李博宇, 曲 原, 王 然, 束偉農, 張連河, 畢鵬飛

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

超高層建筑由于質量大、高度高,因此所承受的水平作用相對于中低層建筑更加明顯。隨著建筑高度的提高,結構設計的主要控制因素是以風荷載和地震作用為代表的水平荷載作用。在高烈度地區(qū),超高層建筑的抗震設計是設計中重點需要關注的部分,整體剛度與承載力的控制在設計中顯得尤為重要[1]。

按照以往工程的經驗,對于250m左右的超高層建筑一般采用框架-核心筒或者筒中筒等傳統(tǒng)結構形式。但在高烈度地區(qū),采用常規(guī)的結構設計手段很難在滿足結構抗震要求的同時滿足建筑的使用要求。近年來,國內外學者對高烈度地區(qū)的建筑采用消能減震技術進行了大量的研究工作[2-4]?；诖?本工程擬采用消能減震技術,即采用屈曲約束支撐對超高層建筑進行設計。

在不影響建筑使用功能的情況下,為更有效地控制超高層結構的整體變形,采用框架-核心筒結構體系的超高層建筑中一般利用設備層作為結構加強層,在層間設置伸臂桁架和腰桁架,加強核心筒與周邊框架柱,以及周邊框架柱間的聯系,提高整體結構剛度。加強層的設置部位對于控制整體結構的變形能力有著至關重要的作用,本文對于伸臂桁架和腰桁架的布置位置進行了效率分析,并根據專業(yè)功能需求,確定了伸臂桁架和腰桁架的布置方式。

本文從工程實例入手,對比傳統(tǒng)結構和消能減震結構的抗震分析結果,從而選擇更適合于工程的結構方案,同時根據伸臂桁架和腰桁架布置位置的效率分析,選擇了相對合理的布置方式,并通過大震非線性時程分析,驗證了該方案的抗震性能,以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

西安萬博酒店項目位于陜西省西咸新區(qū),±0.000絕對標高為390.2m。項目用地南北寬約170m、東西長約230m,項目建筑總規(guī)模約44萬m2。項目由超高層酒店、辦公樓及配套商業(yè)等建筑構成,如圖1所示,地下室為停車庫及設備機房,地下3層部分區(qū)域兼做平戰(zhàn)結合六級人防區(qū)。塔樓與裙房地下部分連為整體,±0.000以上通過設置變形縫脫開,形成7個結構段,本文主要探討的是1#酒店的結構方案選型。

圖1 西安萬博酒店建筑布局圖

初步設計階段,1#酒店結構高度為249.2m,地上55層、地下3層,主要功能為酒店、辦公,嵌固部位為地下室頂板,采用框架-核心筒結構體系,為超B級高度超高層建筑。

本工程抗震設防烈度8度(0.20g),場地類別Ⅲ類,設計地震分組第二組,特征周期0.55s?？拐鹪O防類別為標準設防類,設計使用年限50年,結構安全等級二級[5]。1#酒店標準層平面圖如圖2所示。

圖2 1#酒店標準層平面圖

1#酒店建筑立面造型仿照中式塔樓建筑,建筑平面從底層到頂層分層收進,收進位置均在設備避難層。建筑平面尺寸由53.2m×53.2m收進至41.4m×41.4m,核心筒尺寸為21.7m×21.4m,核心筒高寬比為12.4,梁跨度由14.5m收進至11.3m。1～4層層高6.0m,5～8層層高4.2m,標準層層高4m,9、20、30、40、50層為避難層,層高5.2m,55層以上為機房層和塔冠,如圖3所示。各層材料:板混凝土采用C30,框架柱及剪力墻采用C60～C40;鋼筋均采用HRB400;鋼材采用Q355B及Q390B。綜合考慮地質情況及抗浮等因素,1#酒店塔樓采用樁筏基礎。

圖3 1#酒店結構剖面圖

2 加強層布置情況對比

已有的分析結果表明,利用水平伸臂桁架和腰桁架使外圍參與結構整體抗彎是一種有效的控制整體變形的方式。當伸臂的剛度和數量足夠時,頂點側移的減小量在90%以上。

《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[6](簡稱《高規(guī)》)中對設置多個加強層的建議是:當布置2個加強層時,可分別設置在頂層和房屋高度的1/2附近;當布置多個加強層時,宜沿豎向從頂層向下均勻布置。

