天津某办公楼消能减震设计_顾建.pdf

江苏建筑2022年第6期（总第225期）0引言随着消能减震元器件在高烈度地震区越来越多地使用，其优良的抗震性能和经济价值得以充分体现。粘滞阻尼器以其具有的不增加结构刚度、受激励频率和温度小的优点，在消能减震结构中广受青睐。文章以天津某办公楼为研究实例，对框架-核心筒结构体系采用消能减震方案，分析其减震效果，为消能减震在实际工程中应用提供一定的设计参考。1工程概况1.1工程简介该项目位于天津市滨海新区，由办公楼、商业及酒店组成，三者之间均设置抗震缝脱开，文章以办公楼为研究对象。办公楼采用框架-核心筒结构体系，地上21层，面积约40 000 m2；地下两层为地下汽车库。办公楼标准层平面尺寸为63 m30.5 m，首层层高5.5 m，其余层高4.2 m，总高度89.9 m。图1为办公楼立面效果图。天津某办公楼消能减震设计顾建，柏蕾（上海联创设计集团股份有限公司南京分公司，江苏南京210005）摘要天津市某框架-核心筒办公楼采用144个粘滞阻尼器进行消能减震设计，分别采用ETBAS和Perform3D软件进行多遇地震和罕遇地震分析。多遇地震分析结果表明，采用粘滞阻尼器的消能减震结构其层间位移角及楼层剪力均大幅降低，各项指标均能满足规范要求，减震效果特别明显，满足“小震不坏”的目标要求；同时通过计算该结构的附加阻尼比可取6%，并对该附加阻尼比通过减震率方法进行了验证。罕遇地震分析表明，结构的层间位移角及屈服机制满足要求，满足“大震不倒”的目标要求。关键词消能减震；粘滞阻尼器；减震率；附加阻尼比；框架-核心筒中图分类号 TU352文献标志码 B文章编号1005-6270（2022）06-0037-05Energy Dissipation and Shock Absorption Design of an Office Building in TianjinGU JianBAI Lei（Nanjing Branch of Shanghai United Design Group Co.,Ltd,Nanjing Jiangsu 210005 China）Abstract：144 viscous dampers are used in the energy dissipation design of a frame core tube office building inTianjin,and ETBAS and Perform 3Dsoftware are used to analyze the frequent and rare earthquakes respectively.The results of frequent earthquake analysis show that the inter story displacement angle and floor shear force ofthe energy dissipation structure with viscous damper are greatly reduced,and all indicators can meet therequirements of the code.The seismic reduction effect is particularly obvious,meeting the target requirementsof small earthquake is not bad;At the same time,the additional damping ratio of the structure can be takenas 6%,and the additional damping ratio is verified by the damping rate method.The analysis of rareearthquake shows that the inter story displacement angle and yield mechanism of the structure meet therequirements,and meet the target requirements of no collapse in large earthquake.Key words：energy dissipation and shock absorption；viscous damper；damping rate；additional damping ratio；frame core tube收稿日期2022-05-25作者简介顾建，男（1980-），上海联创设计集团股份有限公司南京分公司，高级工程师，一级注册结构工程师，从事结构设计工作。37江苏建筑2022年第6期（总第225期）该办公楼的设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，为标准设防类别（丙类）。根据地勘报告，本项目抗震设防烈度为8度，基本加速度取0.20g，设计地震分组按第二组，该项目场地类别为IV类，场地特征周期Tg取值0.75s。建筑功能布局要求核心筒外办公区域不得设置剪力墙，按常规设计层间位移角不满足规范要求，且墙柱截面及配筋均较大。考虑到项目特点及高烈度区类似项目案例，采用消能减震技术，通过设置粘滞阻尼器，为结构提供附加阻尼比，进而提高结构阻尼比，降低地震作用，提高结构的抗震性能。1.2阻尼器布置方案及技术参数以原结构模型的层间位移角及层间剪力为依据，并参考类似工程案例，本工程在8层16层共布置144个型号吨位相同的粘滞阻尼器，具体设计参数见表1。阻尼器支撑采用型钢，其截面为宽翼缘H型钢HW3503501219。图2、图3为粘滞阻尼器及支撑的平面、立面布置图。1.3计算模型建立及地震波选取以SATWE模型信息为基础，采用ETABS软件建立原结构模型，对比二者的质量、周期及地震剪力，详见表2（基于篇幅考虑，地震剪力未列出）。