[分享]乌鲁木齐绿地中心黏滞阻尼器悬臂减震结构设计

发表于2018-04-21    1085人浏览    1人跟帖    总热度:144  

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最近业内朋友针对超高层结构在伸臂中采用减震装置讨论得的比较热,有些人把伸臂减震和悬臂式减震没有区分的很清楚,也有些人担心采用之后的刚度问题、剪重比的控制等。乌鲁木齐绿地中心是华东院在2014年做的一个减震项目,在三个避难层上,采用悬挑桁架方式,布置了48个黏滞阻尼器。小、中、大震附加阻尼比分别为0.045、0.03和0.02,显著降低了小震地震力和位移,并满足中、大震性能要求。经全国超限委员会专家审查,剪重比不作为控制指标。针对该项目,设计团队专门撰写了论文,汪大绥大师也曾在国内学术交流会上做过交流分享,今天再次将发表在《建筑结构》2017年4月下期的这篇文章分享给大家,供讨论和类似项目做参考。


乌鲁木齐绿地中心黏滞阻尼器结构设计

作者:陈建兴,包联进,汪大绥

0   引言

乌鲁木齐绿地中心(图1)位于乌鲁木齐市水磨沟区国际会展片区,包含超高层双子塔和3栋百米左右的办公楼[1]。塔楼平面为带圆角的正方形(图2),平面尺寸44.5m×44.5m,地上57层,结构大屋面高度为245m,建筑总高度为258m,单塔地上建筑面积约为11.35万m2,地下3层,基础埋深为20.5m。

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图1建筑效果图(塔楼)

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图2塔楼典型平面布置图

塔楼结构设计基准期及设计使用年限为50年,结构安全等级为二级。抗震设防烈度为8度(0.20g),安评报告表明项目所处位置附近存在断层及大震潜源区,设计基本加速度比规范值提高15%,即0.23g。场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.4s,抗震设防类别为丙类。建筑所处地区决定了其所受地震力较大,采用传统的设计方法,需增加结构的抗侧刚度来确保结构变形符合相应规范要求。但是增大抗侧刚度意味着结构所受地震力进一步增加,为此结构设计中创新性地采用了消能减震技术,设置黏滞阻尼器来耗散输入结构的地震能量,为结构提供附加阻尼,有效减小结构的地震响应,提高其抗震性能。

1   结构体系和消能减震技术

1.1 结构体系

结构采用型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒+黏滞阻尼器结构体系,结构体系构成如图3所示。型钢混凝土框架和钢筋混凝土核心筒组成主体结构的双重抗侧力体系,为结构提供抗侧刚度,抵抗水平力。黏滞阻尼器为结构提供附加阻尼,在地震和风荷载作用下率先耗能,减小主体结构承担的水平力。型钢混凝土柱和核心筒墙肢为竖向承重构件,将楼面结构传来的竖向荷载传递至基础。

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图3 结构体系构成图

型钢混凝土框架由均匀布置在塔楼周边16个型钢混凝土柱和钢框架梁组成。型钢混凝土柱截面的正方形,含钢率约4%~5%,柱截面底部为1.8m×1.8m,沿高度向上逐渐缩小为1.0m×1.0m。钢框架梁截面主要为H900×400×20×35。核心筒平面呈正方形,平面位置居中,底部尺寸为21m×21m,核心筒外部尺寸沿结构高度保持不变。核心筒外围墙肢底部厚度为1.2m,向上逐渐减小为0.6m,核心筒内部墙肢底部厚度为0.7m,向上逐渐减小为0.4m。结合建筑门洞和机电设备管道进出,核心筒剪力墙上布置洞口,合理控制墙肢长度,形成延性较好的墙肢,墙肢间连梁高度为800mm或1000mm。混凝土强度底部为C60,沿高度逐渐降低为C40,钢筋等级为HRB400,钢材采用Q345。

核心筒外楼盖为钢梁+压型钢板组合楼板,核心筒内楼面采用现浇混凝土梁板体系。典型楼层楼板厚度为120mm,设备层楼板厚度为150mm。

1.2 消能减震技术

1.2.1 消能减震技术选择

消能减震技术是在结构中设置非结构构件的耗能元件(阻尼器),结构振动使阻尼器被动地往复相对变形或者产生往复运动的相对速度,从而耗散结构的振动能量,减轻结构的动力反应,以保护主体结构的安全。在超高层建筑中,结构的固有阻尼比相对较小且不确定,由建筑本身消耗的能量比较有限,因此采用消能减震技术可为结构提供有效和较大的附加阻尼比。常用消能减震技术包括金属阻尼器、黏滞阻尼器和质量阻尼系统如TMD和TLD。黏滞阻尼器可在小变形下开始耗能,具有较强的耗能能力,同时仅为结构提供附加阻尼,不提供附加刚度,因此在超高层建筑中具有良好的适用性。

