某高地震烈度高风压地区高位连体耗能减震结构设计

Design of a High-rise Connecting Structure with Energy Dissipation Technology in a High Intensity and High Wind Pressure Area

摘要

合理地应用减震技术有助于使结构满足地震工况下的刚度要求，对高烈度地区的高层建筑有较强的适用性。采用铅芯橡胶支座的弱连接方案，不仅能够在小震及风荷载作用下满足建筑的正常使用要求，还能够在大震作用下将结构变形缝宽度控制在建筑构造允许范围内，同时避免刚性连接方案的不利影响。本文以两座高层连体建筑为例，针对减震和高位连体进行设计研究。首先，针对核心筒尺寸偏小的情况，通过合理布置黏滞阻尼墙使整体结构满足刚度要求，通过计算分析找到黏滞阻尼墙效率最高的布置楼层。其次，针对高位连体特点，综合比选后选择弱连接方案，弱连接处采用铅芯橡胶支座。最后，设计出可靠的防撞防坠落措施，并给出结构的抗震性能目标，为类似工程提供参考。

Abstract

With rational application， energy dissipation technology can help structures meet stiffness requirements under seismic conditions， and demonstrates high applicability to high-rise buildings in high-intensity zones. The weak connection scheme using lead-rubber bearings not only satisfies the normal serviceability requirements under minor earthquakes and wind loads， but also controls the structural joint width within the allowable range during major seismic events， while avoiding the adverse effects associated with a rigid connection scheme. Taking two high-rise connected buildings as an example， this paper investigates the design of energy dissipation technology and high-rise connections. First， in response to the limited size of the core tube， viscous damping walls are installed in suitable locations to fulfill stiffness demands， and the stories where viscous damping walls perform most effectively are identified through calculation and analysis. Second， based on the features of high-rise connections， a weak connection scheme is selected after comprehensive comparison， utilizing lead-rubber bearings at the connection points. Finally， reliable anti-collision and anti-fall measures are designed， and the seismic performance objectives of the structure are established， providing a reference for similar projects.

Graphical abstract

关键词

高地震烈度 / 高风压 / 高位连体 / 减震 / 黏滞阻尼器 / 防撞防坠落措施

Key words

high intensity / high wind pressure / high-rise connection / energy dissipation technology / viscous damping wall / anti-collision and anti-fall measures

0 引 言

对于高层建筑，当层间位移角不满足规范要求时，传统的设计方法是加大构件截面来增加结构刚度，但加大构件截面可能会：①使地震力增加，进而导致造价增加；②影响建筑功能；③需要设置钢骨，增加施工复杂度甚至影响工期。尤其是在高烈度地区，该问题更为突出。此时，采用减震技术则具有较明显的优势。

针对连体结构，国内虽已有较多公开的研究，如苏州“东方之门”、腾讯滨海大厦、太原博物馆、杭州市民中心等项目^［1-5］，但对于位于高烈度高风压地区的高位连体结构的研究较少，对支座防撞防坠落措施的论述较少。

高烈度地区的高位连体结构如采用滑动连接，所需变形缝宽度较大，可能会超过建筑构造的允许数值；采用刚性连接时又可能会出现层间位移角加大、地震力增加、部分地方净高不够等问题。此时采用柔性连接方案可以将变形缝宽度控制在建筑构造允许范围内，同时避免刚性连接时的各种不利影响。

本文主要介绍高层建筑单体采用黏滞阻尼墙来解决高烈度地区的刚度不足问题，采用铅芯橡胶支座的柔性连接方案来控制变形缝宽度，并对支座设置防撞及防坠落措施来提高关键节点安全冗余度，为其他类似项目提供参考。

1 工程概况

1.1　项目位置及建筑概况

本项目位于海南省海口市，距海边不足1 km，总建筑面积约8.7万m²，其中地上约5.7万m²，地下约3万m²。地上由办公塔楼、酒店塔楼及商业裙房组成，建筑效果图如图1所示。两座塔楼为本文研究内容。

