连梁金属阻尼器在四川天府新区某超高层的应用
2022-09-22丁焕龙李治明程云昭李胤松
丁焕龙， 李治明， 王 武， 陶 兵， 程云昭， 李胤松
(成都市建筑设计研究院有限公司，四川成都 610015)
1 工程概况
本工程为四川天府新区总部商务区某超高层办公综合体项目，涵盖酒店、办公、餐饮、商业等多种业态，总建筑面积约13万m2，其中地上建筑面积约9.6万m2，地下建筑面积约3.4万m2。
本工程地上40层，地下3层，结构总高度为189.6 m。建筑立面从下往上逐渐内收。
主楼平面(长×宽)投影尺寸：1F～4F为86.8 m×62.5 m，标准层(5F～39F)底部为49.5 m×49.5 m(最大)、顶部为39.2 m×39.2 m(最小)，框架柱与筒体外墙的轴线尺寸约为8.5～11.8 m，筒体外墙边到边尺寸为22.2 m×23.2 m，框架柱柱距为9 m，塔楼高宽比4.27，筒体高宽比8.6。标准层层高为4.5 m。
地下室3层，平面尺寸约106 m×112 m，地下-1～-3F层高分别为6.5 m、4.2 m、4.0 m。本工程-3F为人防地下室。
结构标准层平面图如图1所示。
图1 主楼标准层结构平面布置
2 结构设计参数
本工程结构安全等级为一级，结构重要性系数1.1。主体结构设计使用年限、耐久设计年限均为50年。
工程所在地的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第3组，场地类别为II类，Tg=0.45 s。水平地震影响系数最大值为0.08(多遇地震)。
本项目主要设计荷载取值：办公室区域楼面恒载(不含楼板自重)2.0 kN/m2；活载考虑灵活隔断3.5 kN/m2；屋面层楼面恒载(不含楼板自重)5.5 kN/m2，活载3.0 kN/m2。
根据建筑物高度、平面形状、立面造型、装配率要求、设防烈度等因素综合考虑，采用混合结构体系：框架核心筒结构(型钢混凝土柱+钢梁+钢筋混凝土核心筒)。框架梁与钢筋混凝土核心筒铰接，与型钢混凝土柱刚接。框架抗震等级为一级，核心筒抗震等级为特一级。
结构主要竖向构件尺寸见表1。
表1 竖向构件截面尺寸 单位：mm
3 消能减震方案介绍
因框架梁采用钢梁，刚度偏弱，经计算分析，在多遇地震作用下，X向与Y向框架承担的楼层剪力标准值最大值分别为楼层底部总剪力的9.45%、9.39%，均小于10%，混凝土核心筒承担了大部分地震剪力，JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]第9.1.11条明确要求核心筒墙体需采用更严格的抗震措施。核心筒墙体作为抗震设防的第一道防线，尤为重要，为减少核心筒墙体在地震作用下的应力损伤，本工程采用消能减震技术。
目前工程中应用较多的消能减震技术有位移型阻尼器和速度型阻尼器，其中金属阻尼器属于位移型，其应用方式可以分为支撑式、墙式和连梁式[2]。本工程选用连梁式金属阻尼器，主要鉴于几点：
(1)剪力墙连梁工作中由于墙肢弯曲变形，引起连梁两侧产生相对竖向变形，承受较大的剪切力，因此可以设置在相对竖向变形下可屈服的剪切型消能器[3]。
(2)连梁本身就是结构中的耗能构件，连梁阻尼器作为抗震设计第一道防线，符合结构概念设计[4]。
(3)连梁阻尼器体积小，布置灵活，不影响建筑及设备功能。
(4)连梁阻尼器替代原有连梁，节点构造简单，经济性好。
(5)若在较大地震发生屈服破坏，易更换。
本工程中连梁式金属阻尼器(图2)布置在剪力墙筒体中的连梁位置，在地震中利用连梁的变形进行耗能。
图2 连梁阻尼器安装示意
本工程连梁阻尼器布置如图3所示。图中CBDX表示X方向的阻尼器，CBDY表示Y向布置的阻尼器。布置楼层范围为1～39层。阻尼器参数详见表2。
图3 阻尼器平面布置
表2 阻尼器参数
4 结构分析
4.1 计算软件及模型
多遇地震弹性反应谱采用YJK和Midas Building分别计算；多遇地震弹性时程分析采用YJK。
设防地震等效弹性采用YJK计算；设防地震动力弹塑性时程分析采用Strat计算。
罕遇地震动力弹塑性时程分析采用Strat计算。
结构计算模型如图4所示。
4.2 多遇地震作用下分析
本工程多遇地震作用下反应谱分析采用YJK及MIDAS Building计算。2个模型输出的周期、刚度、层间位移和基底剪力等主要指标差值均在误差允许范围内，从而保证了分析结果的准确性。
本工程采用时程分析法时，选用了7条时程波，其中5组天然波，2组人工波，计算结果取平均值。进行多遇地震、设防地震、罕遇地震计算时，所用地震加速度时程最大值采用现行GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中规定的相应值。7组时程波编号见表3，7组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线在统计意义上相符[5]。
