钱洪涛
广州大学建筑设计研究院
[摘要]某商业综合体采用框架-核心筒结构，该结构位于西昌，为抗震设防烈度8度区。若采用传统的结构设计会使结构梁柱过于臃肿，不利于商业空间布置，且经济性较差。本工程通过布置粘滞阻尼器来增加结构的附加阻尼比从而降低结构的地震响应。研究结果表明，增设粘滞阻尼器使结构的附加阻尼比达到了10%左右，且梁柱截面有效减小，其钢筋和混凝土的用量降低约25%，可以较为经济的控制结构地震响应，可为类似高烈度工程设计提供参考。
[关键词]：粘滞阻尼器；时程分析；框架-核心筒结构
Energy Dissipation and Seismic Mitigation Design of a Commercial Complex in High Intensity Area
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(1.)
Abstract: A commercial complex adopts a frame-core tube structure, which is located in Xichang and is a seismic fortification intensity zone of 8 degrees. If the traditional structural design is adopted, the structural beams and columns will be too bloated, which is not conducive to the layout of the commercial space, and the economy is poor. This project increases the additional damping ratio of the structure by arranging viscous dampers to reduce the seismic response of the structure. The research results show that the addition of viscous dampers makes the additional damping ratio of the structure reach about 10%, and the beam-column section is effectively reduced, and the amount of steel and concrete is reduced by about 25%, which can economically control the seismic response of the structure. Provide reference for similar high-intensity engineering design.
Keywords: Viscous damper; Time history analysis; Frame-core tube structure
0引言
由于框架-核心筒结构构件的高宽比较大，墙肢在地震作用下会产生较大的拉应力，采用增大截面尺寸和设置型钢等方式来硬抗地震，同时也会导致结构自重的增大，成本也随之增加，且减少了可利用的有效空间[1]。一种切实可行的方法是采用消能减震设计，消能减震设计是指在结构中布置相应的消能装置，通过装置的相对变形或相对速度提供附加阻尼，从而起到衰减输入结构的地震能量的作用[2-4]。本文采用在结构中布置粘滞阻尼器的方法代替传统的抗震设计方法，用提高结构的附加阻尼比代替通过增加截面提高结构的抗侧刚度，在不影响原结构使用功能的情况下显著减小地震响应，同时结合工程造价对消能减震技术进行了评价。
1 工程概况及模型建立与验证
1.1 工程概况
某商业综合体为三栋18层框架—核心筒结构，结构总平面图如图1所示，1#~3#楼主体结构高度分别为62.80m、69.95m，62.80m，层数最多为18层，总建筑面积约7.3万平方米，建筑外立面效果图如图2。结构设计使用年限50年，设计基准期50 年，建筑抗震设防类别丙类，建筑结构安全等级二级，建筑场地类别Ⅱ类，设计防烈度9度（0.4g），设计地震分组第二组。设计时为当地最高建筑。
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1.2 模型验证
依据PKPM计算模型，采用ETABS软件建立相同计算模型并进行对比验证，有限元模型如图3所示。PKPM与ETABS模型的模态分析结果相近，前10阶周期误差均在5%以内，满足工程精度，验证了ETABS模型的准确性，可以进行后续时程分析，周期对比如图4所示。
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2 阻尼器参数及位置
