某高装配率高层建筑消能减震分析与设计

来源：广东土木与建筑

0 引言

前大陆地区对高预制率装配式混凝土高层建筑的发展一直保持谨慎态度，特别是对竖向承受构件的预制及连接问题还在进行多方位的研究。而对于竖向承重构件为预制的装配式结构性能研究较少，有必要采用创新可靠的抗震技术提高其抗震性能，以进一步推广高预制率的装配式建筑，从而满足国家大力发展装配式建筑的政策要求。

消能减震技术是通过采用消能器加设于结构中，消耗地震输入结构的能量，从而减小结构的响应，减轻建筑的震害的一项新技术[1]。速度型阻尼器[2-5]与位移型阻尼器是在工程中被广泛采用的两种阻尼器。其中黏滞阻尼器作为使用最广范的速度型阻尼器，以其具有仅提供阻尼而不附加刚度的优点，在减小地震或风荷载对结构作用时被广泛采用。

本文通过使用黏滞阻尼器对广州市恒盛大厦进行消能减震设计，比较了多遇与罕遇地震下采用减震措施前后结构的地震响应，为今后装配式混凝土结构提高结构抗震性能提供参考。

1 工程概况

恒盛大厦的预制率达50%以上，装配率达70%以上，是广州市第一幢采用高预制率的装配式结构。除了核心筒部分现浇外，其余结构构件均预制，预制构件部分包括：叠合梁、叠合板、阳台、楼梯板、框架柱。其结构形式为框架剪力墙结构，总建筑面积约为44 000 m2，地上19层（不包括出屋面层），地下3层，总高度为82.5 m。框架柱的混凝土强度为 C55，钢筋采用HRB400钢筋；框架梁混凝土强度为C30～C40，钢筋采用HRB400钢筋。结构所在场地为Ⅱ类场地土，设计地震分组第二组，设防烈度为7度，地震设计基本加速度 0.1g。

图1为该结构在取5%阻尼比进行抗震设计时的层剪力和层间位移角大小。从图1b中可以明显看出，X、Y向地震下结构的最大层间位移角均小于1/800，满足规范要求。采用黏滞阻尼器，对该项目进行消能减震设计与分析，检验能否进一步减小结构的层剪力与层间位移角，提高结构的安全储备与抗震性能。

图1 结构阻尼比5%时层剪力与层间位移角
Fig.1 Shear Force and Story Drift of Structure under 5%Damping Ratio

本结构采用的黏滞阻尼器为同一种型号，其设计参数见表1。结构中8～14层每层X、Y方向各布置4个，共56个阻尼器。如图2为黏滞阻尼器布置位置，图中红框表示黏滞阻尼器。黏滞阻尼器采用墙墩布置形式，布置形式构造示意如图3所示。

表1 黏滞阻尼器设计参数
Tab.1 Viscous Damper Design Parameters

图2 阻尼器布置图
Fig.2 Layout of Dampers

图3 阻尼器布置形式构造示意
Fig.3 Structure Indication of Damper Arrangement

2 结构分析模型与地震波

2.1 结构分析模型

通过使用ETABS软件分析了结构在多遇地震下采用减震措施前后的抗震性能，由于基础嵌固于一层底板，同时地下各结构层的层间位移角非常小，因此在建立分析模型时只对地上20层进行分析研究。各楼层均设置为刚性隔板，框架梁柱、支墩剪力墙和楼板分别采用线单元，采壳单元和膜单元进行模拟。通过设置非线性连接属性模拟黏滞阻尼器的作用。表2为建立的原结构（未设置阻尼器结构）ETABS模型与PKPM模型质量与周期的对比。从表2中易知两个模型的结构质量与前3阶阵型对应的周期误差在5%以内，数值较为吻合，表明了ETABS计算模型具有合理性和可行性。

表2 原结构质量、周期对比
Tab.2 Comparison of Original Structure Quality and Period

2.2 地震波

根据《建筑抗震设计规范：GB 50011-2010》[6]第5.1.2条规定，选取了7条波进行时程工况分析。其中两条为人工波（AW1和AW2）、5条为天然波（Chi1、Ch2、Nor、Th1 和 Th4）。从表 3 中可以明显看出，各时程工况下计算得到的结构基地剪力与振型分解反应谱法计算得到的基底剪力比值介于65%～135%之间；各时程工况下计算得到的基底剪力的平均值与通过振型分解反应谱法求得的比值介于80%～120%之间，满足规范要求。

表3 结构时程与反应谱下基底剪力对比
Tab.3 Comparison of Base Shear in Structural Time-history and Response Spectrum

7条地震波归一化后的反应谱与规范反应谱对比如图4所示。从图4中可以看出，地震波归一化后反应谱平均值同规范反应谱相比，与原结构基本周期的比较接近。所选7条波的有效持续时间和基本周期的比值介于23～33之间，满足规范对地震波频谱特性以及有效持时的要求。

图4 地震波频谱曲线
Fig.4 Seismic Wave Spectrum Curve

3 消能减震效果分析

通过将原结构和加设黏滞阻尼器后的减震结构在多遇地震下的层间剪力与层间位移角作对比，考察消能减震结构的抗震性能。

3.1 层间剪力对比

由图5可知，加设黏滞阻尼器前结构X、Y两方向7条地震波底部剪力的平均值分别为8 710 kN和7 136 kN，加设黏滞阻尼器后的减震结构X、Y两方向7条地震波底部剪力的平均值分别为6 035 kN和5 188 kN，与原结构相比分别减小了 30.71%和27.30%，说明加设黏滞阻尼器，可以明显提高结构的安全性，对于减少多遇地震下结构的层间剪力也有显著效果。