两座塔楼为高层建筑，裙房为多层建筑，塔楼与裙房之间用结构缝断开。两座塔楼的部分建筑指标见表1，二者在57.6~63.0 m高度处通过1层高的连廊相连，连廊平面尺寸约为26.5 m（跨度方向）×36.6 m，酒店标准层层高为3.6 m，办公标准层层高为4.5 m，连廊层层高为5.4 m。立面关系如图2所示。连廊层建筑功能主要是办公，连廊屋面层设置游泳池，游泳池主要信息及尺寸如图3所示。

1.2　主要设计参数

本项目的主要设计参数如下：设防烈度8度（0.30g），地震分组为第二组，场地土类别为II类，特征周期为0.45 s，抗震设防分类为丙类，50年一遇基本风压为0.75 kN/m²，地面粗糙度为A类。

2 抗震性能目标

整体抗震性能目标为弱C级，多遇地震、设防烈度、罕遇地震下的性能水准分别为1、3、5。部分关键构件的性能目标见表2。

3 结构体系及减隔震设计

3.1　结构体系

结合建筑特点及装配式要求，两座塔楼最终采用钢筋混凝土核心筒+钢管混凝土柱+钢梁结构，如图4所示。

3.2　增加减隔震措施的必要性

对酒店塔楼和办公塔楼分别进行单塔分析。由于地震烈度较高且核心筒尺寸尤其是Y向尺寸偏小，在建筑对核心筒尺寸控制条件下，不设置减隔震措施的方案（以下简称“常规方案”）的层间位移角无法满足规范要求，详细情况见表3。

为了解决层间位移角不满足规范要求的问题，在核心筒四周布置黏滞阻尼墙，该方案有如下优点：①使层间位移角数值减小约20%，满足当地规范要求；②提供附加阻尼比2.5%，减小地震力约16%，控制构件截面尺寸及配筋，降低造价；③黏滞阻尼墙内嵌于核心筒外墙中，对建筑布置影响较小，如图5所示。

黏滞阻尼墙通过内外钢板间的相对运动，使黏滞材料发生剪切变形，从而产生阻尼力。该装置布置于结构的层间，固定于上、下梁之间，借助结构层间剪切变形来发挥作用^［6］。阻尼墙的阻尼效果与地震下的楼层振动速度正相关，楼层振动速度与楼层有害位移正相关，图6为单体有害位移与楼层的关系曲线。

从曲线中可以看出，楼层底部虽然有害位移占比较大，但绝对值不高，在顶部有害位移占比较小，中间部分楼层的有害位移绝对值最大，因此将阻尼墙布置在中间5—13层，效率最高。X向5—13层连续布置36片；Y向5—13层连续布置36片，如图7所示。

3.3　分析对比

采用有限元分析软件SAUSAGE，选用 3组时程波对常规方案和阻尼方案进行对比。

阻尼力计算公式：

F=C{v}^{\alpha }（1）

式中：C为阻尼系数；v为相对运动系数；\alpha为阻尼指数。

参见《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）^［6］，分析采用Maxwell模型。黏滞阻尼墙参数见表4。

3.3.1　弹性分析地震波选取

黏滞阻尼墙在多遇地震作用下的耗能减震效率采用弹性时程分析，选用的2组天然波和1组人工波见表5。

经复核，三组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，各条波的基底剪力均位于CQC方法的65%~135%之间，平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。各组时程波均满足规范对于时程波选取的要求，主要结果见表6。

3.3.2　分析结果

主要结果详见表7和图8、图9。从分析结果可知，阻尼方案相比常规方案有明显的优势，主要表现在：①小震下阻尼方案两个方向最大层间位移角分别从1/673和1/613减小至1/789和1/768，减小了20%左右，整体上满足规范要求（海南省当地要求最大层间位移角不大于1/755）；②阻尼方案的层剪力小于常规方案，基底剪力减幅为14.9%（X向）和18.5%（Y向）；③由于地震力减小，构件截面减小，建筑经济性较优。

