1 引言
城市超高层建筑的数量和多少，一定程度反映了该城市的经济实力。近年来，随着中国经济的崛起，中国的高楼建筑如雨后春笋般出现，目前中国高楼的数量已居世界首位。
高层建筑结构体系复杂，结构所承受的地震及风荷载较大，在传统抗震设计中，主要依靠加大构件截面尺寸和配筋，提高结构的强度和延性抵御地震。但结构高度越高，结构单位面积用钢量越大。为减小水平荷载作用下的结构反应，可采用消能减震设计，在房屋中设置消能器，消能器的相对变形(位移型阻尼器)或相对速度(速度型阻尼器)提供附加阻尼，消耗输入结构的地震能量，达到不增大结构断面的条件下提高结构抗震性能[1]。
根据减震体系布置位置的不同，超高层结构减震体系可分为核心筒内减震体系、框架内减震体系和减震伸臂体系。核心筒内减震体系设置方式主要分为两种类型：一、混凝土核心筒中采用耗能连梁体系;二、钢支撑核心筒中采用耗能支撑体系。框架内减震体系设置种类和方式较多，在一般框架结构中的减震方法亦适用于超高层中框架内减震体系。
高层结构、尤其是超高层结构在选择阻尼器的布置位置时候，需要考虑阻尼器对建筑功能、建筑立面效果的影响，一般会集中在设备层布置，形成阻尼伸臂层。阻尼伸臂体系是指在结构加强层中设置消能装置或构件，利用核心筒与外框架之间的竖向变形差进行消能(如图1所示)[2]。自菲律宾马尼拉Saint Francis Shangri-La双塔结构成功运用在核心筒与外围框架柱之间竖向设置粘滞阻尼器形成消能伸臂体系以来[4]，对消能伸臂体系的研究与应用逐渐增多[5]。
图1消能伸臂原理图
在进行设置了消能伸臂的高层结构设计中，首先计算阻尼器附加给结构的有效阻尼比，总阻尼比取为附加阻尼比和结构固有阻尼比之和。采用附加阻尼比方法，结构所有构件的地震内力均匀降低。但无论位移型阻尼器还是速度型阻尼器，在地震作用时，均会产生刚度，且每个阻尼器对结构的影响范围有限。因而设置阻尼器后，结构中构件的内力不会均匀变化，楼层不同、在楼层中与阻尼器平面位置不同的构件，其内力变化程度不一致。为此，在结构内力计算，如果仅通过增大阻尼比计算结构整体地震作用，将会导致部分构件内力计算值低于实际受力，从而造成安全隐患。本文结合工程案例，分析阻尼器布置对结构内力的影响规律。
1 伸臂体系布置方案介绍
已有研究中[3]提出在保留结构抗震所必需伸臂的基础上，仅将赘余伸臂设计成消能伸臂，既抗震又减震。图2中给出了黏滞阻尼伸臂层的方案布置图，钢桁架伸臂构件一端与核心筒连接，另一端连接有阻尼器，阻尼器的另外一端与外框架连接。其工作原理为核心筒发生变形时，钢桁架与之共同变形，由于核心筒与框架部分的变形差，使得阻尼器发生相对运动和相对变形，从而耗散地震能量。
图2 黏滞阻尼伸臂方案图
Fig.2 Arrangement of viscous damper
2 工程案例简介
选取某工程案例，结构总高度178.7m，共41层，总建筑面积11万m2。设防烈度7度(0.15g)，根据安评报告，地震影响系数最大值为0.1575，场地调特征周期0.39s。结构体系为混凝土核心筒、型钢混凝土柱、钢筋混凝土梁(部分梁采用型钢混凝土梁)，并在混凝土核心筒内布置型钢。结构两个方向的高宽比分别为3.98(X方向)、5.06(Y方向)，核心筒部分高宽比分别为7.33(X方向)、12.6(Y方向)。
根据建筑功能，在39层设置消能伸臂，其主要设计参数如表1所示。
表1 设防标准
序号 | 项目 | 数据内容 |
1 | 建筑结构的安全等级 | 二级（重要性系数γ0=1.0） |
2 | 地基基础设计等级 | 甲级 |
3 | 设计使用年限 | 50年 |
4 | 抗震设防类别 | 标准设防类建筑（丙类建筑） |
5 | 设计基本地震加速度 | 0.15g |
6 | 地震加速度αmax | 多遇地震：81 cm/s2 罕遇遇地震：449 cm/s2 |
7 | 设计地震分组 | 第二组 |
8 | 场地土类别 | Ⅱ类场地土 |
9 | 特征周期 | Tg=0.40s |
10 | 阻尼比 | 多遇、常遇地震：0.04 罕遇地震：0.04 |
11 | 水平地震影响系数最大值 | 多遇地震：αmax=0.202 罕遇地震：αmax=1.122 |
12 | 抗震等级 | 主楼±0.000以上一级，地下一层一级，地下二层二级。 |
结构材料和主要构件尺寸初步设计结果见表2：
表2 主要构件尺寸与材料类型
砼强度等级 | 主体结构 柱：C60~C50；墙：C60~C50、基础： C40、梁、板： C35； 非结构构件 C30； | ||
钢筋种类 | HRB400 | ||
