减震技术丨30层高层住宅楼剪力墙结构消能减震设计

大量地震实例表明,工程建筑进行抗震设防,所造成灾害的轻重程度是截然不同的。但经过抗震设防和加固的建筑工程也并不能完全有效地防御地震造成的破坏。隔震消能技术为中国在减轻房屋水平地震灾害中提供了一条行之有效的新途径。2014年2月，住房和城乡建设部在全国范围内发布了《关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见（暂行）》，旨在有序推进房屋建筑工程应用减隔震技术，并确保工程质量。

1   工程概况及抗震性能目标

本工程（图1）位于抗震设防烈度为8度的唐山市丰南区，总建筑面积为35万m2，含有12幢高层住宅楼，12幢高层住宅楼的结构体系均为剪力墙结构。

图1  工程实景图

本工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.42s；场地地震影响系数最大值为0.176；结构阻尼比为0.05。

抗震性能目标如下：多遇地震作用下，结构满足抗规的要求；设防地震作用下，结构破坏程度能有一定的减轻，即高于抗规的标准；罕遇地震作用下，结构的抗震性能达到比抗规提高一度的要求。

2   阻尼器选型与计算方法

以28#高层住宅楼为例进行分析，此住宅楼地上30层，地下2层，建筑总高度为95.6m。

2.1计算假定

住宅楼地上部分为独立结构，主体嵌固部位设置在标高正负零处。根据抗规的要求，在判断结构整体动力特性如周期、位移时，对楼板采用强制刚性楼板假定；在进行结构承载力计算时，不采用强制刚性楼板假定。计算采用PMSAP与PERFORM-3D有限元软件进行分析。

2.2地震波选取

设防地震、罕遇地震作用下的动力时程分析所用地震波选取两条实际强震记录地震波和一条人工模拟地震波，其中两条实际强震记录地震波选取三类场地波LWD_90波和namjyeong-2波，人工波根据场地类别和地震分组生成。

2.3阻尼器选型及布置

本工程采用剪切型金属阻尼器，其动力参数、布设位置和数量通过反复试算进行优化调整后确定。基本参数：阻尼器+支撑的第一刚度为1×106kN/m，第二刚度为0；阻尼器屈服力为300kN，额定行程为4cm，最大行程为5cm。阻尼器布置方式示意图见图2。

图2  阻尼器布置方式示意图

通过钢埋件与钢构件将阻尼器一侧连接于结构墙上；阻尼器另一侧通过钢构件、钢支座及钢埋件连接于悬臂的混凝土墙上，此悬臂混凝土墙生根于下一层洞口顶连梁上，悬臂的混凝土墙与主体设宽80mm的缝脱开，以满足阻尼器最大行程。在地震作用下，阻尼器与悬臂的混凝土墙无相对位移，并随相连墙肢发生剪切变形，从而形成整个结构的消能减震机制。

该住宅楼共布置阻尼器120个，其中X向在2~16层布置，每层4个，共60个；Y向在1~15层布置，每层4个，共60个。阻尼器平面布置示意图见图3。

图3  阻尼器平面布置示意图

2.4阻尼器对结构贡献的考虑

2.4.1以支撑形式考虑

多遇地震下，阻尼器处于线弹性工作状态，并不屈服耗能，但具有一定的刚度。在计算中，通过将阻尼器以支撑的形式输入模型来计入阻尼器刚度的影响（图4）。

图4  阻尼器支撑模型

2.4.2附加阻尼比

阻尼器在多遇地震作用下为结构提供附加刚度以减小结构的侧移，在设防、罕遇地震作用下率先于结构屈服从而耗散地震能量。

由两方向推覆得到的等效附加阻尼比结构位移的变化曲线见图5，从图5可以看出，结构屈服后阻尼器提供不小于3.1%的等效附加阻尼比。

图5  等效附加阻尼比-结构位移变化曲线

考虑到阻尼器在X,Y两方向所提供的等效附加阻尼比不同，在进行罕遇地震塑性计算时，对结构采用保守的等效附加阻尼比（3.1%）来代替阻尼器进行计算。

3   计算结果及结果分析

3.1   8 度多遇、设防地震作用下结构响应分析

8度多遇、设防地震作用下X向阻尼器滞回曲线见图6。

图6  多遇地震、设防地震作用下X向阻尼器滞回曲线

结构在8度多遇地震作用下，大部分阻尼器没有进入屈服阶段，且进入屈服阶段的阻尼器的屈服位移也很小，阻尼器的设计内力均未超过其额定阻尼力，说明阻尼器在多遇地震作用下处于弹性工作状态，对结构只贡献其刚度而不附加阻尼比。

8度设防地震作用下，大部分阻尼器进入屈服阶段，阻尼器开始给结构提供附加阻尼比，从而消耗地震能量，但消能减震效果不太明显。

3.2   9度设防地震作用下结构响应分析

9度设防地震作用下计算的结构响应如图7~9所示。可见，减震后阻尼器消耗了一部分地震能量使结构在地震作用下的反应明显降低，阻尼器对结构起到了很好的减震效果。减震后，结构在9度设防地震作用下，能实现“中震可修”的设防要求。

图7  9度设防地震作用下减震前后结构层间位移角对比

图8  某连梁弯矩-转角曲线

3.3  9度罕遇地震作用下结构响应分析

9度罕遇地震作用下阻尼器对结构的减震效果汇总见表1。可见，附加阻尼器后结构在9度罕遇地震作用下层间位移角、楼层侧移、基底剪力、顶点加速度、顶点位移、最大压应变等均有一定程度的降低。结构在9度罕遇地震作用下能满足抗规侧移要求，结合FEMA规范可以判断连梁和剪力墙都可以实现CP状态，即防止倒塌状态，因此该结构可以实现“大震不倒”的设防要求。

9度罕遇地震下阻尼器对结构的减震效果   表1

3.4  阻尼器处构件加强措施

为保证阻尼器在罕遇地震作用下发挥作用，应确保与阻尼器连接的相关构件在罕遇地震作用下保持弹性状态，主要措施包括在连接处的连梁内设置型钢、悬臂的混凝土墙按最大内力加强以及相关墙肢保证弹性配筋等，本工程连梁加强措施如图10所示。

图10   连梁加强措施图

4  罕遇地震作用下阻尼比计算方法分析

在实际位置输入阻尼器相关参数来计算其提供的实际阻尼比。采用PERFORM-3D软件计算，人工波罕遇地震作用下，由等效阻尼、实际阻尼两种计算方法所得到的结构层间位移角、楼层侧移及最大基底剪力对比分别见图11~13。

图11  结构层间位移角对比

图12  结构楼层侧移对比

图13  结构最大基底剪力对比

由图可知，由等效阻尼方法得到的结构在地震作用下的反应比由实际阻尼方法得到的结构在地震作用下的反应小，此方法提供的附加阻尼较大，表明结构按等效阻尼方法计算是比较理想的假定方法。

更多内容详见2015年《建筑结构》第14期文章《高层剪力墙结构消能减震设计》；作者：郝嵘，谢龙宝，李辉，李洪求；作者单位：北京维拓时代建筑设计有限公司。