第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 设置粘滞消能器的超限高层结构设计 张举涛，郑世钧，张吴强 （甘肃省建筑设计研究院，兰州730030） 提要：天星科技大厦位于8度地震区，主楼高179.3m，超过了B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度，采用 钢筋混凝土框架-核心简结构，设置了黏滞消能器.
对结构进行的消能减震计算分析表明，消能减震结构比常规结 构在地震作用下的底层剪力减小了约22%，最大层间位移角减小了的12%.
采用动力时程分析分析方法对附加阻尼 比进行了验证，证明附加阻尼比取用3%是合理而安全的.
对结构进行了抗震性能化设计，采取了针对性的加强措 施，大震动力弹塑性分析分析表明，整体结构损伤较轻，具有充分的消能和抗震能力，有一定的安全富裕度.
个别 连梁塑性较发展较深，大多数框架柱未出现塑性较，剪力墙产生了受拉裂缝，但是钢筋未屈服，与消能器相连的构 件损伤轻微，可保证消能器正常工作，最后对与消能器连接设计提出了建议.
关键词：黏滞消能器：超限高层：消能减震：附加阻尼比：抗震性能化设计 1工程概况 天星科技大厦位于兰州市城关区盐场堡黄河北岸，地下2层， 地上46层，设置了2个避难层，房屋高度为179.30m，基础埋深 17.50m，地下2层为机械式车库，层高8.7m，可停车3层，地下1 层为设备用房，层高6.0m，地上1-6层为展销大厅和办公用房，层 高4.5m，7~46层为办公用房，层高3.8m，大厦另带两层商业裙楼， 地下与主楼相连，地上设防震缝分开，主楼建筑面积为64862m²， 裙楼为7397m².主楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，其高度超 过8度地震区B级高度高层建筑的最大适用高度（140m），属于高 度超限的建筑工程，大厦效果图见图1.
主楼设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地基基础设 计等级为甲级，湿陷性黄土场地上的建筑物分类为甲类.
抗震设防 烈度为8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组为第三组.
六层及六层以下抗震设防类别为乙类，地震作用计算按8度采用， 抗震措施按9度采用：六层以上抗震设防类别为丙类（标准设防类）， 地震作用计算和抗震措施均按8度采用.
标准层建筑平面图及建筑剖面图见图2、3.
2地基基础 图1天星科技大厦效果图 作者简介：张举涛（1968.2-)，男，硬士，教授级高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 拟建场地地面高程1515.48-1516.26m之间，地貌单元 位属于兰州市黄河北岸Ⅱ级阶地，场地类别Ⅱ类.
地基土 4500_4500 8190 8460. 8100. 层分布及承载力特征值见表1.
主、裙楼基础均采用钢筋 混凝土平板式筏形基础，基底高程1500.40m，以中风化砂 F 岩层作为持力层.
根据场地的钻孔旁压试验，中风化砂岩 地基承载力特征值fak=1800kPa，变形模量E0=65MPa.
表1 地基土层分布 土层 承载力特征值 土层 承载力特征值 fak (kPa) fak (kPa) ①填土层 100 ③卵石层 600 ②黄土状粉土层 110 强风化砂岩层 1200 图2标准层建筑平面图 ③粉细砂层 120 6中风化砂岩层 1800 筏板采用变厚度筏板，核心筒下厚度3000mm，其它 部位2500mm，裙楼部分1000mm.
主楼基础平面布置图 见图4.
由于基底压力较大，主楼底板在周边外挑尺寸适 当加大.
主楼南、西、北三侧均带有一跨外伸地下室，如 果该部位设置后浇带，会对施工和防水带来较多问题，由 于仅带1跨，不再设置后浇带，该部位筏板厚度同主楼部 分，同时，对南北两侧底板悬挑较大的部位设置横向剪力 墙，形成牛腿悬挑作用，以减小底板受力，在东侧对应位 置将主楼筏板延伸相同尺寸，以保证主楼结构重心和以沉 降后浇带分开的主楼筏板形心基本重合.
0④ 3 图4主楼基础平面布置图 在荷载标准组合下，基底平均压力为531Kpa，如果仅 考虑核心筒下较厚筏板面积，则基底平均压力为828Kpa.