黏滞阻尼器的阻尼力F与活塞运动速度V之间具有下列关系:

F=CVα

式中:C为阻尼系数,与油缸直径、活塞直径、导杆直径和流体黏度等因素有关;α为速度指数,它与阻尼器内部的构造有关,不同的产品具有不同的取值。

依据速度指数α的取值,可将黏滞阻尼器分为三类:线性黏滞阻尼器(α=1)、非线性黏滞阻尼器(0<α<1)和超线性黏滞阻尼器(α>1)。

1.2.2 黏滞阻尼器布置

黏滞阻尼器布置于3个设备层(28,37,48层)上,减小对建筑使用功能的影响。阻尼器采用悬臂式布置,即在核心筒上设置悬挑桁架,在巨型柱与桁架端部之间设置竖向放置的黏滞阻尼器(图4)。在地震(风)作用下,悬挑桁架端部的竖向变形(即阻尼器两端相对变形uD)为层间位移(Δ)的2.3倍(图4(b)),说明悬臂式布置可放大阻尼器两端的变形,提高耗能效率。

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图4 黏滞阻尼器平面布置和立面布置

每个悬挑桁架处设置2个阻尼器,单个塔楼共48个阻尼器。设计中将悬挑桁架与楼板脱开,相当于楼板在悬挑桁架处设缝(图5),防止悬挑桁架处的楼板局部变形过大而开裂或破坏。悬挑桁架端部设置限位装置,为悬挑桁架提供平面外约束,提高悬挑桁架的整体稳定性。

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图5 悬挑桁架与楼板脱开构造

1.2.3 黏滞阻尼器参数

黏滞阻尼器的阻尼力与阻尼系数呈线性变化,阻尼系数越高,耗能越多,但造价也越高。速度指数越小,地震响应减小越多,耗能越显著,但过小的速度指数,产品的性能不够稳定[3]。综合阻尼器的参数与耗能关系、产品特点以及经济性,本项目黏滞阻尼器的产品参数详见表1。

阻尼器参数               表1

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1.3 主体结构抗震性能目标

结合抗震概念设计中的“强柱弱梁”、“强剪弱弯”和框架柱“二道防线”的基本理念,对不同的构件采取不同的抗震性能目标,提高重要部位和关键构件的抗震等级[4]:与阻尼器相连的悬挑桁架、核心筒、框架柱为大震不屈服;核心筒墙肢满足正截面中震不屈服,大震抗剪截面条件,底部加强区抗剪弹性,其他部位抗剪不屈服;框架柱为中震不屈服;核心筒连梁和框架梁为小震弹性,中震允许进入屈服。

1.4 黏滞阻尼器耗能目标

项目设置黏滞阻尼器的目的是有效减小结构承担的地震作用,对结构刚度的要求降低,结构可以设计的更柔一些,同时提高中、大震下主体结构的抗震性能。为此,在结构设计中,小震下结构的变形验算和中、大震下结构抗震性能验算考虑黏滞阻尼器的作用,而小震下构件承载力校核不考虑黏滞阻尼器的减震作用,从而提高主体结构的安全度[3]。

2   整体结构分析

2.1 计算模型

塔楼弹性分析使用ETABS进行,同时使用MIDAS建立模型来检验分析结果。黏滞阻尼器采用MAXWELL单元模拟。由于黏滞阻尼器的速度相关性,计算中对地震作用除了采用弹性反应谱和线型时程分析方法外,主要采用非线性时程分析方法。选取符合规范[5]要求的时程波进行计算,时程波小震为7组,含5组天然波和2组人工波,大震从7组地震波中选择采用3组响应较大的时程波(2组天然波和1组人工波)。

2.2 整体结构指标

模型经ETABS计算分析后得到整体结构指标,同时将MIDAS分析的结果列出进行对比,主要结果见表2。由计算结果可见,扭转周期比小于0.85,层间位移角小于1/510,均满足规范[5]限值要求。ETABS和MIDAS两种软件计算结果也较为吻合。

整体结构指标             表2

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2.3 大震下结构性能

在大震作用下,采用LS-DYNA进行结构的弹塑性时程分析。结构X、Y两个主方向的最大剪重比分别为10.6%和10.4%,弹塑性基底剪力相比弹性结果有较明显的降低。塔楼在两个方向的平均层间位移角分别为1/121和1/122,最大层间位移角分别为1/107和1/106,基本满规范1/100的限值要求。

