高层建筑加强伸臂结构分析及应用*

2023-10-16薛红京束伟农

建筑结构 2023年18期

薛红京, 束伟农

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

伸臂技术应用与发展是高层建筑发展的主要驱动力之一。高层建筑侧向主要受风力与地震作用影响,随着建筑高度增加,竖向荷载基本按建筑高度呈线性增加,而水平荷载(主要是风力与水平地震作用)下产生的楼层弯矩与建筑高度呈3次方关系,产生的侧向变形与建筑高度呈4次方关系[1],见图1。

图1 建筑内力或位移与高度关系

蒙特利尔交易大楼创新性地第一次采用了加强伸臂技术,在1972年必和必拓大楼又领先采用了环桁架技术,此后框架-核心筒结合伸臂技术成为高层建筑结构形式主流。

伸臂加强作用非常明显,当主体结构受到侧向荷载作用时,核心筒产生变形,通过伸臂桁架协调作用,外框柱一侧受拉另一侧受压,形成反向力偶,减小主体结构在侧向力作用下的变形,平衡部分倾覆力矩,见图2。

图2 伸臂桁架与核心筒、外框柱连接示意

在普通刚性伸臂的基础上,通过科技创新与工程实践应用,将防屈曲支撑、黏滞阻尼器等装置与普通伸臂技术结合,使得伸臂桁架从单纯刚性伸臂逐步发展为BRB伸臂、一般黏滞阻尼伸臂(为与带放大装置黏滞阻尼伸臂区别)、带放大装置的黏滞阻尼伸臂,以及多种伸臂形式搭配使用的混合控制消能减震伸臂,在发挥侧向加强作用的同时,进一步提高伸臂加强与耗能综合效能。本文主要讨论几种伸臂的工作性能和优缺点。

1 普通刚性伸臂

普通刚性伸臂应用最为广泛,对主体结构抗侧刚度的加强作用最为突出,为验证刚性伸臂加强作用,结合设防烈度8度区某49层202m高层建筑,在保持其他条件相同的前提下,对设置伸臂与不设置伸臂的结构进行多遇地震分析,对比其在水平地震作用下的变形情况,以验证刚性伸臂加强效果。

设置伸臂与不设置伸臂的结构多遇地震下层间位移角曲线见图3。由图3可以看出,不设置伸臂的结构最大层间位移角为1/536。结合建筑避难楼层布置,在第24层与第48层沿X向与Y向分别设置6道V形型钢伸臂,在钢伸臂加强作用下,主体结构最大层间位移角由1/536减少为1/673。不设置伸臂的结构虽然可以通过增加核心筒墙厚或加大外框架截面尺寸提升主体结构抗侧刚度,但提升效率低,影响建筑利用率,降低工程经济性,设置刚性伸臂可以高效率提升建筑物抗侧刚度,减小建筑物整体变形量与层间变形差。

图3 多遇地震下结构层间位移角曲线

刚性伸臂虽然对主体结构加强作用突出,但其局限性也很明显,首先,刚性伸臂耗能效果差,某300m高大厦沿竖向均匀布置了5道钢桁架伸臂,采用ETABS软件对其进行分析,得到多遇地震作用下主体结构顶点最大位移为190mm,最大层间位移角为1/1 103;在重现期50年风荷载作用下,主体结构顶点最大位移为285mm,最大层间位移角1/529(图4)。

图4 风力与多遇地震作用下主体结构变形对比

计算结果表明,本工程风荷载为水平作用控制工况。在地震与风荷载作用下结构安全性与抗变形能力均满足规范要求。按照《工程结构通用规范》(GB 55001—2021)[2]要求,高层建筑在设计时应考虑脉动风对主体结构的影响,根据气象记录,将屋顶钢架风力响应简化为大小56.2kN、频率为2.12Hz的水平集中荷载,施加于屋顶钢架固定点,楼层振动加速度计算结果见图5。由图5可以看出,顶部多个楼层振动加速度超过100mm/s2,引起振动有多方面原因,屋面加强层采用刚性伸臂,在风力作用下刚性伸臂处于弹性状态,建筑物阻尼比低,整体结构耗能差是影响因素之一。

