某改建高層建筑減震分析及設計

王梅芳 （安徽南巽建筑規劃設計院有限公司，安徽 合肥 230011）

關鍵字：框架-粘滯阻尼器；彈塑性時程分析；有效性

0 前言

既有建筑原使用功能為工業廠房，底部四層為工業廠房，上部以實驗與辦公為主，框架與核心筒的抗震等級均為二級。現將其改造成醫療建筑，根據規范及地方管理規定三級醫院醫療建筑抗震設防類別應劃為重點設防類，應按高于本地區抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施，故抗震等級應在原有基礎上提高一級，為一級。原設計的抗震構造措施已無法滿足一級抗震的要求，應采用消能減震技術，將抗震構造措施降低一度，使已有構造措施能滿足現行規范要求。

消能減震設計是在地震作用下，結構通過消能減震裝置產生摩擦、彎曲(或剪切、扭轉)彈塑(或黏彈)性滯回變形來吸收或耗散地震對結構的作用，從而減小主體結構吸收的地震力，降低結構變形量，提高結構抗震能力，確保主體結構的安全。

1 工程概況

本工程位于合肥地區，建于2014年，由A、B兩個框架-核心筒塔樓，中間設置3層裙房，建筑連成一體，結構采用防震縫隔開，形成三個獨立的單體。主樓結構形式為框架-核心筒結構，上部結構22層，1～3層高均為5.2m,3層以上層高均為3.6m，地下室層高4.8m，建筑總高度為83.65m。樓蓋采用鋼筋混凝土梁板結構，基礎形式為核心筒采用樁基+筏板基礎，外框架采用樁基承臺。

該樓的結構安全等級為一級，抗震設防烈度為7度（0.10g），第一組，特征周期為0.35s，根據地勘確定場地類別為Ⅱ類，混凝土結構阻尼比為0.05，抗震設防類別為乙類，框架、核心筒抗震等級均為一級。當地《關于進一步加強全市房屋建筑工程抗震管理的通知》規定要求提高一檔計算地震作用，故本項目按7度（0.15g）進行地震作用計算。并采用設置消能減震裝置的措施降低1度抗震構造措施。

結構計算分析采用SATWE進行多遇地震下反應譜分析，使用SAUSAGE進行彈性時程、彈塑性時程分析。兩者相互比較，論證，確定結果的合理性及有效性。

2 方案選擇

根據《建筑抗震設計規范》（以下簡稱：抗規）規定：現有主體結構抗震構造措施不能滿足要求，采用消能減震措施提高其的抗震性能，抗震構造要求可以按規范規定適當降低。如何實現降低一度的目標，根據抗規12.3.8條說明，當采用消能減震措施的結構的地震影響系數不到未采用消能減震結構的50%時，抗震構造可降低一度。給消能減震提出明確的設計目標，針對本工程即將框架與核心筒的抗震等級從一級降至二級。

結合本工程特點及建筑可設置的條件，消能減震設計擬采用速度相關型消能器（框架-粘滯阻尼器），其利用黏滯材料運動時產生黏滯阻尼來耗散地震作用的能量。粘滯阻尼器平面主要布置在不影響建筑功能的位置，以周邊框架位置為主，立面主要布置在中間層4～17層共14層，共112個，粘滯阻尼器的平面布置圖如圖1所示。經分析，此布置能起到有效的消能減震作用。

圖1 阻尼器平面布置圖

粘滯阻尼器力學性能的主要參數：類型為VFD，阻尼系數C為125kN/(mm/s)a,阻尼系數a為0.25，設計阻尼力為470kN，設計速度采用200mm/s，極限阻尼力為492kN，極限速度為240mm/s，計算阻尼力為738kN，行程100mm。

3 模型對比分析

本工程使用SATWE進行多遇地震下反應譜分析，使用SAUSAGE進行多遇地震下彈性時程分析和罕遇地震下彈塑性時程分析。為保證結構計算結果的正確性及有效性，需要對SATWE和SAUSAGE兩種軟件下結構模型的計算結果進行校核，確保兩種軟件下結構模型的計算結果具有一致性。

在SAUSAGE的時程分析模型中，框架-粘滯阻尼器（VFD）采用速度型阻尼器模擬，分別針對其質量和結構周期（前三階）進行對比分析，對比結果如表1～表2所示。

結構質量對比單位：Ton 表1

結構周期對比(前三階）單位：s 表2

由表1～表2可知，在SATWE和SAUSAGE兩種軟件下，結構模型計算所得的質量差值為1.77%和結構周期（前三階）最大差值為2.16%，兩者差異都較小，故可以假定兩種軟件下的結構模型基本一致。

4 小震彈性時程分析

結構多遇地震下彈性時程分析采用SAUSAGE軟件進行補充計算，與SATWE的振型分解反應譜法的計算結果進行對比，主要指對底部剪力、樓層剪力和層間位移進行分析比較。根據《抗規》規定，采用時程分析法時，地震峰值加速度采用55cm/s2。

4.1 地震波的選取

按《抗規》5.1.2條要求選取的5條天然波與2條人工波，地震影響系數曲線多組時程波的平均值與振型分解反應譜法相比，結構主要振型的周期點上相差不大于20%，意味其在統計意義上相符。從工程角度分析，這樣選取也能保證時程分析的結果滿足結構安全度的最低要求。但對計算的結果也有界限要求，不宜太大，根據規定每條地震波輸入計算值不大于135%，平均值不大于120%。本工程選取七條波進行彈塑性時程分析，其中 T1（TH003TG035）、T2（TH034TG035）、T3（TH041TG035）、T4（TH068TG035）和T5（TH075TG035）為天然波 ，R1（RH2TG035）、R2（RH4TG035）為人工波，頻譜分析圖圖2所示。

