1、论述带加强层建筑结构抗震设计摘要:结构的抗震性能对于建筑而言具有十分重要的意义。为此,本文针对某建筑工程在结构抗震设计方面的相关要求进行了分析,以建筑的结构抗震设计提供参考,保障建筑结构的抗震性能。 关键词: 加强层；建筑结构；侧移；减震设计 中图分类号：TU3 文献标识码： A 1 工程概况 本文背景工程为某高烈度区一座双塔楼高层建筑，地下室 5 层，地上 38 层(包括五层裙房，裙房以上为双塔楼)。结构体系为框架筒体结构，柱子采用钢骨混凝土柱，梁采用钢混凝土组合梁。结构平面纵向长72 m，横向宽 48 m，地上部分总高度 156m。根据建筑抗震设计规范(GB50011 2010)的规定，本
2、工程的抗震设防烈度为 8，设计基本地震加速度值为 020 g，设计地震分组为第一组，建筑场地土为类，场地特征周期值取 035 s。 本工程的结构布置方面有两个需要注意的地方: ( 1) 结构在十六层和二十七层设置加强层。采用钢斜腹杆桁架形式，在主梁下布置连接核心筒和外围框架的伸臂加强结构，并沿外框架布置环形加强桁架。 伸臂加强桁架杆件截面为箱形 800 300 25 ( mm) ， 环形加强桁架杆件截面为箱形 650 300 20 ( mm) 。 ( 2) 由于设备布置需要，结构的第三十四和三十六层没有楼板。这就造成结构的竖向刚度在三十四到三十六层出现突变，并进而影响整个结构在地震作用下的侧移
3、规律。 2 带加强层竖向刚度突变高层建筑动力特性分析 2. 1 有限元模型建立 根据初步设计方案，建立有限元模型，并计算其动力特性。部分振型的周期和质量参与率见表 1。 2. 2 动力特性分析 根据表 1 的动力特性数据可以看出: 表 1 部分振型周期和质量参与率 ( 1) 由于结构的塔楼部分核心筒布置在靠近塔楼内侧位置，造成结构平面刚度不对称，因此扭转振动在结构的低阶振型中表现较为明显。 ( 2) 结构竖向振动很小，在地震响应分析时可以忽略。 ( 3) 到第 34 阶振型，结构 X 向和 Y 向的累计质量参与率才超过90%。可见，计算结构地震响应时，高振型对结构振动响应的贡献需要注意。 3
4、带加强层竖向刚度突变高层建筑侧移分析和减震设计 3. 1 地震波的选择 本文拟采用动力时程分析法分析结构在地震作用下的受力和变形。时程分析法中，输入地震波的选取是时程分析结果能否既反映结构最大可能遭受的地震作用，又满足工程抗震设计基于安全和功能的要求的前提。地震波选取的原则是: 选用的地震波应与设计反应谱在统计意义上一致，对计算结果的评估是以结构底部剪力和振型分解反应谱法的计算结果进行比较，控制在一定范围内。表 2 给出了根据每条波时程曲线计算所得结构底部剪力和振型分解反应谱法计算的结果。经分析表明，所选三条波满足规范 512 条的要求( 弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小
5、于振型分解反应谱法计算结果的 65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的 80%) 。 表 2 时程分析法和反应谱法计算的底部剪力( 单位: kN) 3. 2 侧移分析 ( 1) 层间侧移从底层开始逐渐变大，到没有楼板的楼层达到最大。一般地，框架筒体结构在水平荷载作用下侧移应为弯剪型顶部和底部都较小、中间楼层变形最大。但是由于本工程顶部第三十四和三十六层没有楼板，使得侧移规律发生质变: 从底层开始一直增大，到没有楼板的楼层达到最大，然后再减小。可见，楼板在连接外围框架和核心筒、协调两者变形中起到决定作用。楼板缺失时，不仅附近楼层的侧移发生改变，而且连带整