图5 某高层建筑在脉动风作用下振动加速度

其次,在水平侧向力作用下,刚性伸臂斜腹杆产生集中拉压作用,会造成核心筒墙体损伤。

图6为设置刚性伸臂和阻尼伸臂与核心筒连接部位的墙体损伤情况。从图6可以看出,设置刚性伸臂的墙体产生了一定损伤,而设置阻尼伸臂的墙体基本无损伤。这是因为设置刚性伸臂后结构刚度增大,结构周期变短,间接加大了地震动输入。刚性伸臂上述缺点通过试验也得到了印证,杨青顺等[3]以8度区某250m高、设置一道伸臂桁架的实际工程为研究背景,采用1∶3缩尺比例设计了伸臂桁架试件,并对其进行了拟静力试验研究,结果表明,普通伸臂试件腹杆易发生整体屈曲,弦杆易产生受弯屈服,存在承载力退化速度快、延性差和耗能能力不足的缺点。

图6 不同伸臂核心筒墙体损伤对比

最后,设置刚性伸臂容易引起加强层刚度突变,也是高层建筑设计中需要重点注意的问题。

经过多年应用与探索,伸臂技术得到了充分发展,在材料上可以采用混凝土构件,也可以采用钢构件,还可以采用多种材料组合构件。伸臂形式也多种多样,可以是从混凝土核心筒外挑的混凝土墙,也可以是钢筋混凝土桁架或钢桁架,而钢桁架是最常见的结构形式。图7为加强层布置与伸臂桁架常用的几种布置形式[4-5]。

图7 加强层布置与常用伸臂形式

为保证斜腹杆传力效果,在伸臂桁架中,斜腹杆与水平杆夹角范围一般为30°～60°,故在具体工程中需根据建筑物层高和进深尺寸选择合理布置方式。

加强伸臂一般结合建筑避难层或设备楼层布置,根据相关研究成果,一道伸臂一般设置在0.6H(H为建筑高度)位置附近,二道伸臂分别布置在中部与顶部,多道伸臂沿高度均匀布置[5-10]。伸臂设置在不同的楼层效果有一定差异,布置在0.5H～0.9H时有利于控制结构侧移;布置在0.3H～0.7H时对结构自振周期效果好;布置在0.3H以下时可有效减小底部楼层核心筒墙体的拉应力[11],见图8。

图8 加强伸臂布置不同高度时作用效果

2 BRB伸臂

由于刚性伸臂在工程应用中的局限性,有专家学者提出了采用BRB防屈曲支撑代替伸臂桁架斜腹杆,从而形成BRB伸臂。陈曦、蒋庆、Lin、Youssef等[12-15]研究了高层建筑中BRB伸臂的耗能性能,结果表明BRB伸臂可以起到耗能作用。

防屈曲支撑按照功能效果可以划分为5部分,如图9所示。首先是分布在两端头的无约束非屈曲段,此部分一般采用建筑用钢结构材料,连接BRB支撑与主体结构;其次是中间约束屈曲段,此部分是BRB支撑的核心部件,由中心耗能软钢、外部钢套筒以及填充砂浆等构成,也是核心功能段;第三部分是设置在中间约束屈曲段与两端无约束非屈曲段之间的约束非屈曲段。BRB的芯材一般采用软钢,从原理上,可以通过软钢屈服拉伸与压缩变形耗散外部输入能量,图10对比了BRB伸臂与一般刚性伸臂耗能效果。

图9 屈曲约束支撑构成与功能段划分

图10 BRB伸臂与一般伸臂桁架滞回曲线对比

由图10可以看出,与一般刚性伸臂相比,BRB伸臂滞回曲线范围更大,形状饱满,耗能效果优于一般刚性伸臂。在地震等外部荷载作用下,通过中间约束屈曲段软钢耗能起到保护主体结构的作用,但BRB伸臂耗能的前提条件是中心软钢屈服,否则,BRB伸臂的性能与一般刚性伸臂一样[16-17]。针对高层建筑抗震设计,只有BRB尽早参与耗能,才能减小结构内力。BRB中心软钢屈服只能对应某水准地震外部作用。预设软钢在多遇地震作用下屈服,则在设防地震与罕遇地震作用下,BRB伸臂将失去抗侧加强作用;同样预设BRB伸臂在罕遇地震作用下屈服耗能,则在多遇地震与设防地震作用下,其性能与一般刚性伸臂无异。最为理想的情况是,在设防地震作用下,BRB中心软钢发生塑性耗能,但在实际工程中,由于风力也是高层结构主要侧向作用之一,并且风力作用较为频繁,尤其在我国沿海地区,风荷载大且经常面临台风作用,以深圳地区为例,根据气象资料统计,自2000年以来深圳遭受台风、强台风、超强台风超过20次。《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018)[18]要求,高层建筑风荷载工况组合系数为1.1×1.5,对于设置BRB伸臂的高层结构,要在风荷载工况下BRB保持弹性,在我国沿海等风力作用较大地区,BRB伸臂在大震阶段才能耗能,应用较为局限。BRB伸臂中心软钢承载力低,芯材的截面尺寸大于普通钢构件界面尺寸,加上外部钢套筒以及填充砂浆影响,BRB伸臂界面尺寸是一般刚性伸臂界面尺寸的2～3倍。另外,BRB伸臂连接构造及节点作法较为复杂,因此,在高层建筑中BRB伸臂技术要开展实际工程应用,仍有较多难题需要深入研究。