由于本項目中柱位均在各層建筑邊界范圍內,伸臂桁架及腰桁架的布置對于設備機電層的使用影響較大,因此對于結構加強層的布置不能僅以結構專業(yè)的合理性作為唯一的前置條件,應該通盤考慮全專業(yè)設計的合理性。為了使加強層的布置更有效率,分別在5個機電設備層布置伸臂桁架或腰桁架,對大震作用下整體周期、位移、地震剪力、構件受力情況分別進行了分析,以期待可以找到最有效率的加強層布置方式。各個模型中各層荷載及結構構件尺寸均相同,相關模型參數統(tǒng)一,具體對比情況詳見表1。

表1 大震作用下分層取消桁架與保留全部桁架計算結果對比

從表1可知,在20層及以下設置加強層可以更有效地減少底層墻肢的拉力,對整體結構變形幾乎沒有影響。其中取消9層的伸臂桁架及腰桁架,底層墻肢拉力提高近9%,取消20層的伸臂桁架及腰桁架,底層墻肢拉力提高近5%。對其余加強層的桁架應力比的影響:取消9層的伸臂桁架及腰桁架對其余加強層的桁架應力比幾乎沒有影響,取消20層的伸臂桁架及腰桁架,其余加強層的桁架應力比將提高10%左右。

在30層以上設置加強層可以有效控制結構整體變形,對底層墻肢拉力幾乎無影響。其中取消30層的伸臂桁架及腰桁架,結構整體變形增大了近7%;取消40層的伸臂桁架及腰桁架,變形增大了近12%;取消50層的伸臂桁架及腰桁架,變形增大了近10%。對其余加強層的桁架應力比的影響:取消30層的伸臂桁架及腰桁架對其余加強層的桁架應力比幾乎沒有影響;取消40層的伸臂桁架及腰桁架,其余加強層的桁架應力比將提高10%左右;取消50層的伸臂桁架及腰桁架,40層加強層的桁架應力比將提高15%左右,對其余加強層的桁架應力比幾乎沒有影響。通過各項對比,伸臂桁架比腰桁架對受力及變形的影響更顯著。

經過對比可知,在本項目中在9層設置加強層對整體變形和桿件受力幾乎無影響,僅對減少底層墻肢拉力有幫助;在50層設置加強層對減少底層墻肢拉力和其余各加強層桁架應力比幾乎沒有影響,對整體變形影響沒有在40層設置加強層大。根據本項目實際布置分析,雖然按規(guī)范要求可將加強層布置在頂層,但由于建筑平面不斷收進,實際本項目中頂層加強層所提供的剛度和抗整體變形的能力并不如想象的大。

通過經濟性分析,在其余加強層不變的前提下,在9層或50層不設置加強層,為滿足整體變形的要求,需要在其他層增加混凝土構件配筋及增大鋼構件截面,但比較下來可以減少整體結構用鋼量。但是在20、30層或40層不設置加強層,需要在其他層增加混凝土構件配筋及增大鋼構件截面,會提高整體結構的用鋼量,因此在20、30層或40層設置加強層的經濟性更好。

因此,本項目中將20、30、40層設置為加強層是較有效率的布置方式,但由于20層及40層設備管線較多,布置伸臂桁架或腰桁架后,設備層無法滿足要求,因此經過精細化分析并與建筑專業(yè)討論后,最終采用30層設置伸臂桁架及腰桁架,40層設置伸臂桁架的方案。

3 消能減震方案對比

對超高層建筑,傳統(tǒng)設計方法通過提高結構剛度和強度來承擔水平地震作用,由此帶來的問題是結構剛度增大的同時,需要承擔的地震作用也較大,同時在地震作用下只能通過結構構件的塑性變形來耗散能量[2]。近年來,隨著消能減震技術的發(fā)展,由于消能減震結構在抗震作用中可以起到良好的耗能作用,在超高層結構設計中采用消能減震技術成為一種新的設計思路。

3.1 傳統(tǒng)結構方案

傳統(tǒng)結構采用型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架結構體系進行設計。柱截面尺寸為1 200×1 800、1 300×1 300,主梁截面為H1 000×400×24×30,次梁截面為HN800×300,核心筒外圈墻體厚度為1 400mm,伸臂桁架上下弦截面為H1 000×700×26×40,腹桿截面為□800×800×30×30。

