連梁金屬阻尼器在四川天府新區某超高層的應用

丁煥龍， 李治明， 王 武， 陶 兵， 程云昭， 李胤松

(成都市建筑設計研究院有限公司，四川成都 610015)

1 工程概況

本工程為四川天府新區總部商務區某超高層辦公綜合體項目，涵蓋酒店、辦公、餐飲、商業等多種業態，總建筑面積約13萬m2，其中地上建筑面積約9.6萬m2，地下建筑面積約3.4萬m2。

本工程地上40層，地下3層，結構總高度為189.6 m。建筑立面從下往上逐漸內收。

主樓平面(長×寬)投影尺寸：1F～4F為86.8 m×62.5 m，標準層(5F～39F)底部為49.5 m×49.5 m(最大)、頂部為39.2 m×39.2 m(最小)，框架柱與筒體外墻的軸線尺寸約為8.5～11.8 m，筒體外墻邊到邊尺寸為22.2 m×23.2 m，框架柱柱距為9 m，塔樓高寬比4.27，筒體高寬比8.6。標準層層高為4.5 m。

地下室3層，平面尺寸約106 m×112 m，地下-1～-3F層高分別為6.5 m、4.2 m、4.0 m。本工程-3F為人防地下室。

結構標準層平面圖如圖1所示。

圖1 主樓標準層結構平面布置

2 結構設計參數

本工程結構安全等級為一級，結構重要性系數1.1。主體結構設計使用年限、耐久設計年限均為50年。

工程所在地的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第3組，場地類別為II類，Tg=0.45 s。水平地震影響系數最大值為0.08(多遇地震)。

本項目主要設計荷載取值：辦公室區域樓面恒載(不含樓板自重)2.0 kN/m2；活載考慮靈活隔斷3.5 kN/m2；屋面層樓面恒載(不含樓板自重)5.5 kN/m2，活載3.0 kN/m2。

根據建筑物高度、平面形狀、立面造型、裝配率要求、設防烈度等因素綜合考慮，采用混合結構體系：框架核心筒結構(型鋼混凝土柱+鋼梁+鋼筋混凝土核心筒)。框架梁與鋼筋混凝土核心筒鉸接，與型鋼混凝土柱剛接。框架抗震等級為一級，核心筒抗震等級為特一級。

結構主要豎向構件尺寸見表1。

表1 豎向構件截面尺寸 單位：mm

3 消能減震方案介紹

因框架梁采用鋼梁，剛度偏弱，經計算分析，在多遇地震作用下，X向與Y向框架承擔的樓層剪力標準值最大值分別為樓層底部總剪力的9.45%、9.39%，均小于10%，混凝土核心筒承擔了大部分地震剪力，JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]第9.1.11條明確要求核心筒墻體需采用更嚴格的抗震措施。核心筒墻體作為抗震設防的第一道防線，尤為重要，為減少核心筒墻體在地震作用下的應力損傷，本工程采用消能減震技術。

目前工程中應用較多的消能減震技術有位移型阻尼器和速度型阻尼器，其中金屬阻尼器屬于位移型，其應用方式可以分為支撐式、墻式和連梁式[2]。本工程選用連梁式金屬阻尼器，主要鑒于幾點：

(1)剪力墻連梁工作中由于墻肢彎曲變形，引起連梁兩側產生相對豎向變形，承受較大的剪切力，因此可以設置在相對豎向變形下可屈服的剪切型消能器[3]。

(2)連梁本身就是結構中的耗能構件，連梁阻尼器作為抗震設計第一道防線，符合結構概念設計[4]。

(3)連梁阻尼器體積小，布置靈活，不影響建筑及設備功能。

(4)連梁阻尼器替代原有連梁，節點構造簡單，經濟性好。

(5)若在較大地震發生屈服破壞，易更換。

本工程中連梁式金屬阻尼器(圖2)布置在剪力墻筒體中的連梁位置，在地震中利用連梁的變形進行耗能。

圖2 連梁阻尼器安裝示意

本工程連梁阻尼器布置如圖3所示。圖中CBDX表示X方向的阻尼器，CBDY表示Y向布置的阻尼器。布置樓層范圍為1～39層。阻尼器參數詳見表2。

圖3 阻尼器平面布置

表2 阻尼器參數

4 結構分析

4.1 計算軟件及模型

多遇地震彈性反應譜采用YJK和Midas Building分別計算；多遇地震彈性時程分析采用YJK。

設防地震等效彈性采用YJK計算；設防地震動力彈塑性時程分析采用Strat計算。

罕遇地震動力彈塑性時程分析采用Strat計算。

結構計算模型如圖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應譜分析采用YJK及MIDAS Building計算。2個模型輸出的周期、剛度、層間位移和基底剪力等主要指標差值均在誤差允許范圍內，從而保證了分析結果的準確性。

本工程采用時程分析法時，選用了7條時程波，其中5組天然波，2組人工波，計算結果取平均值。進行多遇地震、設防地震、罕遇地震計算時，所用地震加速度時程最大值采用現行GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》中規定的相應值。7組時程波編號見表3，7組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線在統計意義上相符[5]。