上述结果验证了本项目采用阻尼方案的必要性。

3.4　附加阻尼比计算

对于附加阻尼比的计算，一般是采用基于应变能的估算方法（规范方法）^［7-8］，即

ξ_ａ＝Ｗ_ｃ／4πＷ_ｓ（2）

式中：Ｗ_ｃ为消能部件在预期位移下循环一周所消耗的能量；Ｗ_ｓ为结构在预期位移下的总应变能。这种方法主要是参考美国ATC-33规范，用消能部件本身在地震作用下变形所吸收的能量与设置消能部件后结构总地震变形能的比值来表征。

王奇等^［9］提出了基于反应谱的线性迭代法用于消能减震结构的附加阻尼比计算；徐继东^［10］针对时程分析法和基于反应谱的线性迭代法计算结构附加阻尼比的不足，提出了“放大刚度法”的附加阻尼比计算方法（能量曲线对比法，以下简称“能量法”）；徐昕等^［11］对比分析了包络法、时变法和综合法三种附加阻尼比计算方法的差异性；徐自然^［12］给出了框架-阻尼框筒结构附加阻尼比简化计算方法。

本项目采用能量法和规范法进行附加阻尼比的计算，并判别简化考虑附加阻尼比进行计算的合理性，经对比，二者计算结果基本相同，能量法略微偏小，以下仅展示能量法计算结果。

1） 小震计算

采用3组时程波分别进行计算，结果如下：小震下阻尼墙可以提供2.7%~2.8%的附加阻尼比。施工图设计时本结构在小震下采用附加阻尼比2.5%进行反应谱分析与设计。

2） 中震计算

与小震计算方法相同，求取单体和连体情况下的附加阻尼比，得到平均附加阻尼比2.6%（X向）、2.5%（Y向），施工图设计时本结构在中震下采用附加阻尼比2.5%进行反应谱分析与设计。

3） 大震计算

名义附加阻尼比为2%。

3.5　阻尼墙上下连梁设计

由于建筑功能限制，阻尼墙均布置在核心筒外墙处，上下与连梁连接。常规项目核心筒连梁在地震下一般会发生一定的损坏，起到耗能作用，本项目需要对与阻尼墙相连的连梁进行特殊设计，以保证阻尼墙的正常运行。在计算时与阻尼墙相关的连梁不考虑刚度折减，性能目标设置为中震弹性、大震抗弯部分屈服、大震抗剪不屈服。

4 高区连廊方案选型

两个塔楼在高区由连廊连接在一起，对以下三种连接方式进行对比分析：滑动连接、刚性连接、柔性连接。布置方式分别如图10和图11所示。

4.1　滑动连接

连廊一侧与一座塔楼设结构缝脱开，采用滑动支座连接，另一侧与另一座塔楼办公固定铰接。

根据《海南省超限高层建筑结构抗震设计要点（试行）》，当连接体采用滑动连接时，支座设计应能满足大震作用效应需要的滑动余量，支座须做相应加强。

采用滑动连接，可使两座塔楼完全脱离开，受力更为明确，传力路径清晰。但存在以下难点：

（1） 中震弹性下高区连廊处两座塔楼间最大相对位移达到382~424 mm（考虑弹塑性，其实际变形更大），对建筑外立面影响较大，幕墙系统很难适应这么大的相对位移。

（2） 大震弹性下高区连廊处两座塔楼间最大相对位移达到675~750 mm（考虑弹塑性，其实际变形更大），见表8，支座尺寸较大（预估需要做到1.8 m宽），相应钢牛腿所需尺寸也需要较大，结构变形缝宽度太大（预估750 mm），对建筑效果立面效果影响较大。

（3） 对泳池布置和机电管线布置有一定的影响。

由于结构缝过宽，对建筑、幕墙的影响过大，难以处理，本方案不予采用。

4.2　刚性连接

不设置结构缝，连廊与两座塔楼刚性连接。

优点：可避免结构缝对建筑立面效果的影响，且对防水有利。

缺点：

（1） 对建筑净高有影响。根据《高规》^［13］10.5.4条，刚性连接时，连体钢梁应伸入主体结构一跨，连廊钢梁高度为1 200~1 300 mm，延伸跨梁高至少为900 mm，会对建筑净高造成较大影响，尤其是连廊下一层酒店塔楼客房处，其层高仅为3 600 mm，梁下净高仅为2 500 mm，较难满足使用要求。