结果表明：SATWE模型和ETABS模型所得结果差异较小，较为吻合。因此，本工程采用ETABS软件进行消能减震分析较为合理。本工程2条人工模拟地震波和5条天然地震波，表3为时程工况与反应谱工况基底剪力对比结果。图1办公楼建筑效果图图2标准层平面布置图（椭圆圈内为阻尼器位置）表1粘滞阻尼器的布置数量及设计参数楼层号容许位移/mm阻尼系数/kN/(mm/s)阻尼指数/极限速度mm/s最大阻尼力/kN总数量/个816402700.2165750144图3阻尼器安装示意图表2原结构模型周期及质量对比T1/sT2/sT3/s质量/tSATWEETABS相差1.952 81.8684.34%1.736 61.7230.78%1.592 91.5482.82%59 61860 7631.92%表3原始结构模型时程工况与反应谱基底剪力对比反应谱ART1ART2COAFRIIMPKOBELOMA平均值30 84635 34233 51532 66831 36934 24330 45522 01431 37231 11435 92933 10826 61625 32129 22724 71727 41128 904100.0114.6108.7105.9101.7111.098.771.4101.7100.0115.5106.485.581.493.979.488.192.9工况基底剪力/kN比例/%X向Y向X向Y向注：1.比例为各个时程分析得到的结构基底剪力与振型分解反应谱法结果之比。2.各时程信息如下：ART1 1501 0.02（ART1）ART2 1501 0.02（ART2）Coalinga-01_NO_358 3400 0.01（COA）Friuli,Italy-02_NO_130 5278 0.005（FRI）ImperialValley-06_NO_185 7549 0.005（IMP）Kobe,Japan_NO_1106 1598 0.02（KOBE）LomaPrieta_NO_755 7991 0.005（LOMA）38江苏建筑2022年第6期（总第225期）7条时程波持续时间满足要求，各波平均反应谱与规范反应谱较为接近（结构基本周期处），相差不超过20%。2消能减震效果分析采用非线性时程分析法和振型分解反应谱法对比分析布置粘滞阻尼器后减震消能结构的抗震性能和减震效果。为方便表述，下文出现的结构1（ST0）为不布置粘滞阻尼器的原结构，结构2（ST1）为布置粘滞阻尼器的消能减震结构。采用ETABS1软件分析8度多遇地震作用下结构的弹性工况，其中弹性时程分析采用ETABS所提供的快速非线性分析FNA方法（即只考虑粘滞阻尼器的非线性、结构本身考虑为线弹性），并进行多次迭代分析。主要分析内容为：多遇地震作用下减震消能结构与原结构地震层间剪力和层间位移角对比分析，粘滞阻尼器为结构提供的附加阻尼比取值及准确性验证，粘滞阻尼器的滞回耗能曲线分析。2.1 ST0与ST1结构地震响应对比分析图4、图5分别为在8度小震作用下，ST0模型和ST1模型输入7条（2条人工+5条天然）时程波的分析结果。由图可知：多遇地震作用下，减震消能结构（ST1）的地震层间剪力和层间位移角较原结构（ST0）均显著减小；其中，底层层间剪力的减小幅度为15%25%，最大层间位移角的减小幅度为30%40%。因此，在8度多遇地震作用下，该结构设置粘滞阻尼器后，其抗震性能显著提高。2.2阻尼器附加阻尼比计算采用应变能方法确定粘滞阻尼器附加给结构的等效阻尼比，在不考虑扭转影响的条件下，按建筑抗震设计规范（GB 500112010）2第12.3.4条的方法估算消能减震结构（ST1）在水平地震作用下的总应变能。粘滞阻尼器附加给结构的等效阻尼比a可按式（1）（3）2-3验算：a=Wc/（4Ws）（1）Wc=mj=11Fdjmaxuj（2）Ws=12Fiui()（3）其中，a为粘滞阻尼器附加给予结构的实际等效阻尼比；uj为第j个消能器两端的相对水平位移量；Fdjmax为第j个粘滞阻尼器在相应水平地震作用下的平均阻尼力；1为阻尼指数的函数，根据规范取值为3.743；ui为质点i相对应于水平地震作用标准值的位移量；Fi为质点i对应的水平地震作用标准值。采用式（1）（3）分别计算小震7条地震时程图4小震作用下ST0与ST1地震层间剪力对比结果图5小震作用下ST0与ST1楼层位移角对比结果39江苏建筑2022年第6期（总第225期）波作用下粘滞阻尼器的等效附加阻尼比，其中X方向等效附加阻尼比平均值为6.18%，Y方向平均值为6.65%。本项目阻尼器能够为该结构提供的附加阻尼比按6%。本工程在8层16层布置粘滞阻尼器，在消能减震结构第8层两个方向上分别选取一个阻尼器查验其耗能情况。图6分别为多遇地震作用下两个阻尼器的滞回曲线。由图可知：两个方向的滞回曲线均比较饱满，表明8度多遇地震作用下两个方向的粘滞阻尼器均开始耗能，且具有良好的减震消能作用。2.3验证附加阻尼比选取的准确性为了验证多遇地震作用下附加阻尼比的准确性，文章采用减震率4的概念进行分析。时程分析的减震率表示减震结构与原结构时程分析楼层剪力比值；CQC计算的减震率表示包含附加阻尼比在内的总阻尼比（6%+5%=11%）对应的楼层剪力结果与原结构5%阻尼比的结构比值，详见图7。图7显示，时程分析的各楼层减震率除屋顶3个楼层之外均小于CQC分析11%阻尼比与5%阻尼比的各楼层减震率，除屋顶3个楼层之外绝大多数楼层减震结构各楼层剪力降低幅度大于11%阻尼比的结果。故附加阻尼比取值6%合适；同时在本项目施工图设计阶段，顶部楼层地震作用适当放大，配筋适当加强。2.4罕遇地震作用下消能减震结构弹塑性分析基于PERFORM-3D软件5大震分析的良好性能，对于本项目的大震弹塑性分析采用该软件较为合适。大震分析内容有：大震下消能结构的抗震性能展现、屈服机制以及出铰非线性状态。首先按第1.3节相同方法对SATWE模型和PERFORM-3D模型进行了准确