表3 地震波編號

多遇地震彈性反應譜分析結果與彈性時程分析結果見表4，以彈性時程分析所得的結構主方向基底剪力與同方向振型分解反應譜法的計算結果進行比較，單條(單向或兩向水平)地震波時程分析得到的結構主方向基底總剪力為同方向反應譜計算結果的65%～135%，7條地震波時程分析的結構主方向基底總剪力平均值為反應譜計算結果的80%～120%，滿足規范要求。

經計算分析，在多遇地震下，阻尼器基本保持彈性，故不考慮附加阻尼作用。

表4 多遇地震底部剪力

4.3 設防地震作用下的分析

本工程選用上海佳構軟件科技有限公司開發的Strat軟件(V2017.2版本)進行結構動力彈塑性分析。梁、柱和支撐等構件采用纖維束模型模擬其彈塑性性質，剪力墻則采用非線性殼單元模擬。設防地震下的結構非線性時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 設防地震作用下層間位移角

設防地震作用下，X主向和Y主向最大層間位移角平均值分別為1/401和1/415，均小于設防地震水準下結構性能目標所定位移角限值1/216。

4.3.2 設防地震作用下附加阻尼比及底部剪力

設防地震作用下能量曲線見圖5、圖6，根據能量比法[5]計算得到的設防地震下附加阻尼比詳見表5。

圖5 X向-T1波能量曲線

圖6 Y向-T1波能量曲線

表5 設防地震下附加阻尼比

根據設防地震非線性時程分析能量比法結果，附加阻尼比近似取1%，故總阻尼比取5%進行等效彈性反應譜分析，與非線性時程分析結果對比，對比結果詳見表6。

表6 反應譜與時程分析結果對比

根據反應譜與時程分析層間位移角及底部剪力對比，可看出考慮附加阻尼比后的等效反應譜的結果略大于時程分析結果，等效反應譜計算結果較為可靠。構件設計時采用等效反應譜法計算。

4.3.3 設防地震作用下底部墻肢拉應力

設防地震作用下底部剪力墻受拉情況詳見表7，表格中數值為墻肢平均拉應力與混凝土抗拉強度標準值ftk的比值。其中ftk=2.85 MPa。

圖7 墻肢編號示意

4.3.4 設防地震作用分析結論

根據設置阻尼器的等效反應譜與不設置阻尼器的反應譜結果對比，可看出在設防地震作用下阻尼器普遍處于屈服階段，耗能作用明顯，明顯降低了地震作用下墻肢拉應力，對結構的樓層剪力有明顯改善作用。

4.4 罕遇地震作用下的分析

罕遇地震非線性時程分析分別輸入了7組水平地震波(同多遇地震時程分析選波)，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 設防地震作用下底部剪力墻受拉情況

4.4.1 罕遇地震作用下層間位移角

罕遇地震作用下，X主向和Y主向最大層間位移角平均值分別為1/239和1/305，均小于罕遇地震水準下結構性能目標所定位移角限值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線見圖8、圖9，根據能量比法計算得到的設防地震下附加阻尼比詳見表8。

在罕遇地震作用下，非線性時程分析底部剪力值如表9所示。

4.4.3 罕遇地震作用下應力圖及滯回曲線

根據層剪力情況可知T3波作用接近平均值，因此以下展示T3波作用下的計算結果。圖10～圖13為罕遇地震作用下應力圖及滯回曲線圖。

4.4.4 罕遇地震作用分析結論

罕遇地震作用非線性時程分析表明：

圖8 X向-T3波能量曲線

圖9 Y向-T3波能量曲線

表8 罕遇地震下附加阻尼比

表9 罕遇地震作用下樓層底部剪力 單位：kN

圖10 T3波作用下外框架梁最大應力

圖11 T3波作用下核心筒拉應力(X向與Y向)

圖12 X向典型連梁阻尼器滯回曲線

層間位移角遠小于規范限值1/111，連梁阻尼器耗能較多，所消耗能量約占系統阻尼耗能的30%，較好的保護了主體結構。

鋼筋混凝土核心筒的連梁多數均產生了塑性鉸，耗散了相當一部分地震輸入能量，核心筒墻體的屈服集中發生在底部若干層，形成較強的耗能能力，核心筒較好地發揮了第一道抗震防線的效能；作為第二道防線的外圍型鋼混凝土框架始終保持在彈性受力階段，較好地發揮了二道防線的作用。

總之，整體結構抗震設計中有意識地設置了一系列耗能構件，形成了多道抗震防線，結構破壞模式和屈服機制合理，達到了預期的結構抗震性能目標。

圖13 Y向典型連梁阻尼器滯回曲線

5 結論

在本工程中，為了提高結構抗震性能，在核心筒外墻部分連梁上布置了連梁式金屬阻尼器。本文計算了多遇地震、設防地震、罕遇地震下連梁阻尼器的附加阻尼比。結果表明：

(1)多遇地震作用下，因阻尼器基本保持彈性，不考慮附加阻尼作用。

(2)設防地震作用下，阻尼器可提供附加阻尼比約1%，對結構的樓層剪力及底部墻肢拉應力有明顯改善作用。

(3)罕遇地震作用下，連梁阻尼器進一步耗能，其總耗能約占塑性耗能的30%，剪力墻的損傷得到有效控制。

綜上所述：連梁阻尼器在設防地震和罕遇地震作用下能起到很好的效果，充分發揮耗能作用，整體結構具有良好的抗震性能，滿足建筑功能需求的同時提高了結構的抗震性能。