（2） 对Y向层间位移角有影响。经试算，刚性连接后，办公塔楼小震下Y向层间位移角增大至1/695（且较多层不满足1/755的要求），本结构为Y向刚度控制，为了满足规范要求，需要将办公塔楼核心筒外墙厚度由之前的650~800 mm厚增加至900 mm厚，从而影响建筑得房率，且对造价影响较大；或者需要将附加阻尼比由2.5%增加至3.5%，经济性及结构效率都较低。

（3） 连廊在地震下内力较大。由于两座塔楼高度不同，经反复调整试算，无法使两座塔楼兼顾如下两个条件：

①两座塔楼自振特性接近；

②两座塔楼在连廊层位移接近。

在满足条件①时，两座塔楼连廊层位移相差较大；在满足条件②时，两座塔楼的主要周期相差15%~20%。由于本结构位于高烈度地区，连廊在地震下楼板及钢梁的内力较大，需要对连廊及相连构件做较多的加强。

（4） 其他需要额外加强的地方。

①根据《海南省超限高层建筑结构抗震设计要点（试行）》，当连接体采用刚性连接时，应复核中震双向水平地震作用效应（8度区尚应包含竖向地震效应）组合下被连接结构远端的扭转效应对连接相关部位承载力和变形能力的要求，支承部位的水平构件应延伸一跨，竖向构件宜向下延伸至底部。

②根据《高规》^［13］10.5.5条，刚性连接时，连接体边梁截面宜加大，楼板厚度不宜小于150 mm，宜采用双层双向钢筋网，每层每方向钢筋网的配筋率不宜小于0.25%。

4.3　柔性连接（考虑隔震措施）

连廊一侧与酒店塔楼设结构缝脱开，采用柔性支座连接，另一侧与办公塔楼铰接。经对比，结构缝设置在酒店塔楼一侧更优，其原因是酒店塔楼核心筒尺寸相对较小，抗扭能力较弱，且连廊高度位于酒店的相对顶部区域，如结构缝设置在办公塔楼一侧，则连廊与酒店塔楼连接在一起，会造成酒店塔楼扭转过大。

柔性支座拟采用铅芯橡胶支座，除了可以减小连接处的相对位移之外，还能起到一定的耗能作用。

由表9可知，通过采用柔性连接，可将连廊结构缝宽度降至300 mm，采用直径600 mm铅芯橡胶支座可满足滑移要求。验算罕遇地震下支座滑移的安全性，采取相应的防撞、防坠落措施。铅芯橡胶支座的力学性能详见第5节。

相对于刚性连接方案，柔性连接方案可以避免对建筑净高的不利影响，对整体层间位移角影响较小，连廊地震下内力相对较小。

4.4　方案比选

滑动连接设缝过大，对建筑功能影响较大，不予考虑，故对刚性连接和柔性连接在技术经济性上进行对比，见表10。

刚性方案虽然没有结构缝，但会对建筑部分客房净高产生影响，并且会加大办公塔楼的Y向层间位移角（为了解决该问题，需要将办公塔楼核心筒外墙厚度由之前的650~800 mm厚增加至900 mm厚，影响建筑得房率，并对造价影响较大，或者将附加阻尼比由2.5%增加至3.5%，经济性及结构效率都较低），并需要采取更多的加强措施；而柔性方案对建筑的不利之处都在可以接受的范围内，对抗震有利，经济性更优，因此最终采用柔性连接方案。

5 连廊支座专项分析及防撞防坠落措施

连廊在酒店一侧采用了铅芯橡胶支座，如图12所示。铅芯橡胶支座基本参数见表11。

天然橡胶支座的力学模型如图13（a）所示，图中W_S为弹性势能，W_d为滞回环面积，从图中可以看出，其滞回曲线包围的面积很小，天然橡胶支座几乎不耗能。通常将天然橡胶支座的恢复力模型等效为直线，其中直线的斜率即为隔震支座的水平刚度。

