減震技術丨設置黏滯消能器的天星科技大廈超限高層結構設計

1 工程概況

天星科技大廈位於蘭州市城關區鹽場堡黃河北岸，地下2層，地上46層，設置了2個避難層，房屋高度為179.30m，基礎埋深17.50m，地下2層為機械式車庫，層高8.7m，可停車3層，地下1層為設備用房，層高6.0m。地上1~6層為展銷大廳和辦公用房，層高4.5m，7~46層為辦公用房，層高3.8m，大廈另帶兩層商業裙樓，地下與主樓相連，地上設防震縫分開，主樓建築面積為64862m²，裙樓為7397m²。

主樓採用鋼筋混凝土框架-核心筒結構，其高度超過8度地震區B級高度高層建築的最大適用高度（140m），屬於高度超限的建築工程，天星科技大廈效果圖見圖1。工程抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.2g，設計地震分組為第三組。6層及6層以下抗震設防類別為乙類，地震作用計算按8度採用，抗震措施按9度採用；6層以上抗震設防類別為丙類，地震作用計算和抗震措施均按8度採用。建築剖面圖及標準層建築平面圖見圖2，3。

圖1 天星科技大廈效果圖 圖2 建築剖面圖

圖3 標準層建築平面圖

2 地基基礎

主、裙樓基礎均採用鋼筋混凝土平板式筏形基礎，基底高程1500.40m，以中風化砂岩層作為持力層。根據場地的鑽孔旁壓試驗，中風化砂岩地基承載力特徵值f_ak=1800kPa，變形模量E₀=65MPa。

筏板採用變厚度筏板，核心筒下厚度3000mm，其他部位2500mm，裙樓部分1000mm。主樓基礎平面布置圖見圖4。由於基底壓力較大，主樓底板在周邊外挑尺寸適當加大。為減小主樓與裙樓間的沉降差，在裙樓內與主樓相鄰第二跨處設置沉降後澆帶，待主樓、裙樓結構主體完工後再封閉後澆帶，計算分析中考慮後澆帶封閉時間對結構受力的影響。

圖4 主樓基礎平面布置圖

3 上部結構

3.1 上部結構體系

上部結構採用現澆鋼筋混凝土框架-核心筒結構。核心筒的剪力牆以周邊布置為主，筒內剪力牆沿較長的填充牆部位進行適度的設置。核心筒平面縱、橫向尺寸分別為25.0m和12.40m，高寬比分別為7.17，14.46，導致結構橫向較弱，故加大了橫向剪力牆厚度，同時適當加密橫向框架柱，通過這樣的加強，盡量使兩個方向結構的剛度接近。

設置黏滯消能器，將結構設計為消能減震結構。黏滯消能器為主樓結構附加阻尼，並在地震時消耗大量地震能量，與結構構件一道採用「抗消並用」的方法來抵抗地震作用，並可有效地減輕結構構件自身的地震災害，而且地震烈度越高、結構越高越柔，消能減震效果越好。

3.2 附加阻尼比的確定和消能器的布置

3.2.1消能器的布置原則

1）消能器在平面布置上宜分散均勻，使各消能器能均勻吸收地震作用產生的能量；2）樓層上選擇地震作用下變形較大的樓層，以充分發揮消能器的作用；3）層數分布上可連續布置，也可間隔布置，以保證結構整體上具有合理的消能減震性能為宜。本工程消能器的平面布置如圖2所示。

3.2.2根據需求確定附加阻尼比

根據對非減震結構的分析，當附加阻尼比達到0.03時，可滿足受力需求。據此，按照抗規式（12.3.4-2），計算消能減震結構在X，Y向水平地震作用下的總應變能，得到結構在預期位移下兩個方向的總應變能，W_sx，W_sy為1090.58，1453.08kN·m。

按照抗規式（12.3.4-1），反算所有消能器在水平地震作用下兩個方向往復循環一周所應消耗的總能量，ΣW_cjx=4πW_sxζ_a=410.9kN·m，ΣW_cjy=4πW_syζ_a=547.5kN·m。

初定黏滯消能器參數為：阻尼指數0.2，阻尼係數2000kN·m/s，最大行程±30mm，最大阻尼力1050kN，消能器擬布置在大部分樓層內，以中部樓層平均層間位移來計算，單個消能器在兩個方向往復循環一周所平均消耗的能量W_cjx，W_cjy約為4.1，6.8kN·m，然後計算所需的消能器的數量：n_x=ΣW_cjx/W_cjx≈101，n_y=ΣW_cjy/W_cjy≈81。

考慮對稱布置和受力均勻的需要，在布置消能器的樓層，每個方向布置4套，X向消能器在14~39層設置，Y向消能器在15~36層設置，兩個方向消能器數量分別為104套和88套。從以上計算可知，結構剛度的增加會影響消能器的耗能作用，剛度較大的方向需布置更多的消能器。