塔楼核心筒总体处于弹性状态,仅局部区域出现轻微的塑性变形,混凝土未出现明显不利的受压状态,核心筒连梁普遍出现明显的塑性铰,且塑性程度较高,基本满足“生命安全LS”的性能水平。外框柱总体处于弹性,个别角柱出现一定程度的塑性变形,外框梁总体处于弹性,仅与阻尼伸臂相邻的若干楼层处出现较轻的塑性铰。与阻尼器相连的悬挑桁架始终处于弹性范围。上述分析结果说明,大震下塔楼各主要构件的性能均满足预定抗震性能目标的要求。

3   耗能减震效果

3.1 地震下耗能减震效果

小震作用下,是否设置黏滞阻尼器,结构的楼层剪力和层间位移角对比如图6所示,设置阻尼器后结构响应减小约20%~30%。表3为不同地震水平作用下,是否设置阻尼器的结构基底剪力、基底倾覆力矩和层间位移角对比,可知设置阻尼器后,不同水准地震作用下楼层剪力,倾覆力矩和层间位移角均有明显减小。由于本工程黏滞阻尼器为非线性阻尼器,小变形下的耗能效果更为显著,因此小震作用下结构响应减少幅度较大,中震和大震作用下减小幅度依次降低。

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图6 小震下阻尼器的减震效果

地震下减震效果     表3 

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3.2 附加阻尼比

根据阻尼器耗能与模态阻尼(即固有阻尼,小震、中震、大震时,阻尼比分别取0.04,0.04,0.05)耗能的比值可估算阻尼器提供的附加阻尼比,该方法简称能量对比法。根据能量对比法得到小震、中震、大震相应的附加阻尼比分别为4.6%,2.8%,1.9%(表4)。在不同的地震作用下,阻尼器均能发挥作用,并为结构提供比较大的附加阻尼。由于采用的阻尼器为非线性阻尼器,在小变形下阻尼器耗能效率更高,附加阻尼比更大,随着地震作用加大,与外部输入能量相比,阻尼器耗散能量虽然也同步增加,但增加幅度更小,相对耗能效率逐渐降低。

附加阻尼比计算                  表4

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4 抗震方案与减震方案对比

4.1 抗震结构方案

抗震方案采用型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒+伸臂桁架+环带桁架(12,28,37,48层)结构体系,结构体系构成见图7。与减震方案相比,抗震方案的抗侧力体系中增加了伸臂桁架,协调核心筒与外框的变形,提高整体结构刚度。考虑到结构尺寸对建筑使用空间和净高的影响,抗震方案的构件截面外形尺寸与减震方案相同,即核心筒墙肢厚度、框架柱截面尺寸、框架梁截面高度等与减震方案相同。

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图7 抗震方案结构体系构成

4.2 整体结构指标对比

整体结构指标对比见表5,可知两种方案均能满足规范[5]要求。减震方案周期明显大于抗震方案,为抗震方案的1.19倍。两个方案的质量基本相同,说明抗震方案的结构抗侧刚度约为减震方案的1.4倍。小震作用下抗震方案基底剪力约为减震方案的1.5倍。从层间位移角来看,虽然抗震方案设置多道悬挑桁架提高结构刚度,但同时也增加了其承担的地震剪力,层间位移角仍较大。由此可见,抗震方案对结构抗侧刚度的要求导致地震荷载的进一步增加。由于主要抗侧力构件截面尺寸基本一致,两种方案的总质量基本相同。

整体结构指标对比             表5

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4.3 结构抗震性能对比

由于结构自身周期较长、且存在黏滞阻尼器耗能,减震方案的主体结构承担的地震作用大大降低,结构变形减小,地震作用下主体结构内力明显减小。对减震方案,中震作用下剪力墙的墙肢拉应力为1.8ftk(ftk为混凝土抗拉强度标准值),明显小于抗震方案的2.7ftk,减震方案的框架柱不出现拉力,而抗震方案的框架柱均出现拉力,最大拉力达13111kN。因此减震方案中竖向构件抗震性能得到明显提高,进而大震作用之后结构修复范围和程度减小,建筑震后修复代价更低。

此外,抗震方案设置伸臂桁架,在伸臂桁架层形成加强层,存在刚度突变,伸臂桁架下部楼层形成薄弱层。而减震方案没有伸臂桁架,不存在刚度突变和薄弱层。总体上,减震结构抗震性能优于抗震方案。

