三种不同消能伸臂体系减震效果对比分析*

 胡大柱1，  李国强2，  朱立刚3

（1上海应用技术学院城市建设与安全工程学院，上海201418；2同济大学土木工程防灾国家重点实验室；上海200092：3奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海200021）

[摘要]超高层建筑结构常采用框架核心筒结构体系，利用外框架和核心筒之间的竖向变形差，在外框架和核心筒之间设置消能器，可形成消能伸臂体系。黏滞消能器、防屈曲支撑以及剪切耗能件均为性能稳定的消能器。为研究三种不同消能器构成的消能伸臂对高层建筑结构抗震性能的影响，结合实际工程案例对比分析了这三种体系的减震效果以及经济性。研究表明三种消能器均能有效降低结构地震作用，其中黏滞消能器消能伸臂减震效果最佳，剪切消能器消能伸臂经济性最优。

[关键词]  消能伸臂；黏滞消能器；防屈曲支撑；剪切消能器

0  引言

 近10年来，我国高层建筑发展迅速，尤其是超过250m的超高层建筑。在超高层结构中广泛采用的结构体系为中间核心筒与外围框架相结合的结构形式，根据结构高度不同，通常还会设置一道或多道伸臂桁架来协调核心筒与框架间的受力和变形，形成带伸臂的框架核心筒结构。

 在外框柱与核心筒之间设置伸臂桁架的主要目的是减小结构侧移，它的机理是提高水平荷载作用下外框架柱的轴力，从而增加框架承担的倾覆力矩，同时减小了内核心筒的倾覆力矩。它对结构形成的反弯作用可以有效地增大结构抗侧刚度。

 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。结构高度越高，结构单位面积用钢量越大。采用消能减震设计，可通过在房屋中设置消能器，消能器的相对变形（位移型消能器）或相对速度（速度型消能器）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。

 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：1）混凝土核心筒中采用耗能连梁体系；2）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。

 减震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（图1）。Smith等提出在核心筒与外围框架柱之间竖向设置黏滞消能器形成消能伸臂，并在菲律宾马尼拉Saint Francis Shangri-La双塔结构成功应用。近年来对这种消能伸臂体系的研究与应用逐渐增多。

1  三种伸臂体系布置方案介绍

 超高层建筑结构中伸臂桁架的位置与建筑功能以及结构功能有关，伸臂桁架楼层一般设置在建筑避难层或者设备层。对超过250m的建筑结构，通常至少会设置两道加强层。根据以往研究，对传统伸臂桁架，如果不在结构顶部设置伸臂，那两道伸臂的最佳位置分别位于0. 314H，0.628H(H为结构高度)；如果在结构顶部设置伸臂，另一道伸臂的最佳位置为0. 545H，且顶部伸臂发挥的作用很小。

 已有研究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。已有的减震伸臂体系中，根据所采用的消能器类型不同，可分为三种消能伸臂体系：黏滞消能器方案；防屈曲支撑方案；剪切消能器方案。在工程设计中，如果采用黏滞消能器消能伸臂，虽然伸臂部分不能给结构提供刚度，但是黏滞消能器小震作用下会产生附加阻尼，从而降低结构的地震作用，使得结构位移满足规范要求。防屈曲支撑和剪切消能器属于位移型消能器，具有较大的初始刚度，通过合理设计，能够控制其屈服位移参数，使得这两种位移型消能器在风振下处于弹性状态，而小震作用下提高结构刚度，在中、大震下进入屈服耗能状态，耗散地震能量，起到消能伸臂的作用。

 在这三种方案中，防屈曲支撑方案黏滞消能器方案研究较多，而剪切消能器方案在超高层伸臂体系中的研究和工程应用都较少。综合考虑工程应用成熟程度、施工便捷性、结构受力特性等因素，本文研究的三种伸臂体系布置方案如图2~4所示。

 图例中的布置方案，黏滞消能器和剪切消能器方案中需要附加钢桁架伸臂构件，钢桁架伸臂构件一端与核心筒连接，另一端连接有消能器，消能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，使得消能器发生相对运动和相对变形，从而耗散地震能量。