表3 地震波编号
多遇地震弹性反应谱分析结果与弹性时程分析结果见表4，以弹性时程分析所得的结构主方向基底剪力与同方向振型分解反应谱法的计算结果进行比较，单条(单向或两向水平)地震波时程分析得到的结构主方向基底总剪力为同方向反应谱计算结果的65%～135%，7条地震波时程分析的结构主方向基底总剪力平均值为反应谱计算结果的80%～120%，满足规范要求。
经计算分析，在多遇地震下，阻尼器基本保持弹性，故不考虑附加阻尼作用。
表4 多遇地震底部剪力
4.3 设防地震作用下的分析
本工程选用上海佳构软件科技有限公司开发的Strat软件(V2017.2版本)进行结构动力弹塑性分析。梁、柱和支撑等构件采用纤维束模型模拟其弹塑性性质，剪力墙则采用非线性壳单元模拟。设防地震下的结构非线性时程分析采用地震波同多遇地震。地震波水平主向加速度峰值取100 cm/s2，次方向加速度峰值取85 cm/s2。
4.3.1 设防地震作用下层间位移角
设防地震作用下，X主向和Y主向最大层间位移角平均值分别为1/401和1/415，均小于设防地震水准下结构性能目标所定位移角限值1/216。
4.3.2 设防地震作用下附加阻尼比及底部剪力
设防地震作用下能量曲线见图5、图6，根据能量比法[5]计算得到的设防地震下附加阻尼比详见表5。
图5 X向-T1波能量曲线
图6 Y向-T1波能量曲线
表5 设防地震下附加阻尼比
根据设防地震非线性时程分析能量比法结果，附加阻尼比近似取1%，故总阻尼比取5%进行等效弹性反应谱分析，与非线性时程分析结果对比，对比结果详见表6。
表6 反应谱与时程分析结果对比
根据反应谱与时程分析层间位移角及底部剪力对比，可看出考虑附加阻尼比后的等效反应谱的结果略大于时程分析结果，等效反应谱计算结果较为可靠。构件设计时采用等效反应谱法计算。
4.3.3 设防地震作用下底部墙肢拉应力
设防地震作用下底部剪力墙受拉情况详见表7，表格中数值为墙肢平均拉应力与混凝土抗拉强度标准值ftk的比值。其中ftk=2.85 MPa。
图7 墙肢编号示意
4.3.4 设防地震作用分析结论
根据设置阻尼器的等效反应谱与不设置阻尼器的反应谱结果对比，可看出在设防地震作用下阻尼器普遍处于屈服阶段，耗能作用明显，明显降低了地震作用下墙肢拉应力，对结构的楼层剪力有明显改善作用。
4.4 罕遇地震作用下的分析
罕遇地震非线性时程分析分别输入了7组水平地震波(同多遇地震时程分析选波)，地震波主分量加速度峰值取220 cm/s2，次方向加速度峰值取187 cm/s2。阻尼比取0.04。
表7 设防地震作用下底部剪力墙受拉情况
4.4.1 罕遇地震作用下层间位移角
罕遇地震作用下，X主向和Y主向最大层间位移角平均值分别为1/239和1/305，均小于罕遇地震水准下结构性能目标所定位移角限值1/111。
4.4.2 罕遇地震作用下附加阻尼比
罕遇地震作用下能量曲线见图8、图9，根据能量比法计算得到的设防地震下附加阻尼比详见表8。
在罕遇地震作用下，非线性时程分析底部剪力值如表9所示。
4.4.3 罕遇地震作用下应力图及滞回曲线
根据层剪力情况可知T3波作用接近平均值，因此以下展示T3波作用下的计算结果。图10～图13为罕遇地震作用下应力图及滞回曲线图。
4.4.4 罕遇地震作用分析结论
罕遇地震作用非线性时程分析表明：
图8 X向-T3波能量曲线
图9 Y向-T3波能量曲线
表8 罕遇地震下附加阻尼比
表9 罕遇地震作用下楼层底部剪力 单位：kN
图10 T3波作用下外框架梁最大应力
图11 T3波作用下核心筒拉应力(X向与Y向)
图12 X向典型连梁阻尼器滞回曲线
层间位移角远小于规范限值1/111，连梁阻尼器耗能较多，所消耗能量约占系统阻尼耗能的30%，较好的保护了主体结构。
钢筋混凝土核心筒的连梁多数均产生了塑性铰，耗散了相当一部分地震输入能量，核心筒墙体的屈服集中发生在底部若干层，形成较强的耗能能力，核心筒较好地发挥了第一道抗震防线的效能；作为第二道防线的外围型钢混凝土框架始终保持在弹性受力阶段，较好地发挥了二道防线的作用。
总之，整体结构抗震设计中有意识地设置了一系列耗能构件，形成了多道抗震防线，结构破坏模式和屈服机制合理，达到了预期的结构抗震性能目标。
图13 Y向典型连梁阻尼器滞回曲线
5 结论
在本工程中，为了提高结构抗震性能，在核心筒外墙部分连梁上布置了连梁式金属阻尼器。本文计算了多遇地震、设防地震、罕遇地震下连梁阻尼器的附加阻尼比。结果表明：
(1)多遇地震作用下，因阻尼器基本保持弹性，不考虑附加阻尼作用。
(2)设防地震作用下，阻尼器可提供附加阻尼比约1%，对结构的楼层剪力及底部墙肢拉应力有明显改善作用。
(3)罕遇地震作用下，连梁阻尼器进一步耗能，其总耗能约占塑性耗能的30%，剪力墙的损伤得到有效控制。
综上所述：连梁阻尼器在设防地震和罕遇地震作用下能起到很好的效果，充分发挥耗能作用，整体结构具有良好的抗震性能，满足建筑功能需求的同时提高了结构的抗震性能。
