超高层结构地震响应及减震设计方案优化探讨

超高层结构地震响应及减震设计方案优化探讨

孙晴1高飞2

淄博市建筑设计研究院山东省淄博市255000

摘要：深受地理位置等方面因素的影响，我国历来属于地震多发的国家，地震期间建筑工程遭到严重破坏坍塌，是引发严重地震灾害的主要原因。同时，如何于突发性强震中保证建筑工程的安全性，选择兼顾经济性、合理性及安全性的结构体系，是建筑工程领域在发展进程中所面临的主要挑战。本文以超高层结构地震响应为切入点分析其响应效果，就提出具体的减震设计方案优化要点进行深入探究，旨在为相关从业人员积累更多的工作经验。

关键词：超高层结构；地震响应；减震设计方案；优化要点

自上个世纪70年代有学者明确提出结构中设置非结构构件耗能元件分担消耗振动能量以来，黏滞阻尼技术被广泛应用国内外高层或超高层建筑结构设计领域，例如：以美国波士顿111大楼为例共计使用60个130t黏滞阻尼器利用隔间布置或层间布置等方法增强总体抗震性能；以北京银泰中心为例其主楼使用73个阻尼器改变脉动风作用的楼层加速度确保其结构舒适性及稳定性。由此可见，黏滞阻尼器属于被动减震耗能装置，具有构造简单、经济合理、操作便捷及减震效果良好等鲜明特点，被广泛应用于高层及超高层建筑结构，并且经大量实践研究表明黏滞阻尼器可分布于建筑各个层级[1]。如何优化阻尼器布置方案控制减震成本投入提高耗能效率，是技术人员所面临的主要挑战。鉴于此，本文针对超高层结构地震响应及减震设计方案优化的研究具有重要现实意义。

1.超高层结构的地震响应

使用SAP2000软件搭建典型框架-核心筒结构的三维空间模型，设置该高层建筑模型共计49层且地下3层依次分别为3.6米、3.6米及5.1米，地上共计46层总高度约为149米，其外部为钢筋混凝土框架结构且其内部为核心筒结构，地面上初3层为大底盘结构上楼层无任何收进及挑出，平面相对规则竖向构件沿高度呈均匀布置局面，无任何明显转换双向对称，并且其楼板及剪力墙普遍为用壳单元，而梁柱支撑等杆状构件则以框架单位为基础进行模拟，结合分析精度要求及具体工程情况选择刚性隔板制作成符合平面内无刚度限定的假定楼板，再以Ritz向量法为基础模拟所有的分析结果。

结合分析结果发现，模型一阶段模态以Y为基准呈向平动局面、二阶段模态以X为基准呈向平动模态、三阶段模态属于扭转振型，所有数据符合平面规则中结构振动的特点及特性，并且第1及第2平动振型分别为T1=3.34S及T2=2.69S，而第3扭转振型T1=1.64S则T1/T2=0.49（超过0.85）[2-3]。由此可见，该超高层建筑结构模型的对称性及整体性相对较好且抗扭转能力较强，说明该模型符合所有的技术要求规范，其概念设计合理性基本达到模拟具体工程的范畴。以《建筑抗震设计规范》为参照选取至少2组具体强震及1组人工模拟加速度时曲线，再结合具体工程情况及反应谱对比分析最终结果。

同时，全面对比时程分析及反应谱底部剪力时基本明确人工波、唐山波及Taft波均符合相关规范具体要求，将上述波段视为时程分析的指标，发现双向地震输入加速度峰值比方程式为X/Y=1/0.85。原建筑结构于多次遭遇地震条件下X向20至40层及Y向20至46层转变，其层间变形呈超出限制的局面且合并出现扭转表现[4]。为了削弱建筑结构的动力特性及扭转效应，相关技术人员选择黏滞阻尼耗能装置，将阻尼器沿着建筑结构X-Y主轴呈对称布置，不得分散布置于变形程度较大的层间及楼层，综合考虑建筑使用年限、经济性及具体要求，尽可能连续分布至20至40层间。