 防屈曲支撑方案中，由于防屈曲支撑在屈服前如同钢支撑，具有较大的初始刚度。但与普通钢支撑不同之处在于，人字形布置的防屈曲支撑，在水平力作用下，在梁跨中的竖向力相互平衡，使得框架梁仅仅承受附加轴向力。当核心筒和框架的相对变形超过防屈曲支撑屈服位移时，防屈曲支撑进入屈服状态，给结构提供附加耗能。

2  算例分析

 为比较三种不同消能伸臂体系减震效果，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向)、5. 06（y向），核心筒部分高宽比分别为7.33 (X向)、12.6（y向）。

 根据建筑功能，在结构24层和39层设置两道伸臂，弹性设计时，采用普通型钢支撑伸臂体系，其主要设计参数、构件尺寸及材料、弹性设计指标如表1~3所示。

 为对比三种不同消能器的减震效果，将结构24层和39层的普通型钢伸臂替换为消能伸臂，消能伸臂平面位置如图5所示。结构分析模型见图6。为简化分析，并对比消能器的消能效果，在分析模型中除消能器外，其他构件采用弹性单元。

2.1结构输入及消能器参数

 为比较三种不同伸臂体系结构反应，采用非线性时程分析方法，输入地震波加速度时程曲线以及反应谱曲线如图7所示，分析中选择的消能器参数如表4所示。

2.2结构反应对比

 提取结构反应，包括结构位移反应、基底剪力反应，比较不同消能伸臂结构反应的区别。

 (1)比较了结构X向顶点位移时程曲线，三种方案中黏滞消能器方案最大顶点位移为无控结构的0. 75倍，防屈曲支撑方案也为0.75倍，而剪切消能器方案为无控结构的0. 83倍。(2)比较了结构y向顶点位移时程曲线，三种方案中黏滞消能器方案最大顶点位移为无控结构的0. 83倍，防屈曲支撑方案为0. 82倍，而剪切消能器方案为0.86倍。从位移比较可以看出，结构Y向位移减震率低于X向。

 三种方案中，黏滞消能器方案和防屈曲支撑方案位移减震率接近，优于剪切消能器方案。

 图9比较了结构X向及Y向基底剪力时程曲线，三种方案中X向黏滞消能器方案最大基底剪力为无控结构的0. 40倍，防屈曲支撑方案为0.66倍，而剪切消能器方案为0. 94倍。y向黏滞消能器方案最大基底剪力为无控结构的0. 45倍，防屈曲支撑方案为0.56倍，而剪切消能器方案为0.57倍。与位移减震关系不同，除黏滞消能器方案以外，另外两种方案基底剪力减震率Y向大于X向。

 比较可以看出，三种消能伸臂方案中，黏滞消能器方案基底剪力最小，而剪切消能器方案基底剪力最大，这与位移减震率规律类似。

2.3消能器滞回反应

 滞回反应是消能器在结构中发挥作用程度的判定指标，提取两道伸臂处消能器的滞回反应曲线，比较其耗能状态。

 从图10中的消能器滞回曲线以及结构构件反应可以看出以下规律：1）黏滞消能器方案第一道伸臂（24层）消能器耗能量低于第二道伸臂（39层）；2）防屈曲支撑方案第一道伸臂消能器耗能量大于第二道伸臂；3）剪切消能器方案两道伸臂耗能量接近。

2.4经济性效果分析

 基于三种方案，对经济性进行对比，在对比中仅包括伸臂桁架、消能器的造价，未考虑其他结构构件成本以及后期维护成本。

 从三种方案的经济性对比（表5）可以看出，剪切消能器方案总造价最低，黏滞消能器方案造价最高，防屈曲支撑方案介于两者之间。

3  结论

 基于本文算例的三种不同消能伸臂体系的减震效果分析可以看出：

 (1)三种不同消能伸臂体系均可有效降低结构地震反应。

 (2)基于位移和基底剪力的减震指标，黏滞消能器消能伸臂体系减震效果最佳，但造价最高。

 (3)防屈曲支撑方案综合性价比最高。其减震效果介于黏滞消能器方案和剪切消能器方案之间。

 (4)剪切型消能器方案综合造价最低，但减震效果低于其他两种方案。