型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架結構方案的主要問題在于:1)為解決伸臂桁架腹桿的穩(wěn)定問題,腹桿截面尺寸較大,影響建筑空間使用;2)由于伸臂桁架截面較大,導致加強層剛度偏大,加強層下一層形成薄弱層,整體結構剛度不均勻;3)結構整體剛度提高,地震作用較強,導致各結構構件的截面尺寸及配筋均增加。

以上是一般傳統(tǒng)結構體系抗震設計共有的結構布置問題,在高烈度地區(qū)的超高層結構抗震設計中此類問題更加突出。

3.2 框架-核心筒+消能減震結構方案

綜合傳統(tǒng)結構方案的利弊,結構體系調整為型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架+消能減震結構(防屈曲約束支撐)結構方案(簡稱消能減震結構方案)進行設計。該方案在型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架體系的基礎上,將兩層加強層伸臂桁架的腹桿替換為防屈曲約束支撐(BRB),并且伸臂桁架上下弦截面優(yōu)化為H1 000×500×26×40。伸臂桁架減震結構布置及典型樓層BRB布置圖詳見圖4～6。

圖4 伸臂桁架消能減震結構示意

圖5 30層BRB平面布置圖

圖6 40層BRB平面布置圖

采用BRB的主要作用:1)可以解決桁架腹桿的穩(wěn)定問題;2)對BRB的剛度進行控制,解決加強層下一層的剛度突變問題,使得整體結構剛度更加均勻;3)中大震作用下BRB有一定的耗能能力,保證結構有一定的安全儲備,最終達到提高結構抗震性能的目的。

BRB支撐采用“V”字撐或“人”字撐,屈服承載力主要為11 000kN,屈服位移為6.5mm,原則上保證小震作用下BRB不屈服,中震及大震作用下BRB發(fā)揮耗能作用。BRB參數詳見表2。

表2 BRB參數

3.3 抗震性能目標

針對本工程的超限項及重要部位,采用《高規(guī)》中抗震性能化設計的手段對結構中的關鍵部位進行加強。本工程高度超限,并存在樓板不連續(xù)、局部不規(guī)則、構件間斷三項一般不規(guī)則項,綜合考慮建筑的功能規(guī)模和不規(guī)則程度,設定的性能目標詳見表3。

表3 1#酒店抗震性能目標[5]

3.4 基于反應譜理論的彈性及彈塑性分析

傳統(tǒng)結構體系由于結構構件尺寸較大,結構剛度較大,自振周期略小于設置消能減震結構體系。兩種方案的自振周期結果見表4。

表4 自振周期結果/s

在大震作用下,采用消能減震技術的結構地震作用比傳統(tǒng)結構要更小,且由于BRB可以作為一道抗震防線,提高了結構整體的抗震性能。從結構整體剛度方面來看,傳統(tǒng)結構體系為達到抗震性能目標,導致加強層部位構件尺寸較大,結構剛度存在突變情況,加強層以下樓層形成了薄弱層;而消能減震結構體系則由于BRB在大震作用下發(fā)揮了耗能作用,使得結構整體剛度較為均勻,結構體系更為合理。大震作用下兩種方案的地震作用結果見表5。采用消能減震技術的結構層間位移角均小于1/504,說明整體結構剛度良好,可以滿足《高規(guī)》要求。

表5 地震作用結果

小震作用下兩種方案的整體變形結果見表6。通過兩種結構方案整體指標的對比,可知傳統(tǒng)結構采用“抗”的辦法承擔水平地震作用,帶來的問題主要體現在結構構件尺寸較大和加強層剛度過大。在本項目中,采用BRB后加強層伸臂桁架上下弦桿件截面明顯減小,采用傳統(tǒng)結構考慮抗震性能目標下的鋼構件穩(wěn)定要求,需截面尺寸為800×800×30×30的桿件,影響建筑使用空間,不能滿足使用需求。采用BRB桿件,直徑僅為400mm,有效節(jié)省了建筑空間,且使得使用功能更加合理。

表6 層間位移角結果

采用消能減震技術的結構體系,小震作用下可以通過BRB的剛度調節(jié)主體結構剛度,在解決加強層構件穩(wěn)定的基礎上,使整體結構剛度更加均勻,同時在大震作用下BRB作為耗能構件可以耗散地震能量,使得結構原本應該承受的地震作用減小。從結果來看,消能減震結構體系整體抗震性能更好。