在荷载准永久组合下，采用分层总和法计算得到的地基平 图3建筑剖面图 均沉降值约为26.6mm，远小于规范限值200mm.地基变形后引起的建筑X向、Y向的整体倾斜分别为0.3%、 0.025%，均小于规范限值（2%）.
参照规范对框架结构相邻柱基沉降差限值（2%），核心筒与外框架柱间 最大差异沉降10.38mm，相当于局部沉降差1.1%.
为减小主楼与裙楼间的沉降差，在裙楼内与主楼相邻第二跨处设置沉降后浇带，待主楼、裙楼结构主 2
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 体完工后再封闭后浇带，计算分析中考虑后浇带封闭时间对结构受力的影响.
3上部结构 3.1上部结构体系 综合考虑建筑高度和功能、抗震设防烈度、抗侧刚度和经济性等因素，上部结构采用现浇钢筋混凝土 框架一核心筒结构.
核心筒的剪力墙以周边布置为主，筒内剪力墙沿较长的填充墙部位进行适度的设置， 以达到提高剪力墙效率、减轻自重的目的.
核心简平面纵、横向尺寸分别为25.0m、12.40m，高宽比分别 为7.17、14.46，导致结构横向较弱，故加大了横向剪力墙厚度，同时适当加密横向框架柱，通过这样的加 强，尽量使两个方向结构的刚度接近.
由于大厦位于高烈度地震区，初步分析表明，若采用传统的抗震设计方法，主楼结构的层间位移角较 大，构件截面大，配筋量多，若采用混合结构，含钢量较大、造价较高，因此，通过设置黏滞消能器的方 式将结构设计为消能减震结构，通过黏滞消能器为主楼结构附加阻尼，并在地震时消耗大量地震能量，与 结构构件一道采用“抗消并用”的方法来抵抗地震作用，并可有效地减轻结构构件自身的地震灾害，而且， 地震烈度越高，结构越高越柔，消能减震效果越好".
计算表明，布置了消能器后，结构在小震作用下底 层剪力减小了约22%，最大层间位移角减小了约12%.
3.2抗震等级 主楼高度超过B级钢筋混凝土框架一核心筒结构房屋最大适用高度，六层以下为重点抗震设防类建筑， 抗震等级超出规范取用范围，考虑到8度区B级高度框架一核心筒结构的框架、筒体的抗震等级分别为一 级、特一级，本楼框架、核心筒抗震等级均确定为特一级.
3.3附加阻尼比的确定和消能器的布置 根据对非减震结构的计算分析，需求的附加阻尼比暂定为0.03.
基于对称布置和受力均匀的需要，在 布置消能器的楼层，每个方向布置4套，X向消能器在14-39层设置，Y向消能器在15-36层设置，两个 方向消能器数量分别为104套和88套.
为验证附加阻尼比取值的合理性，采用ETABS软件，用两种方法对消能减震结构进行小震作用下的 动力时程分析：含有消能减震单元的非线性时程分析方法（5%阻尼比黏滞阻尼单元）和设置附加阻尼比 （8%总阻尼比）的弹性时程分析方法，两种结果基本一致，证明附加阻尼比取3%是合理的.
将时程分析 结果与振型分解反应谱法（8%总阻尼比）分析结果进行了对比，振型分解反应谱法结果能包住时程分析法， 因此消能减震结构取3%附加阻尼比采用等效线性化的方法进行设计是合适且安全的.
3.4超限判定及主要抗震加强措施 主楼南北两侧门厅在1、2层通高设置，2层楼板在南北两侧各开1个大洞，有效楼板宽度与楼板总宽度 之比在X向和Y向分别为43.72%、43.42%，均小于50%，楼板开洞率为32.21%，大于30%，可判定为楼板不 连续，故主楼属于高度超B级高度的超限高层建筑工程，并具有楼板不连续超限项.
主要抗震加强措施如 下： （1）进行抗震性能设计.
经过超限审查后确定的抗震性能目标为：关键构件（结构底部加强部位及上 一层框架柱、核心简剪力墙）按中震下抗剪弹性、抗弯不屈服设计，同时满足大震下受剪截面控制条件： 粘滞消能器在小震、中震、大震作用下处于正常工作状态，且在大震下不丧失功能.