3.2.3附加阻尼比驗證

採用ETABS軟體，用兩種方法對消能減震結構進行小震作用下的動力時程分析，含有消能減震單元的非線性時程分析方法（5%阻尼比+黏滯阻尼單元）和設置附加阻尼比（8%總阻尼比）的彈性時程分析方法，兩種結果基本一致，證明附加阻尼比取3%是合理的。在驗證過程中對消能器參數進行適當的調整，最終確定的消能器參數如表1所示，消能器局部立面布置如圖5所示。

圖5 消能器局部立面布置

消能器性能參數表1

3.3 超限判定及主要抗震加強措施

主樓南北兩側門廳在1，2層通高設置，2層樓板在南北兩側各開1個大洞（圖6），有效樓板寬度與樓板總寬度之比在X向和Y向分別為43.72%，43.42%，均小於50%；樓板開洞率為32.21%，大於30%，可判定為樓板不連續，故主樓屬於高度超B級高度的超限高層建築工程，並具有樓板不連續超限項。

圖6 二層結構平面圖

採取的主要抗震加強措施如下：

（1）進行抗震性能設計。

（2）採用黏滯消能器進行消能減震設計，將結構抗震由「硬抗」改進為「抗消結合」。

（3）合理調整結構布置和構件尺寸，平面布置規整，質心和剛心基本重合，構件採用周邊加強、中間減弱的調整方式，兼顧抗側剛度和抗扭剛度的統一性，減小結構扭轉反應。

（4）確保多道抗震防線的實現。通過消能器的設置，主樓形成三道抗震防線，即消能器、核心筒和外框架。

（5）加強核心筒的強度和延性，適當降低剪力牆的軸壓比限值；約束邊緣構件在規範取值的基礎上再向上延伸一層，其上設4層過渡層，截面和配筋緩變，避免突變。

（6）底部加強部位（1~4層）框架柱設計為型鋼混凝土柱（含鋼率>4%），過渡層框架柱內設置構造型鋼（含鋼率>2%），以上框架柱內設置鋼筋混凝土芯柱（配筋率>0.5%）。

（7）開大洞的2層樓板加厚至150mm，並雙層雙向配筋；洞口周邊的邊梁加寬，並配置抗扭縱筋和箍筋；相鄰的3層板厚加厚至130，配筋適當加強。

（8）核心筒外牆連梁跨高比小、受力大，剪壓比不易控制，通過設置交叉暗撐以提高其受剪承載力，改善延性。

4 結構計算與分析

主樓為超限的消能減震結構，採用SATWE，ETABS軟體進行整體分析計算，整體計算模型如圖7，8所示。

對結構進行的消能減震計算分析表明，消能減震結構比常規結構在地震作用下的底層剪力減小了約25%，最大層間位移角減小了約13%。大震動力彈塑性分析表明，整體結構損傷較輕，具有充分的消能和抗震能力，有一定的安全富裕度。個別連梁塑性鉸發展較深，大多數框架柱未出現塑性鉸，剪力牆產生了受拉裂縫，但是鋼筋未屈服，與消能器相連的構件損傷輕微，可保證消能器正常工作。

5 與消能器相連的構件設計

消能器採用單斜桿支撐方式與主體結構連接，連接方式為鉸接。消能部件包括消能器和支撐，目前，消能器和支撐作為整體產品由廠家供貨，支撐與主體結構連接參見相關圖集。需要注意的是，等效線性化的計算方法無法計算出消能器附加給結構的內力，需自行驗算，也可採用動力時程分析方法提取，加入到相關構件的內力組合中。

6 結論

（1）在高烈度地震區，採用黏滯消能器對超高的混凝土結構進行減震設計是合理可行的，通過消能器的消能減震作用，結構的層間位移角可以達到規範要求，地震響應大大減小，抗震構件的損傷得到了很大的降低，結構在地震下的安全性得以提高。

（2）對設置黏滯消能器的結構，可採用設置阻尼單元的時程分析方法和附加阻尼比的等效線性計算方法進行計算比較，保證採用等效方法進行設計的可靠性，應使結構具有一定的安全富餘度。

（3）消能器應布置在結構受力較大的部位，其布置方式應能對整體結構起到控制作用，並保證結構受力均勻。

（4）與消能器相連的構件，在大震作用下應基本處於彈性狀態，或者雖有損傷但損傷程度輕微，能夠保證消能器正常工作。

更多內容詳見2016年第11期《建築結構》雜誌文章：題目《設置黏滯消能器的超限高層結構設計》，作者：張舉濤，鄭世鈞，張昊強（甘肅省建築設計研究院）。

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