图5 层剪力对比
Fig.5 Comparison of Shear Force

3.2 层间位移角对比

由图6可知，原结构在7条地震波作用下X、Y方向层间位移角的最大值分别为1/1790、1/1485。加设黏滞阻尼器后的消能减震结构，其X、Y向层间位移角分别降低到1/2255、1/1945。

通过对比结构加设黏滞阻尼器后层间剪力和层间位移角的对比可以看出，当采用黏滞阻尼器对结构进行消能减震设计时，能够有效地降低结构对地震作用的响应，加设黏滞阻尼器后的消能减震结构比原结构具有更好的抗震性能。

3.3 阻尼器出力与耗能

由图7可知，多遇地震下，结构中的黏滞阻尼器滞回曲线饱满，具有良好的耗能能力。

根据《建筑消能减震技术规程：JGJ 297-2013》[7]式 6.3.2-1～6.3.2-4，计算黏滞阻尼器为结构提供的附加阻尼比，结果如表4所示。由表4可知，综合7条时程波计算结果的等效附加阻尼比平均值为：X向3.91%和Y向3.51%，起到了为结构附加一定阻尼比以提高其抗震性能的目标。

图6 层间位移角对比
Fig.6 Comparison of Story Drift

图7 多遇地震下黏滞阻尼器滞回曲线
Fig.7 Hysteretic Curves of Viscous Dampers under Frequent Earthquakes

表4 附加阻尼比
Tab.4 Additional Damping Ratio

4 罕遇地震下结构弹塑性分析

通过使用Perfrom-3D软件，对加设阻尼器前后的结构在罕遇地震作用下进行弹塑性分析，以研究消能减震结构在罕遇地震下层间位移角、阻尼器的滞回性能和耗能能力以及结构的屈服机制。在建立Perform-3D模型时，选取两端基于纤维截面的塑性铰单元作为梁柱构件，楼板仍然符合刚性楼板假定。对于材料的本构，采用双折线模型模拟钢筋，四折线模型模拟混凝土，其中材料强度值选取标准值。罕遇地震下选取的地震波为多遇地震分析使用过的AW1波、Nor波和TH1波。所建立的Perform-3D模型质量为56 126 t，前三阶周期分别为 2.53 s、2.22 s和 2.08 s，与表 2、表 3比较后可知，所建立的弹塑性模型与原模型吻合良好。

表5、表6分别是罕遇地震下加设黏滞阻尼器前后结构的层间位移角，从中可知3条地震波作用下，原结构X、Y向的最大层间位移角分别为1/176、1/186，消能结构X、Y向的最大层间位移角分别为1/300、1/352，较原结构分别降低了41.33%、47.16%。可见通过采用消能减震技术，使结构在罕遇地震下的抗震性能显著提升，能够满足“大震不倒”的设计水准。

表5 罕遇地震原结构层间位移角
Tab.5 Interval Displacement Angle of the Original Structure of the Rare Earthquake

由图8可知，在罕遇地震作用下，黏滞阻尼器的滞回曲线饱满、耗能能力稳定，相对变形最大可达±10 mm以上，约为多遇地震下的5倍，说明黏滞阻尼器在罕遇地震作用下，消耗了大量地震输入结构中的能量，提高了建筑的安全性。

图9为X1、Y1轴对应的子框架屈服情况，图中构件显示红色表示已进入屈服状态。从图9中可明显看出，部分框架梁变成红色，而框架柱基本都未变红，说明框架梁部分已经屈服，而框架柱尚未屈服，可见加设阻尼器的消能结构，屈服机制符合“强柱弱梁”的设计理念，结构中的阻尼器能够充分发挥其耗能减震的作用。

表6 罕遇地震消能结构层间位移角
Tab.6 Inter-layer Displacement Angle of Rare Energy Seismic Dissipative Structure

图8 罕遇地震下黏滞阻尼器滞回曲线
Fig.8 Hysteresis Curve of Viscous Damper under Rare Earthquake

5 结论

本文采用黏滞阻尼器，对恒盛大厦进行消能减震分析，分析结果表明：

⑴ 多遇地震下，加设阻尼器后结构的层剪力比原结构降低27%以上；结构层间位移角满足规范要求，使原结构的抗震性能有所提高。等效附加阻尼比平均值为：X向3.91%和Y向3.51%。

图9 阻尼器子框架屈服情况
Fig.9 Damper Sub-frame Yielding

⑵ 罕遇地震作用下，原结构最大层间位移角为1/176，加设阻尼器后最大层间位移角为1/300，降幅可达40%多，说明加设黏滞阻尼器后结构的抗震性能得到了大幅提升。同时，消能减震结构满足“大震不倒”的设计要求。框架梁率先屈服，框架柱等竖向构件基本没有屈服，能够体现出“强柱弱梁”的屈服机制。

⑶ 黏滞阻尼器的滞回曲线无论在多遇或罕遇地震下都非常饱满，表明其消耗了大量地震输入结构的能量，对结构的抗震性能和安全储备具有有效的提升作用。

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