图及其他相关资料，在本工程层中设置粘滞流体阻尼器，这样可以有效地增加结构的阻尼比，显著降低结构的地震反应，从而减小主要受力构件的截面和配筋，增加建筑物的使用面积，降低工程造价。

粘滞流体阻尼器及其附属装置是作为结构消能减振体系的消能杆件或消能装置而应用于结构中的，其核心部分是一种液压装置，包括连接件、导杆、活塞、阻尼孔、油缸、密封材料和阻尼材料(阻尼介质)等几部分［8－14］。其基本原理是，结构受到地震(或风)力的作用时，与结构共同工作的粘滞流体阻尼器的导杆受力，推动活塞运动，活塞两边的高粘性阻尼介质产生压力差，使阻尼介质通过阻尼孔，从而产生阻尼力，达到消能减振的目的。研究表明，粘滞流体阻尼器是一种无刚度、速度相关型的阻尼器，具有耗能能力强、加工精度高、外型美观等特点，其阻尼力F与活塞运动速度V之间的关系可表示为:

式中，α为一常数，通常称为阻尼指数，因阻尼器的内部构造不同，其值通常在0.2～3.0之间。

3.3.1 设置不同数量阻尼器减震效果分析

考虑到建筑物的使用功能和空间布置，在结构的第23～26层、第28～36层沿X轴方向设置线性粘滞流体阻尼器，即α=1，阻尼系数取为2×107(N·s/m)。粘滞流体阻尼器数量从每层4个到每层10个，两个塔楼对称布置。图5给出了三条波分别作用下减震结构和原结构的X向层间侧移(设置阻尼器的楼层)对比。从中可以看出，设置阻尼器后结构层间侧移有不同程度的减小，但当每层阻尼器的数量从8个增加到10时，X向层间侧移减小不明显。表3给出了设置阻尼器后结构的X向底层剪力。

图5 设置不同数量阻尼器X向侧移对比Fig.5 Comparison of lateral displacements of X direction by different damper amounts

表3 设置阻尼器后结构X向底部剪力(单位:kN)Tab.3 Base shears by the direction of X with different damper amounts(Unit:kN)

表3与表2相比较可以看出，设置阻尼器后结构的X向底部剪力有所减小，当每层设置8个阻尼器时，底部剪力减小约22%。当每层阻尼器的数量从8个增加到10时，X向底部剪力减小不明显。综合考虑，本工程在建筑设计的约束下，每层设置8个粘滞流体阻尼器对减小结构在地震作用下的侧移、减小构件受力是有效的。

3.3.2 阻尼器设置在不同楼层减震效果比较

本节考察阻尼器数量确定、布置楼层不同时的减震效果。根据3.3.1节的讨论结果，每层设置8个阻尼器，共在13层中设置阻尼器。讨论三种阻尼器布置方案:一种是阻尼器布置在顶部层间位移较大的楼层－第23～26层、第28～36层;一种是阻尼器布置在中间楼层－第13～15层、第17～26层;一种是阻尼器布置在底部层间位移较小的楼层－第1～13层。表4给出了三种布置情况下，减震结构的X向底层剪力。从中可以看出，第一种布置方案下，减震效果最理想。可见，将粘滞流体阻尼器布置在层间位移较大的楼层可以使阻尼器更为充分地发挥消能减震的作用。

表4 三种布置方案下减震结构X向底部剪力(单位:kN)Tab.4 Base shears by the direction of X under three configurations of dampers(Unit:kN)

综上所述，本工程在第23～26层、第28～36层的X向，每层设置8个粘滞流体阻尼器(对称布置)，具体位置见图1。阻尼器在梁下采用人字形支撑，以便充分发挥阻尼器的作用，并给梁下人行预留空间。

4 带加强层高层建筑抗震设计建议

带加强层高层建筑在地震或风等水平荷载作用下，受力和变形都会在加强层及其附近楼层发生突变，给结构设计带来很大不便，严重者会导致地震作用下发生“强梁弱柱”或“强弯弱剪”等非延性破坏。因此，在设计中一定要高度重视加强层的设置。一般来说，加强层的作用是提高结构的抗侧力刚度、减小结构在水平荷载作用下的变形，因此，加强层的设置要以“达到目的、适可而止”为原则，不能一味追求加强层的刚度。文献［1］建议在必要时设置“有限刚度”的加强层，从概念上强调尽可能调整、增强原结构的刚度，采用加强层只是弥补整体刚度之不足。但是，加强层的设置有时需要考虑与建筑上需要的设备层相协调，不是单纯地由结构设计师来确定。因此，在高烈度区高层建筑设计时，结构师要与建筑师充分协调，确定加强层的数量和合理位置，尽量减小加强层给结构带来的不利影响。

建筑设计或设备布置有时要求将结构某层全部或部分楼板取消，这将导致框架——筒体结构中框架和核心筒的联系减弱，不能有效连接、共同变形和受力。通过本文对背景工程的分析可以看出，楼板缺失有时会导致框架－筒体结构整体侧移规律的改变。因此，对于楼板面积缩小的楼层变形和受力一定要高度关注。一般来说，建议不要整个楼层不布置楼板，可以在设备不经过的梁间布置部分楼板，并尽量集中布置以更多地发挥楼板的作用。另外，也可以将加强层布置在该层，尽可能地使框架和核心筒共同受力，以使层间变形的突变减小到最小。

5 结论

本文以具体工程为背景，研究了带加强层、竖向刚度突变的高层建筑的动力特性、地震作用下的侧移规律和减震优化设计，得出以下结论:

(1)加强层的存在使得框架－筒体结构在地震作用下的侧移在加强层附近发生突变，给结构设计带来不便。因此，加强层的布置要以“达到目的、适可而止”为原则，采用“有限刚度”的加强层。不能认为加强层刚度越大越好，否则将导致结构刚度突变加剧、内力骤变、罕遇地震下结构可能在加强层附近形成薄弱层而破坏。

(2)楼板缺失对框架－筒体结构在水平荷载作用下的侧移影响很大，严重者将导致框架－筒体结构整体侧移规律的改变。因此，设计时应尽量不要使整个楼层没有楼板，必要时可以将加强层设置在楼板较少的楼层，用以联系外框架和核心筒，协调变形、减小竖向刚度突变。

(3)粘滞流体阻尼器滞回曲线饱满，耗能能力强，在高层建筑减震设计中有广阔的应用前景。本文在背景工程中设置粘滞流体阻尼器，通过数值分析可以看出，本文选用的地震波是合适的，加了阻尼器之后结构在X向地震作用下的层间变形和底部剪力都有所减小。经过合理优化设计(每层设置8个阻尼器，阻尼器设置在顶部层间位移较大的楼层)，底部剪力可以减小20%～25%。可见，采用粘滞流体阻尼器用于高烈度区带加强层高层建筑，减震效果良好。

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