体性能.
（3）合理调整结构布置和构件尺寸，平面布置规整，质心和刚心基本重合，构件采用周边加强、中间 减弱的调整方式，兼顾抗侧刚度和抗扭刚度的统一性，减小结构扭转反应.
（4）确保多道抗震防线的实现.
通过消能器的设置，主楼形成三道抗震防线，即消能器、核心筒和外
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 框架.
控制外围框架部分按刚度分配的楼层地震剪 力标准值不小于结构底部总地震剪力的10%，实际 X向比值为24.65%，Y向比值为19.79%.
（5）加强核心筒的强度和延性，适当降低剪力 墙的轴压比限值，由于规范未给出特一级剪力墙轴 压比限值，故设计时特一级剪力墙轴压比按比一级 降低0.05控制，即不大于0.45：约束边缘构件在规 范取值的基础上再向上延伸一层，其上设4层过渡 层，截面和配筋缓变，避免突变.
（6）底部加强部位（1层~4层）框架柱设计 为型钢混凝土柱（含钢率>4%），过渡层框架柱内设 置构造型钢（含钢率>2%），以上框架柱内设置钢筋 砼芯柱（配筋率>0.5%）.
加强框架柱的延性，特一 级型钢混凝土柱和钢筋混凝土框架柱的轴压比限值， 比规范一级限值降低0.05，即取0.65和0.70.
（7）开大洞的第2层楼板加厚至150mm，并 双层双向配筋：洞口周边的边梁加宽，并配置抗扭 纵筋和箍筋：相邻的第3层板厚加厚至130，配筋 适当加强.
（8）核心筒外墙连梁跨高比小、受力大，剪压 比不易控制，通过设置交叉暗撑，以提高其受剪承 图5SATWE 计算模型 图6 ETABS计算模型 载力，改善延性.
表2小震弹性整体计算主要结果汇总表 结构计算与分析 计算程序 SATME ETABS 4 结构总质量/t 113040. 1 115491. 5 阻尼比 0.08 0.08 主楼为超限的消能减震结构，分析软件应具 T. 4.27 （Y向) 备相应的功能，因此，主体结构采用2个不同力 4.24 （Y向） 学模型的三维空间分析软件SATWE和ETABS 周期/s（振型） T. 3. 30 (X 向) 3.16 (X向) 进行整体分析计算.
SATWE、ETABS的整体计 T. 2.30 (扭) 2.16 (扭) 算模型如图5、6所示.
周期比T/T 0.54 0.51 4.1小震弹性整体计算 剪重比/% X向 2.90 2. 747 小震作用下采用振型分解反应谱法对结构进 Y向 2.74 2.625 行整体计算分析，主要结果汇总见表2.
根据规范，高度大于150m小于250m的建 最大层间位移角 X向 1/1129 1/1215 筑，层间位移角限值按1/800和1/500线性差值， （地震作用） Y向 1/698 1/681 内插计算得到的限值为1/680，各层计算值均符 最大位移比 x向 1.09 1.11 合要求.
基本周期介于3.5s和5.0s之间的结构， （偶然偏心） Y向 1.14 1. 17 楼层最小地震剪力系数在0.032和0.024之间线性 底层框架承担的 X向 17. 08% 14.6% 插入取值，X、Y向计算值分别为3.20%、2.79%， Y向不满足要求，在设计时，《建筑消能减震技术 地震剪力比/% Y向 12. 46% 11.3% 规程》JGJ297-2013尚未颁布，经与审查专家协商并取得同意，消能减震结构的最小地震剪力系数可按规 范最小值乘以0.85控制，则上述控制值分别降低至2.72%、2.37%，各层地震剪力系数均符合要求.
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第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 从表2中可以看出，两个程序计算的主要指标基本吻合，并且均满足规范要求.
4.2小震弹性时程分析 采用ETABS软件，对消能减震结构进行小震作用下的时程分析，共选用3条地震波，包括2条天然 波和1条人工波，黏滞消能器采用damper单元模拟，计算结果见表3.