由于可控范围布设层数越多减震效果越好，一旦超出可控范围其减震效果相对可增幅较小且大大增加总体工程造价，客观上要求技术人员分布至21层且使用较少的黏滞阻尼器，方可取得令人满意的减震效果。结合3条地震波对原有结构及VD结构遭遇多次地震下双向震动输入各个楼层间位移角度的对比结果，发现遭遇多次地震时深受地震波作用差异性的影响20至40层结构层间位移角值数相对较大，可采取适当的强化固定措施，并且原有的结构于唐山波或Taft波作用影响下仅仅存在部分楼层超出最大弹性层间位移角度限制值的问题，而设置黏滞阻尼器后明显改变其限制角度。

2.超高层结构减震设计方案的优化要点

为了获取最佳的阻尼器布置位置，相关技术人员以保证阻尼器数量相同为前提条件，立足于时程分析结果，充分发挥阻尼器结构控制的作用，不再局限于增设位置，换而言之黏滞阻尼器能利用结构振型影响总体结构[5]。例如：以层间位移为参考指标，尽可能于层间位移较大的楼层增加设置阻尼支撑，通过最大化缩小刚心及质心间差异的方法进行阻尼器布置，并且采取分批循环不知法制定出1种隔层布置方案（即均匀布置于结构之中）及4种集中布置方案（即黏滞阻尼器分别布置于结构下部、中部、上部及具体层间变形最大楼层），促使以不同响应为控制目标全面评估不同阻尼器布置方案减震效果。

根据罕见遭遇地震及多次遭遇地震时程分析结果发现，Taft波深受卓越周期较长的影响趋向接近结构自振周期极易出现共振情况，其地震响应相对较大，客观上要求技术人员将Taft波视为输入地震波，对比不同方案多次遭遇地震下结构响应及减震效果。例如：以层间位移角对比为例发现各种方案均或多或少减小层间位移角度，促使其符合抗震规范规定值（即方案1至方案5中两方向层间位移角减小率为13%及26%、15%及26%、10%及20%、14%及23%、12%及23%），说明以X向层间位移角减小率为参考指标方案1及方案2远远优于其他方案，而以Y向层间位移角减小率为参照指标方案2优于其他方案。

结合顶层节点位移时程发现黏滞阻尼器能明显降低结构顶层节点水平位移效果，有效控制前后曲线相似形状，而方案不同顶层节点X向水平位移的峰值也不尽相同，即逐步由0.125日下降至0.082、0.079、0.950、0.811及0.867，其减振率分别为30%、35%、24%、37%及35%，并且Y向0.150米下降至0.136、0.131、0.135、0.133及0.135米，其减振率分别为10%、11%、12%及9%。由此可见，以减振率为参照指标方案2明显优于其他方案，可将结构顶层节点峰值位移响应视为控制目标。同时，无论层间位移或顶层峰值位移，均综合考虑位移控制等方面因素尽可能于低楼层设置黏滞阻尼器。

3.结语

通过本文探究，认识到安装设置黏滞阻尼器能有效控制原有建筑结构的震动波及范围，大大增强原有的抗震能力，换而言之层间位移角控制效果与顶层节点峰值位移下降率间关系密切。同时，以顶层节点峰值加速度为控制目标，可选择出最为优化的布置方案，大大降低峰值加速度减小率。因此，相关技术人员秉持实事求是的工作原则，结合工程具体情况及结构功能性要求，提前明确阻尼器的布置方案，综合考虑结构具体地震响应的计算结构，力求因地制宜，以达到获取最佳减震效果的目标。

参考文献

[1]陆新征,顾栋炼,周建龙,包联进,钱鹏,卢啸,林元庆.改变框架-核心筒结构剪力调整策略对其抗震性能影响的研究[J].工程力学,2019,36(01):183-191.

[2]毛昉.复杂高层与超高层建筑结构设计研究[J].建材与装饰,2018(18):67-68.

[3]薛娜蕾,杨德健,段美玲.超高层结构地震响应及减震设计方案优化[J].天津城建大学学报,2018,24(02):106-115.

[4]周远标.复杂高层与超高层建筑结构设计要点探析[J].中国住宅设施,2018(03):68-70.

[5]梁中,钱德玲.超高层钢筋混凝土框架-核心筒结构的抗震特性分析[J].工业建筑,2014,44(S1):462-466.