铅芯橡胶支座的滞回曲线如图13（b）所示。支座刚度呈现出非线性变化特点，滞回曲线围合面积较大，在地震作用下具有耗能能力。图中K_eq为铅芯橡胶支座的等效刚度。铅芯橡胶支座的恢复力模型可以等效为双线性模型，如图13（c）所示。图中，K_u为屈服前刚度，是由橡胶引起的弹性分量K_R和由铅芯引起的弹性分量K_p叠加而成；K_d为屈服后刚度，K_d=K_R。

5.1　支座正常使用下位移验算

橡胶支座需具备足够的屈服前刚度，以满足风荷载、温度和微振动的要求。

50年风荷载作用下单个橡胶产生的水平力标准值为50 kN，橡胶支座屈服力85 kN大于50 年风荷载标准值作用下支座剪力的1.5倍（50×1.5=75 kN），满足橡胶支座抗风承载力要求，详见表12。

风荷载作用下最大水平位移为7 mm，由温度引起的位移为2.4 mm，满足正常使用状态要求。

5.2　结构自动复位能力验算

橡胶支座的弹性恢复力应能满足下式要求：

K₁₀₀T_r≥1.5 V_rw（3）

式中：K₁₀₀为橡胶支座在水平剪切应变100%时的水平等效刚度；T_r为橡胶支座内部橡胶总厚度；1.5V_rw为隔震支座水平屈服荷载设计值。

橡胶支座的屈服荷载设计值为300 kN。

K₁₀₀T_r=1.34×200×4=1 072 kN

因此，本结构的隔震设计满足隔震结构弹性自动复位要求。

5.3　支座大震位移验算

铅芯橡胶支座在大震下最大时程位移为246 mm，见图14和表13，该水平位移相当于123%的剪应变，小于其有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度3倍（300%剪应变）二者的较小值。结构设缝300 mm宽，大于最大变形的1.2倍（246×1.2=295.2 mm），满足规范要求。

5.4　支座大震受剪验算

铅芯橡胶支座在罕遇地震下典型滞回曲线如图15所示。铅芯橡胶支座在罕遇地震下最大剪力不足350 kN，满足设计要求，详见表14。

5.5　支座压应力验算

橡胶隔震支座在重力荷载代表值的竖向压应力为4.55 MPa，小于《抗规》^［7］12.2.3中规定限制10 MPa，满足规范要求。在罕遇地震下，最大压应力为6.89 MPa，从表15计算可知铅芯橡胶支座在1.0D+0.5L+1.0EV作用下，最小反力为776 kN，为压力，表明支座在罕遇地震下，不会产生拉应力，满足规范要求。详见表15。

5.6　支座防撞措施及防坠落措施

支座及相关连接按照大震弹性要求进行设计。此外，鉴于整体连廊坠落可能导致的后果较为严重，故对连廊支座采取了防撞防坠落措施，防止在超大震等情况下连廊因支座破坏发生坠落，以增加安全冗余度。连廊的支座防破坏坠落节点如图16—图18所示。

防撞措施：

（1） 设置防撞橡胶垫缓冲；

（2） 两侧封边箱梁内灌混凝土，避免点碰撞，优先面接触。

防坠落措施：

（1） 支座下方设置一道面外贯通钢梁；

（2） 面内设置限位牛腿。

6 结 论

（1） 通过采取设置黏滞阻尼墙等减震措施，可有效降低地震作用，减小结构在地震下的位移，使整体结构刚度满足规范要求，对高烈度地区高层建筑有较强的适用性。

（2） 对于高烈度地区高位连体结构，采用柔性连接可以既将连体结构位移控制在建筑允许范围内，又能避免刚性连接方案的不利之处。

（3） 铅芯橡胶支座在屈服前具有一定的刚度，能够保证支座在风荷载下不屈服，满足建筑在使用过程中的舒适度要求，在中大震下刚度大幅减小，能有效释放地震力，满足地震下的安全性要求。

（4） 通过对支座进行防撞防坠落设计，可以提高结构的安全冗余度，避免连廊结构在超大震下坠落。

（5） 黏滞阻尼墙布置在核心筒外墙中，可避免对建筑功能造成影响；对于框剪结构，阻尼墙布置效率最高的楼层是在有害位移最大的楼层，一般位于整个楼层的中间几层。

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