6、个结构的侧移规律发生本质变化。因此，对于位于高烈度区的框架 筒体结构来说，应尽量在每层设置面积、刚度相似的楼板，以使外围框架和核心筒共同变形、减小侧移。 ( 2) 加强层所在楼层侧移比其附近楼层小很多，侧移曲线在加强层附近发生突变。加强层的环向桁架将外围框架柱联系在一起，共同受力、共同变形。伸臂加强桁架将外围框架和核心筒联系在一起，使得框架更多地参与抗倾覆、增大结构抗倾覆力矩。这种刚度突变导致的侧移和受力突变使得结构在地震作用下可能形成薄弱层，严重者将导致结构在大震作用下的破坏机理难以呈现“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的延性屈服机制。因此，在地震区尤其是高烈度区采用带有加强层的框架 核心筒结构应慎
7、重，最好采取有效措施，减小加强层带来的不利影响。 33 消能减震设计 根据初步设计方案的建筑设计图、结构布置图及其他相关资料，在本工程层中设置粘滞流体阻尼器，这样可以有效地增加结构的阻尼比，显著降低结构的地震反应，从而减小主要受力构件的截面和配筋，增加建筑物的使用面积，降低工程造价。粘滞流体阻尼器及其附属装置是作为结构消能减振体系的消能杆件或消能装置而应用于结构中的，其核心部分是一种液压装置，包括连接件、导杆、活塞、阻尼孔、油缸、密封材料和阻尼材料( 阻尼介质) 等几部分。其基本原理是，结构受到地震( 或风) 力的作用时，与结构共同工作的粘滞流体阻尼器的导杆受力，推动活塞运动，活塞两边的高粘性
8、阻尼介质产生压力差，使阻尼介质通过阻尼孔，从而产生阻尼力，达到消能减振的目的。研究表明，粘滞流体阻尼器是一种无刚度、速度相关型的阻尼器，具有耗能能力强、加工精度高、外型美观等特点，其阻尼力 F 与活塞运动速度 V 之间的关系可表示为: F V( 1) 式中， 为一常数，通常称为阻尼指数，因阻尼器的内部构造不同，其值通常在 02 30 之间。 331 设置不同数量阻尼器减震效果分析 考虑到建筑物的使用功能和空间布置，在结构的第 23 26 层、第28 36 层沿 X 轴方向设置线性粘滞流体阻尼器，即 = 1，阻尼系数取为 2 107( Ns/m) 。粘滞流体阻尼器数量从每层 4 个到每层 10
9、个，两个塔楼对称布置。图 1 给出了三条波分别作用下减震结构和原结构的 X 向层间侧移( 设置阻尼器的楼层) 对比。从中可以看出，设置阻尼器后结构层间侧移有不同程度的减小，但当每层阻尼器的数量从 8 个增加到 10 时，X 向层间侧移减小不明显。表 3 给出了设置阻尼器后结构的 X 向底层剪力。 图 1 设置不同数量阻尼器 X 向侧移对比 表 3 设置阻尼器后结构 X 向底部剪力( 单位: kN) 表 3 与表 2 相比较可以看出，设置阻尼器后结构的 X 向底部剪力有所减小，当每层设置 8 个阻尼器时，底部剪力减小约 22%。当每层阻尼器的数量从 8 个增加到 10 时，X 向底部剪力减小不明
10、显。综合考虑，本工程在建筑设计的约束下，每层设置 8 个粘滞流体阻尼器对减小结构在地震作用下的侧移、减小构件受力是有效的。 4 结论 本文以具体工程为背景，研究了带加强层、竖向刚度突变的高层建筑的动力特性、地震作用下的侧移规律和减震优化设计，得出以下结论: ( 1) 加强层的存在使得框架 筒体结构在地震作用下的侧移在加强层附近发生突变，给结构设计带来不便。因此，加强层的布置要以“达到目的、适可而止”为原则，采用“有限刚度”的加强层。不能认为加强层刚度越大越好，否则将导致结构刚度突变加剧、内力骤变、罕遇地震下结构可能在加强层附近形成薄弱层而破坏。 ( 2) 楼板缺失对框架 筒体结构在水平荷载作用
11、下的侧移影响很大，严重者将导致框架 筒体结构整体侧移规律的改变。因此，设计时应尽量不要使整个楼层没有楼板，必要时可以将加强层设置在楼板较少的楼层，用以联系外框架和核心筒，协调变形、减小竖向刚度突变。 ( 3) 粘滞流体阻尼器滞回曲线饱满，耗能能力强，在高层建筑减震设计中有广阔的应用前景。本文在背景工程中设置粘滞流体阻尼器，通过数值分析可以看出，本文选用的地震波是合适的，加了阻尼器之后结构在 X 向地震作用下的层间变形和底部剪力都有所减小。经过合理优化设计( 每层设置 8 个阻尼器，阻尼器设置在顶部层间位移较大的楼层) ，底部剪力可以减小 20% 25%。可见，采用粘滞流体阻尼器用于高烈度区带加强层高层建筑，减震效果良好。