圖2 頻譜分析圖

振型分解反應譜分析與彈性時程分析結果比較如表3所示，表中比例是指各條時程曲線計算底部剪力與反應譜法計算底部剪力的比值，從表中數值分析可看知，各條時程曲線計算結果與振型分解反應譜法計算結果比值最小值為74.45%，均大于65%，而七條時程曲線計算的結果平均值與反應譜法計算結果相比為89.15%，大于80%，經分析可知：所選取的7條地震波能滿足現行規范要求，可以用于計算分析。

基底剪力(kN)對比情況一覽表 表3

4.2 計算結果

①層間位移角直接反應整體結構的剛度，經計算：減震結構X方向最大位移角為1/2770，Y方向最大位移角為1/2415。而為確保高層建筑結構具有必要的剛度，規范規定框架核心筒結構在多遇地震標準值作用下層間位移角限值為1/800。故本工程能滿足規范要求。

②樓層剪力：減震與非減震條件下樓層剪力對比圖如圖3所示。

圖3 減震與非減震條件下樓層剪力對比圖

③樓層位移：減震與非減震條件下樓層位移對比圖如圖4所示。

圖4 減震與非減震條件下樓層位移對比圖

④附加阻尼比

根據《抗規》第12.3.4條：計算消能部件附加給結構的有效阻尼比，從而得到的附加阻尼比，經計算X和Y方向附加阻尼比分別為16.2%和17.6%，在反應譜設計中取15%的附加阻尼比。

5 大震彈塑性時程分析

SAUSAGE軟件做大震彈性進程分析，分析步驟：第一步，施工模擬加載；第二步，地震加載。

主要實現結構總體變形控制和構件性能目標。《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱：高規）第3.11節——結構抗震性能設計，將結構抗震性能目標分為四個等級，抗震性能分為五個水準。五個水準分別對應的宏觀損壞程度為“完好（無損壞）、基本完好（輕微損壞）、輕度損壞、中度損壞、比較嚴重損壞”。SAUSAGE分析構件的損壞以混凝土的受壓、受拉損及鋼材（鋼筋）的塑性應變程度作為評定標準，與《高規》中宏觀的損壞程度存在對應關系，如圖5所示。

圖5 性能評價標準

分析結果：大震彈塑性時程分析的層間位移角，減震結構X方向最大位移角為1/290，Y方向最大位移角為1/312。規范規定框架核心筒結構在罕遇地震作用下層間位移角限值為1/100。故能滿足規范要求。

大震時程分析附加阻尼比計算可知，X和Y方向附加阻尼比分別為3.8%和4.2%，如表4所示。

附加阻尼比匯總 表4

結構構件損傷情況：大震下，大部分框架梁、框架柱等關鍵構件出現輕度損壞普通豎向構件部分構件出現中度損壞，耗能構件出現中度損壞、部分比較嚴重損壞，結構宏觀損壞未出現嚴重破壞，經過修復或加固后可繼續使用。

子結構驗算：為確保消能器充分發揮作用，與消能器直接連接的主體結構單元（框架梁、框架柱）應進行加強設計，本次設計時對消能子結構的配筋率進行加強，主要節點位置采用外包鋼板處理。一二層梁配筋率為1.8%，三四層為1.6%，以上各層為1.3%，一二層柱配筋率為3.5%，三四層為3.0%，以上各層為2.5%；經計算分析可知在大震作用下消能子結構（與消能器直接相連接的框架梁、柱）大部分均處于中等損傷，消能器子結構的性能可以滿足大震作用下極限承載力和極限變形的要求。

6 結論

經過上述計算分析得到以下結論。

①小震下，設置消能減震裝置的結構X向和Y向最大位移角分別為1/2770、1/2415，滿足規范最大位移角1/800的要求；而大震下，減震結構X向最大位移角為1/290和Y方向為1/312，滿足規范1/100的要求。

②減震結構的樓層剪力比非減震結構減少50%以上，地震剪力與地震影響系數為線性關系，故主體結構的抗震構造要求可按相應規范規定降低一度進行設計；經計算，本工程粘滯阻尼器在X向附加阻尼比分別為16.2%和Y向附加阻尼比為17.6%。故粘滯阻尼器小震下為結構附加15%的阻尼比，減小結構地震響應；大震下仍處于耗能狀態，滯回曲線飽滿，耗散了大量地震作用，可以保護主體結構安全。

③大震下與粘滯阻尼器相連接的框架梁、框架柱受力及變形均小于構件極限承載力及極限變形，滿足消能子結構設計的性能目標。

經過計算結果對比分析：采用框架-粘滯阻尼器（VFD）消能減震措施能提供較大的阻尼力以減少結構振動，滿足抗震設防要求，從而達到改建加固的目的。

既有工程采用消能減震技術也存在一定難度，原有結構的梁柱配筋需要加固的較多，特別是消能子結構設計時，規范要求提高一度計算地震作用，并且滿足罕遇地震下極限承載力和極限變形的要求，加固量較大，安全性應引起足夠重視。