4.4 结构经济性对比

减震方案主体结构构件的内力小于抗震方案,因此构件中的钢筋和型钢用量明显减少(表6),钢筋用量减少约500t,钢材用量减少约1500t。虽然多出48个黏滞阻尼器的费用,但综合比较,整体结构的经济性仍优于抗震方案。减震方案主要竖向构件钢骨含量及钢筋含量有所降低,方便施工,而且取消悬挑桁架还可以缩短施工周期,结构综合经济性更好。

不同方案材料用量对比/t             表6

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5   结论

(1)设置黏滞阻尼器后,结构各项指标均能满足规范要求,抗震性能满足预定性能目标。

(2)设置黏滞阻尼器后,在小震、中震、大震作用下,结构响应明显减小,可以为结构提供附加阻尼比分别为4.6%,2.8%和1.9%,减震效果明显。

(3)由于黏滞阻尼器为非线性阻尼器,随着地震作用加大,与外部输入能量相比,阻尼器耗散能量虽然也同步增加,但增加幅度更小,相对耗能效率逐渐降低。

(4)从整体结构指标,抗震性能目标及结构经济性三方面对比抗震方案与减震方案,减震方案结构刚度较小,由于存在阻尼器耗能作用,能有效减小地震作用,提高结构抗震性能,具有更好的经济性。

参考文献

[1] 乌鲁木齐绿地中心三期项目抗震超限设计专家审查报告[R]. 上海:华东建筑设计研究总院,2014.

[2] 周云. 金属耗能减震结构设计[M]. 武汉:武汉理工大学出版社,2006.

[3] 陈建兴. 超高层建筑耗能减震技术研究与应用[R].上海:华东建筑设计研究总院,2014.

[4] 建筑消能减震技术规程:JGJ 297—2013 [S]. 北京,中国建筑工业出版社,2013.

[5] 高层建筑混凝土结构设计技术规程:JGJ 3—2010 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.


补充两点资料


1、“伸臂”减震的几种形式

 

传统伸臂的主要作用是增加结构的刚度,但客观上给结构带来竖向刚度突变,而突变是对抗震极为不利的。通过在伸臂中(或伸臂与框架之间)布置减震装置,适当降低伸臂带来的刚度突变,增加耗能,在刚度和耗能之间找到新的平衡,实现最终提高整体抗震性能的目的。而不同的减震形式,对于刚度的调节和提供的耗能效果也是不同的,常见的有以下几种形式:

 超高层结构中几种与伸臂相关的减震形式

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在以上几种减震形式中,金属减震器和粘滞阻尼器之间也存在博弈,前者可以在小震下提供比较好的刚度,但耗能较差,中大震下发挥较好的耗能效果;粘滞阻尼器则一般是小震小耗能效果较好,中、大震下较差,因此就有混合减震的模式,联合采用两种减震装置,小震下主要靠粘滞阻尼器耗能,中大震则主要依靠金属阻尼器。三种应用方式本身并不存在绝对的优劣,一个方面需要结合结构自身的刚度和耗能需求确定减震方案,另一方面在确定减震方案后,按照这种方式去设计整个结构才能实现最合适。

 2、“减震效果”和“减震方案”的两种对比论证标准模式

采用减震技术后,在设计阶段需要对“减震效果”和“减震方案”进行双重论证,二者不可或缺,一般通过对比分析进行,但这是两个不同的过程,需要有明确的区分。以下为笔者的理解: 

“减震效果”论证——

设置减震装置以后,通过对比分析,论证减震装置发挥作用的情况,包括实际刚度、耗能效果的发挥情况,通常分为小震下的对比、中大震下的对比和风荷载作用下的对比,对比的基础为去掉减震装置的模型在同等工况下的结果,主要对比参数一般分为:地震力、楼层位移、层间位移角、附加阻尼比、风荷载下的舒适度等。去掉减震装置的模型和原始模型可能有一定差别,主要为由于设置减震装置对局部构件的一些调整。

“减震方案”论证——

通过对比分析,论证拟采用的减震方案的优劣,对比的基准并非直接去掉减震装置的模型,而是经过设计满足相关要求的非减震方案或者其它减震方案,对比的工况也分为不同水准下地震与风,参数主要包括结构的整体指标、抗震性能和经济性等。

 前文的论证过程正是基于这两种标准模式。

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来源:小匠驿站,作者:陈建兴,包联进,汪大绥,如有侵权请联系删除。


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 发表于2018-04-21   |  只看该作者      

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