4 大震彈塑性時程分析

4.1 有限元建模

為了驗證結構能否實現“大震不倒”的設防要求,本項目采用結構動力彈塑性計算軟件SAUSAGE,對結構進行大震彈塑性動力時程分析。

在非線性地震反應分析模型中,鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型,混凝土本構模型采用彈塑性損傷模型,桿件非線性模型采用纖維束模型,BRB單元采用非線性單元Plastic(Wen)模擬。

4.2 地震波輸入

根據《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[7](簡稱《抗規(guī)》)第5.1.2條的規(guī)定,選擇3組波(兩向)取包絡的方式進行時程分析,分別是2組天然波(TH038TG055和TH093TG065)和1組按抗震規(guī)范反應譜合成的人工波(RH1TG055),3組地震波的波形曲線見圖7、8。

圖7 地震波波形圖

圖8 地震波時程反應譜與規(guī)范反應譜比較

根據選波分析結果,3組地震波的地震影響系數曲線與反應譜在統(tǒng)計意義上相符,計算所得的結構底部剪力均滿足《抗規(guī)》第5.1.2條要求[7]。

4.3 彈塑性分析結果

4.3.1 位移結果

彈塑性時程分析的最大層間位移角結果見表7。從結果來看,采用傳統(tǒng)結構的整體結構變形均大于消能減震結構的整體結構變形,說明消能減震結構在大震作用下可以起到耗能作用,控制整體結構變形的能力。

表7 各組地震動作用下大震彈塑性最大層間位移角

4.3.2 加強層伸臂桁架及腰桁架的性能評估

計算結果顯示,采用消能減震結構方案時,腰桁架及伸臂桁架在時程波作用下,均處于無損傷～輕微損傷狀態(tài),與BRB連接部位的墻柱,基本處于輕微損傷狀態(tài),見圖9,說明在大震作用下伸臂桁架和腰桁架基本完好。采用傳統(tǒng)結構方案時,部分核心筒墻體及框架柱出現輕度損壞,甚至重度損壞,在大震作用下部分關鍵構件出現了較為嚴重的破壞,見圖10,說明在罕遇地震作用下BRB有效消耗了能量,可以保護關鍵構件處于正常工作狀態(tài)。采用消能減震技術的結構方案可滿足預設的性能目標要求。

圖9 加強層性能評估(消能減震方案)

圖10 加強層性能評估(傳統(tǒng)結構方案)

4.3.3 耗能能力

為驗證BRB在大震作用下的耗能能力,采用能量圖的方式表達消能減震結構的能耗比[8]。由分析得到的地震波TH093TG065的耗能情況見圖11。

圖11 地震波TH093TG065耗能

根據SAUSAGE計算結果可知,結構彈塑性阻尼比3.7%,位移型阻尼器阻尼比0.7%,總等效阻尼比8.4%。消能減震結構體系耗能可以達到4 000 000kN·mm左右,占結構總能量的8%左右。說明消能減震結構降低了主體結構的地震作用,有效保護了主體結構構件,提高了結構抗震性能。

4.3.4 滯回曲線

大震作用下,BRB的滯回曲線如圖12所示,可見BRB的滯回曲線較為飽滿,在大震作用下可有效發(fā)揮作用。

圖12 BRB滯回曲線

5 結論

(1)在方案設計階段,需要考慮各專業(yè)的使用功能要求,重視結構方案的合理選擇,有助于提高結構設計的安全性和經濟性。

(2)在超高層框架-核心筒結構中,一般需要設置伸臂桁架或腰桁架,提高整體結構的抗彎剛度。伸臂桁架或腰桁架的布置位置需通過對比分析的方式,根據工程的實際情況進行設置,使伸臂桁架及腰桁架更有效率。

(3)針對高烈度地區(qū)超高層建筑自重大,剛度大,地震作用反應大的特點,經過對比分析研究,在傳統(tǒng)結構中采用消能減震技術是一種有效的抗震設計思路,應該廣泛運用。

(4)本項目中采用傳統(tǒng)結構+消能減震結構體系,通過調整BRB的剛度來調節(jié)整體結構剛度,在解決加強層構件穩(wěn)定的基礎上,使整體結構剛度更加均勻,驗證了BRB在大震作用下作為耗能構件可以有效發(fā)揮作用。

(5)通過對型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架+消能減震結構(防屈曲約束支撐)結構體系的大震彈塑性時程分析,可得出在大震作用下消能減震結構降低了地震作用,有效保護了主體結構構件,提高了結構抗震性能。