钢材种类 | Q345B | ||
楼盖板厚(mm) | 一般厚度 120； 核心筒部分150；地下室顶板厚度为180，加强层楼板厚度为150 | 屋盖板厚(mm) | 130 |
框架柱截面(mm) | 底板至底部加强区的柱：1600X1800，1500x1500； 加强区以上1400x1400，1200x1400 框架柱内设型钢； | ||
框架梁截面(mm) | 梁宽取600x700,600x800 | ||
底部加强区核心筒外筒剪力墙厚度(mm) | 900 | ||
弹性主要设计指标如表3所示：
表3 小震设计指标
基本周期 | 周期 | T1=3.58 | T2=2.96 | Tt =2.1661 | 扭转周期/平动周期 | |
方向 | Y | X | 扭转 | Tt/ T1= | 0.605 | |
总剪力调整系数 | 1 | 周期折减系数 | 0.85 | |||
结构总重量（T） | 148923 (±0.000以上) | |||||
地震作用方向 | X | Y | ||||
总地震作用力（kN） | 65732 | 60461 | ||||
剪重比（%） | 4.41% | 4.05% | ||||
振型质量参与系数 | 90% | 90% | ||||
最大层间位移角 | 1/822) | 1/627 | ||||
最大扭转位移比 | 1.101 | 1.135 | ||||
风作用方向 | X | Y | ||||
最大层间位移角 | 1/6072 | 1/3566 | ||||
阻尼伸臂层平面位置如图3所示。结构分析模型见图4所示。黏滞阻尼器阻尼系数C为3000kN/(s/m)α，阻尼指数α=0.25。
图3 标准层结构平面布置
图4 结构模型
3 结构内力分析
为分析阻尼器布置对结构构件内力的影响，对减震结构及非减震结构进行时程分析，按照规范要求选取了3条地震波。提前每条地震波下不同楼层角柱(柱1)和边柱(柱2)的内力变化率，绘制该变化率与结构高度的关系曲线。
通过时程分析得到结构附加阻尼比后，同时采用反应谱法对减震结构及非减震结构进行内力分析，比较构件内力的变化。
时程分析得到的结构附加阻尼比结果如表4所示。在进行结构反应谱分析时，X方向附加阻尼比取3.80%，Y方向附加阻尼比取4.29%。
表4 附加阻尼比
地震波 | X | Y |
SC1 | 3.80% | 4.29% |
SC2 | 5.05% | 4.46% |
SC3 | 4.45% | 4.44% |
在图5~图8中分别给出了柱1和柱2在三条地震波时程分析下轴力及弯矩减小率沿结构高度分布的特征。内力减小率的定义为：有阻尼结构构件内力/无阻尼结构构件内力。同时也与基于附加阻尼比的反应谱分析内力减小率进行了对比。从对比结果可以看出，时程分析下构件内力减小率沿着结构高度分布呈现不均匀性，一般距离布置阻尼器楼层越近，内力减小率越低，且部分楼层的内力减小率明显大于反应谱分析结果。
从以上分析可知，当结构设计中仅采用基于阻尼比的反应谱分析，而未采用时程分析进行包络设计时，会导致构件承载力设计存在安全隐患。
(a) X方向 (b) Y方向
图5 柱1轴力减小率
(a) X方向 (b) Y方向
图6 柱2轴力减小率
(a) X方向 (b) Y方向
图7 柱1弯矩减小率
(a) X方向 (b) Y方向
图8 柱2弯矩减小率(X方向)
4 设计建议
根据设置阻尼器结构的特点，建议按照以下流程进行结构减震设计。
图9 设计流程
参考文献
[1] 岂凡, 邢宁波, 陈君军, 等. 消能减震技术在高烈度区框架结构中的应用[J]. 建筑结构, 2020, 50(17): 396-399.
[2] 彭程, 马良喆, 薛恒丽, 陈永祁. 超高层结构应用液态黏滞阻尼器在中国的发展[J]. 工程抗震与加固改造, 2015, Vol. 37(3): 1-9.
[3] 方创杰, 谭平, 刘淼鑫, 王磊, 周福霖. 新型消能伸臂体系的抗震性能[J]. 桂林理工大学学报, 2012, Vol. 32(3): 386-390.
[4] Smith R. J., Willford M. R.The damped outrigger concept for tall buildings[J].The Structural Design of Tall and SpecialBuildings，2007, 16(4): 501-517.
[5] 周颖, 吕西林, 张崔强. 消能减震伸臂桁架超高层结构抗震性能研究[J]. 振动与冲击, 2011, Vol. 30(11): 186-189.