根据建筑功能及结构平面布置特点，确定三栋楼阻尼器布置位置及数量。1#楼使用了78个阻尼器，2#楼使用了132个阻尼器，3#楼使用了80个阻尼器。三栋楼阻尼器的平面布置如图5所示。建模时采用LINK单元中的damper属性模拟粘滞阻尼器，均采用人字形支撑方案，支撑采用统一箱形截面400X200X20X20的钢支撑，并在人字形支撑顶部安装直径为150mm~200mm的橡胶支座作为防面外失稳的限位装置，阻尼器参数见表1，总体布置见表2。
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3 减震结构多遇地震分析
3.1 地震波选取
结构在多遇地震作用下分析时，可采用线性结构/非线性消能器（LS/ND）方法进行分析，因此，在程序分析时只考虑阻尼单元局部非线性进行非线性分析。合理的选取适合结构分析的地震波是时程分析非常关键性的步骤，是取得合理可靠结果的必要条件。依据规范分析过程中地震波选取ELCENTRO波、TAFT波和人工波，图6为三条波反应谱与标准反应谱的对比，两者在主要振型周期点上相差不大于20%，满足规范要求，且时程分析计算所得的结构层间剪力平均值均大余振型分解法计算结果的80%，满足规范要求，以上均验证了地震波选取的合理性。
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图6 时程反应谱与规范谱对比
3.2 附加阻尼比计算
在ETABS等有限元分析软件中进行动力时程分析，借助软件可以分别提取出结构的模态阻尼耗能以及阻尼器耗能，利用如下公式(1)可以计算出结构的附加阻尼比：
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式中：Wa、W1、ξ1分别表示阻尼器耗能、模态阻尼耗能和结构固有阻尼比。
根据以上公式分别计算出1~3#号楼的附加阻尼比，如表3-5所示。由表可知，附加阻尼比最大出现在3#楼，最大达到了15.99%，最小的附加阻尼比出现在2#楼，最小值为9.4%。图7给出了阻尼器的滞回曲线，可以看出阻尼器滞回曲线饱满，以上均说明增设阻尼器发挥了优秀的耗能作用，可以有效减小地震的动力响应。
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图7 1#楼9层X9位置处阻尼器在三条地震波下的滞回曲线
4 经济性对比分析
在满足附加阻尼比的要求下，对钢筋混凝土框架-核心筒结构体系和带消能装置的钢筋混凝土框架-核心筒结构两种不同体系进行成本分析对比，得出带消能装置的钢筋混凝土框架-核心筒结构不仅能提高结构抗震能力，而且又有效地降低建造成本（节约投资约800万元），具体表现在以下方面：
1.有效减少钢筋及砼等材料用量，降低结构成本。设置消能装置后，结构的钢筋用量可由121.27kg/m2减至84.33kg/m2，减少幅度约30%，砼用量可由0.49立方/m2减至0.37立方/m2，见表6，减少幅度约25%。尽管本项目采用粘滞阻尼器256个，待竣工后通过成本核算，包含阻尼器造价在内本项目共节约投资约800万元。
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2.有效减小结构构件截面，增大建筑使用面积。设置消能装置后，地下室筒体墙体墙厚由原950mm减至600mm，Y向由1600mm厚减至750mm（具体各部分截面对比详表7与表8），可以增加建筑使用空间，尤其会增加地下室车库的停车数量和裙楼部分商场面积，进一步发挥良好的经济效益。
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3.有效减少基础成本。由于传统框架-核心筒结构的刚度和自重加大，地震反应也相应加大，构件钢筋和混凝土用量显著增加，上部结构传给基础的荷载也相应增加，致使基础的造价也明显增加。经比较，采用消能装置后，结构底层剪力墙、柱内力可以减少20%，基础造价可以减少15%。
5 结论
本项目为三栋高层框架-核心筒结构体系，处于地震高烈度地区，层间位移角超过我国建筑抗震设计规范要求。为降低结构的位移响应并保证结构在地震作用下的安全性，对此结构进行粘滞阻尼器减振设计与分析，通过对其进行优化设计和地震动力时程响应分析，得到如下结论：
(1) 由附加阻尼比的计算结果可知，本工程阻尼器布置方案合理，3栋结构附加阻尼比均能达到10%，能有效衰减结构在地震下的动力响应；
(2) 通过设置粘滞阻尼器，得出带消能装置的钢筋混凝土框架-核心筒结构不仅能提高结构抗震能力，而且又有效地降低建造成本，钢筋和混凝土用量减少量分别为30%与25%，具有较好的技术经济效益。
参考文献
[1]陆伟东, 刘伟庆, 陈瑜. 宿迁市建设大厦消能减震设计[J]. 地震工程与工程振动, 2004, 24(005):92-96.
[2]周福霖. 工程结构减震控制[M]. 地震出版社, 1997.
[3]聂竹林, 杨强, 陈培宇,等. 某超限多塔高层结构连廊大震弹塑性分析及其减震控制.
[4]周云, 徐彤, 俞公骅,等. 耗能减震技术研究及应用的新进展[J]. 地震工程与工程振动, 1999, 019(002):122-131.