3 一般黏滞阻尼伸臂

黏滞阻尼器是速度相关型阻尼器,工作原理是通过活塞的反复运动,内部液体流过活塞头上的小孔从而提供阻尼力。

一些学者在伸臂桁架中引入黏滞阻尼器形成一般黏滞阻尼伸臂,研究其加强及耗能效果。吴宏磊等[19]研究了黏滞阻尼器在超高层中的应用,指出黏滞阻尼伸臂减震效果良好,附加阻尼作用明显,具有较好的经济性;汪志昊等[20]通过研究发现在高层建筑中核心筒和外框柱之间合理布置黏滞阻尼器可以显著改善结构动力性能;Stafford等[9]提出了在高层建筑伸臂桁架与周边框架柱中添加黏滞阻尼器可以减小结构动力反应的概念,并认为这种阻尼器的设置方式,相对于空间和经济成本要求较高的调谐质量阻尼器更具有经济性。周颖等[21]提出在伸臂桁架与外框架间布置黏滞阻尼器,并通过分析认为仅在伸臂桁架末端即外框架与核心筒相对变形较大的位置布置黏滞阻尼器尚显不足,需沿伸臂桁架布置更多黏滞阻尼器。

建筑物受到地震动作用,产生惯性力、弹性回复力和阻尼力,地震作用下运动方程见式(1):

(1)

由于阻尼器参与工作提供阻尼反力,分担了部分外力作用,地震作用下的能量方程如下:

EK+ED+EF=EEQ

(2)

EK+ED+EF+ES=EEQ

(3)

式中:EEQ为地震作用对体系输入的总能量;EK为结构动能;ED为主体结构阻尼耗能;EF为弹性势能;ES为附加阻尼耗能。

在式(3)中,阻尼器参与工作后产生附加阻尼耗能ES,集中耗散部分地震能量输入,一定程度上保护了主体结构,降低了地震作用。另外,通过阻尼器工作提高建筑附加阻尼比,反应谱曲线下降,地震影响系数降低,可以直接减小地震输入;在反应谱曲线下降阶段,延长结构振型周期也可以降低地震影响系数,起到降低地震输入的作用,见图11。

黏滞阻尼伸臂设计是一个非常复杂的过程:1)黏滞阻尼器的选择,要满足强度设计需求,并且吨位不能过大,吨位过大影响耗能效果,作用类似刚性伸臂;2)阻尼器行程要有保证,在抗震设计中,阻尼器行程需要满足大震要求,避免阻尼器失效;3)黏滞阻尼器静止刚度为0,在外部荷载作用下产生阻尼反力,阻尼器的能量耗散能力随着阻尼器变形的增大而增大,阻尼器反力和动力刚度也随变形速度而变化,速度越快动力刚度越大。故为最大发挥阻尼器性能,选择合理有效的部位布置阻尼器是关键,阻尼伸臂阻尼器典型安装方式主要有两种,见图12。

图12 阻尼伸臂阻尼器典型安装方式

图12(a)是黏滞阻尼器水平安装伸臂桁架,在水平侧向力作用下,黏滞阻尼器被动变形是利用楼层剪切变形。另一种是黏滞阻尼器竖向安装伸臂桁架,见图12(b),在水平侧向力作用下,黏滞阻尼器被动变形主要利用主体结构弯曲变形。在超高层建筑中,伸臂加强层侧向变形一般以弯曲变形为主,剪切变形所占比例较小,图12(b)中竖向安装阻尼器利用了核心筒与外框柱间竖向变形差,阻尼器行程与耗能效果强于图12(a)水平安装方式。