从表中看出，时程分析法的结果满 足规范要求，反应谱和时程分析结果结果之间具有一致性，符合工程经验及力学概念所作的判断.
4.3中震作用下关键构件承载力验算 中震作用下的关键构件承载力验算采用等效弹性 表3小震弹性时程分析主要结果汇总表 线性化设计方法.
构件承载力弹性设计时，不计风荷 载作用，不考虑地震内力调整，采用与小震相同的荷 底部剪力/kx 与反应谱法分析之比 地震波 载分项系数、材料强度分项系数和抗震承载力调整系 X向 Y向 X向 Y向 数，阻尼比取0.08，周期折减系数取1.0，特征周期 反应谱分析 32764 96608 - - 同多遇地震为0.45s，连梁刚度折减系数取0.6.构件 E1 Centro 32180 29702 0.98 0. 96 承载力不屈服设计时，荷载分项系数、材料强度分项 Kobe 32371 30587 0.99 0.99 系数和抗震承载力调整系数均取1.0，连梁刚度折减 R1 29400 0.97 0. 95 系数取0.4，其他参数同中震弹性.
中震计算后，底部加强部位及上一层框架柱、核 包络值 32371 30587 0.99 0. 99 心筒剪力墙未出现超筋超限现象，抗剪配筋时按小震和中震弹性结果进行包络配置，抗弯配筋时按小震和 中震不屈服结果进行包络配置.
4.4大震作用下关键构件受剪截面控制条件验算 在大震下进行关键构件受剪截面限值条件验算时，不计入风荷载作用，不考虑地震内力调整，荷载分 项系数、材料强度分项系数和抗震承载力调整系数均取1.0，考虑阻尼比的增加和剪力墙连梁刚度的折减， 阻尼比取0.10，周期折减系数取1.0，特征周期比多遇地震增加0.05，即取0.50s，连梁刚度折减系数取0.2， 梁刚度放大系数取1.0.
经计算，关键构件均满足受剪截面限值条件.
4.5大震动力弹塑性分析 采用小震时程分析中选定的三条地震波进行大震作用下的非线性时程分析，取双向水平作用，峰值加 速度主次方向分别取取400gal和340gal，根据“抗规”规定，消能减震结构的层间弹塑性位移角限值， 宜比非消能减震结构适当减小，故本工程在大震作用下的水平层间位移角限值取为1/120，计算程序为 ETABS. 弹塑性分析模型中混凝土剪力墙采用基于复合材料力学原理的分层壳单元，根据剪力墙的实际尺寸和 实配钢筋，设置不同厚度的混凝土壳层和钢筋层，各层直接使用混凝土、钢筋的本构行为模拟墙单元的非 线性行为.
梁柱单元采用集中塑性铰（FEMA较）模型，其中梁采用M3较，柱采用耦合的PMM较，消能器 采用基于Maxwell粘弹性模型的Damper单元模型.
计算得到两方向最大层间位移角分别为1/205、1/175，远小于规范限值及设定的目标限值，结构有 一定的安全富裕度.
构件非线性发展情况为：消能器率先进入非线性工作状态，耗散地震能量：接着连梁和框架梁开始出 现塑性，大多数连梁塑性较处于LS（生命安全）阶段，部分处于IO（立即使用）阶段，个别连梁塑性发 展较深，进入CP（防止倒场）阶段：框架梁大多数都处于IO阶段，部分处于LS阶段：框架柱大多数未 出现塑性铰，仅部分框架柱处于IO阶段：剪力墙混凝土的最大压应力产生于底层，约为26.4MPa，小于混 凝土抗压强度标准值（38.5MPa），混凝土未压溃，核心筒底部最大拉应力超过了混凝土抗拉强度标准值， 意味着混凝土产生了拉裂，其高度方向约4层，平面范围从核心筒边缘向内最大发展宽度约2米，约为核 心筒宽度的16%，混凝土开裂后的拉力全部由相应位置的钢筋承担，最大钢筋拉应力约为435MPa，小于 钢筋抗拉强度标准值（500MPa），表明承受拉力最大部位的剪力墙产生了受拉裂缝，但是其中的钢筋未产