综上,一般黏滞阻尼伸臂可以实现集中耗能,减震耗能效果比BRB伸臂好,但也存在响应速度慢,小震作用下阻尼器被动变形不足,阻尼器性能难以发挥,震后恢复力差[22]等问题。

4 带放大装置的黏滞阻尼伸臂

伸臂中黏滞阻尼器充分发挥耗能作用需要一定的变形量或者变形速度,对于一些自身侧向变形较小的结构或者结构在中小地震作用下的情况,黏滞阻尼器难以充分发挥工作性能,应用效果受到制约。为解决上述问题需要对现有的伸臂技术进行改进,加入具有放大效应的装置,放大结构反应,使得黏滞阻尼器尽早快速参与工作。

在伸臂中加入放大装置后,可以有效放大黏滞阻尼器的位移、速度和阻尼力响应,能够充分发挥黏滞阻尼器的性能。赵桂峰等[23]全面总结了国内外阻尼器响应放大技术研究与应用进展,论述了多种装置的构造和作用机理,分析了现有阻尼器响应放大技术的不足,指出了放大技术的应用的必要性和发展方向。赵桂峰等[24]还进一步研究了带凸轮式放大装置的阻尼构件作用原理和分析模型,证明带放大装置的阻尼构件可以用于工程实际,阻尼器作用被放大,耗能效果增加,能实现快速响应,降低结构成本,提高经济效益。李波等[25]分析了附加改进肘型斜撑阻尼器体系结构,证实了放大装置可以带动阻尼器更好地工作,在同等条件下,可以更好地控制楼层变形、降低楼层剪力反应。周云等[26]对设置悬臂肘节型黏滞阻尼器高层结构的减震效果进行了对比分析,指出用几何放大原理,悬臂肘节型黏滞阻尼伸臂桁架可以有效放大结构层间位移,阻尼器名义位移放大系数可以达到3～5,效果较为理想。

图13为三种常用阻尼器变形放大装置。根据相关研究,连杆式放大装置,容易发生平面外失稳,侧移较小时效率低[27-29];齿轮式放大装置耐久性差,安装精度要求高[23,30-31];旋转式放大装置角度小,极限位移受到限制,对阻尼器变形放大作用一般[23]。

图13 三种常用阻尼器变形放大装置

图14为相对于一般阻尼伸臂增加了一套机械放大装置,通过的菱形放大装置的转动效应放大核心筒和外框之间的竖向变形差,从而放大提高阻尼器的行程和响应速度,提升黏滞阻尼器耗能效率,工作原理直接,放大倍数可控。以8度区某250m高层建筑为背景工程,该建筑地上51层,结合建筑避难层伸臂加强层布置于地上35层,在X向与Y向共布置有8道放大耗能型阻尼伸臂,每道伸臂包含2个黏滞阻尼器,阻尼器阻尼系数为2 000kN/(m/s)0.3,阻尼指数为0.3。

图14 带放大装置阻尼伸臂系统布置图

图15为带放大装置与一般阻尼伸臂阻尼器滞回曲线对比,模型1为一般黏滞阻尼伸臂,阻尼器布置见图12(b)。模型2为带放大装置黏滞阻尼伸臂(图14)。在菱形装置放大作用下,黏滞阻尼器滞回环包围的面积扩大,综合提升了黏滞阻尼伸臂系统的耗能效果。对比考察一般黏滞阻尼伸臂和带放大技术黏滞阻尼伸臂中黏滞阻尼器出力与变形情况,两个模型荷载及其余条件完全一致,分析后两模型伸臂中阻尼器反力时程曲线及两端相对位移时程曲线对比见图16与图17。

图15 两种伸臂阻尼器滞回曲线对比

图16 模型1与模型2阻尼器反力时程曲线对比

图17 模型1与模型2阻尼器两端相对位移时程曲线对比

通过图16与图17可以看出,两个模型对黏滞阻尼器出力要求基本一致,带放大装置的黏滞阻尼伸臂变形响应放大效果良好,验证了该放大装置的有效性。在多遇地震作用下,采用带放大装置黏滞阻尼伸臂,建筑结构可获得超过1%的附加阻尼比。在罕遇地震作用下,采用带放大装置黏滞阻尼伸臂产生的附加阻尼效果更大,X向阻尼器贡献的附加阻尼比为2.1%,Y向阻尼器贡献的附加阻尼比为2.3%,建筑结构耗能分布见图18。