上海世茂國(guó)際廣場(chǎng)裙房廣場(chǎng)黏滯阻尼器連接減振方法的非線性時(shí)程分析

女性結(jié)構(gòu)工程中的地震反應(yīng)由于建筑效果和使用功能的要求，主樓汗流結(jié)構(gòu)是中國(guó)現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式之一。裙房與主樓在建筑高度、結(jié)構(gòu)形式、平面布置等特征上差別迥異,各自在地震作用下的變形特點(diǎn)也截然不同。如何合理利用它們各自的結(jié)構(gòu)特征和變形特點(diǎn),有效控制結(jié)構(gòu)整體的地震作用反應(yīng),是一個(gè)復(fù)雜而又有實(shí)際意義的研究課題。本文針對(duì)上海世茂國(guó)際廣場(chǎng)裙房扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著致使層間位移過(guò)大這一問(wèn)題,分析研究在主樓和裙房之間采用黏滯阻尼器連接這一耗能減振方法的有效性和可行性。文中對(duì)采用這一被動(dòng)控制方式前后的整體結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了非線性時(shí)程模擬計(jì)算,比較裙房和主樓的位移反應(yīng)、層間剪力等指標(biāo)的前后變化,來(lái)具體衡量該方法的減振效果,同時(shí)分析了阻尼器的滯回性能來(lái)評(píng)定耗能性能。1重組結(jié)構(gòu)的變形上海世茂國(guó)際廣場(chǎng)是一幢超高層綜合性大廈,位于上海市市中心的南京路步行街,集豪華賓館、餐飲、娛樂(lè)、會(huì)議、商業(yè)為一體。整個(gè)建筑由塔樓、裙房和廣場(chǎng)三部分組成:主塔樓為一巨型鋼骨柱框架-內(nèi)鋼骨筒體結(jié)構(gòu)體系的超高層建筑,共有60層,結(jié)構(gòu)屋面標(biāo)高達(dá)到246.560m;裙房為10層的框架-剪力墻結(jié)構(gòu),廣場(chǎng)則在一至六層懸空,僅有12根鋼管混凝土柱由底直伸到八層樓面,在七層、八層樓面和屋頂與裙房樓板形成整體。因此廣場(chǎng)部分剛度相對(duì)較差,廣場(chǎng)和裙房連成整體后結(jié)構(gòu)整體剛度中心和質(zhì)量中心偏心較大,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。采用SATWE計(jì)算的裙房和廣場(chǎng)部分模態(tài)結(jié)果表明,裙房和廣場(chǎng)部分第一階振型即為扭轉(zhuǎn),高階振型中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也占有相當(dāng)大的比重。振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果表明,由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著,在小震作用下裙房的四至六層X(jué)向和Y向?qū)娱g位移角均高于規(guī)范規(guī)定的1/550限值要求,最大層間位移角達(dá)到1/470。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件因變形過(guò)大發(fā)生破壞的同時(shí),相鄰建筑在大震作用下因相對(duì)變形過(guò)大產(chǎn)生的撞擊破壞還將帶來(lái)重大的安全隱患。因此必須采取措施來(lái)控制裙房和廣場(chǎng)由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)大變形。2采用減振單元的熱壓如何防止相鄰建筑之間發(fā)生相互撞擊已引起眾多學(xué)者的關(guān)注,并開(kāi)展了大量研究。Anagnostopoulos分析了兩相鄰單自由度建筑在地震作用下的撞擊情況,提出在撞擊處安裝黏彈性阻尼器的建議。Westermo建議采用鉸接連接桿在相鄰建筑的樓層處連接,世茂國(guó)際廣場(chǎng)原設(shè)計(jì)方案中采用的正是這一方案。其思路原理是借助強(qiáng)度和剛度相對(duì)大得多的主樓來(lái)協(xié)調(diào)裙房過(guò)大的變形,并防止它們發(fā)生碰撞。世茂國(guó)際廣場(chǎng)的模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明,裙房與主樓之間采用剛性桿連接,在小震下能起到控制裙房變形的作用,但在中震和大震情況下連接的剛性桿就全部斷裂,失去功效,其主要原因是剛性桿的變形率太大導(dǎo)致桿件斷裂。如果要保證在大震作用下連桿能正常工作,只能將連接桿做成非常剛性和強(qiáng)度很大的桿件,足以協(xié)調(diào)傳遞主樓與裙房不同振動(dòng)形態(tài)而導(dǎo)致的巨大地震慣性力,比如把主樓與裙房用剛性樓板連成一體就是一個(gè)傳統(tǒng)和通常的作法。但是,這種處理方法的弊端就是導(dǎo)致主樓在底部的幾層出現(xiàn)質(zhì)心與剛心偏離較大,同時(shí)整個(gè)建筑的質(zhì)心、剛心沿高度方向也將出現(xiàn)較嚴(yán)重的偏離,很可能致使整個(gè)建筑的第一振型將是以扭轉(zhuǎn)為主的振動(dòng),這是一種工程上極不希望出現(xiàn)的情形。除了這些較為消極的避免碰撞方案之外,更為積極的辦法是采用減振單元降低相鄰建筑的動(dòng)力響應(yīng),如在復(fù)雜相鄰建筑之間設(shè)置被動(dòng)阻尼器、半主動(dòng)阻尼器和主動(dòng)阻尼器等,提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。美國(guó)Klein1972年首先提出了連接相鄰建筑來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力的構(gòu)想,日本Kunieda1976年提出耦連多個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的方法,從此大量關(guān)于通過(guò)耦連相鄰建筑來(lái)降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究相繼展開(kāi),包括有采用被動(dòng)控制技術(shù)的數(shù)值計(jì)算和理論分析,半主動(dòng)控制技術(shù),以及一些驗(yàn)證控制效果的試驗(yàn)研究。這些已有研究成果表明,在相鄰建筑的合理位置采用阻尼器連接能顯著降低結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振動(dòng)力響應(yīng)。已有資料表明采用該原理的首次實(shí)際工程使用在日本的Kajima智能建筑大廈。另外Asano在文獻(xiàn)中介紹了日本東京TritonSquare辦公大樓采用主動(dòng)連接方式的應(yīng)用情況。根據(jù)前人研究成果,結(jié)合世茂國(guó)際廣場(chǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用的減振方法是在主樓和裙房(廣場(chǎng))之間設(shè)置黏滯阻尼器。阻尼器布置位置和數(shù)量是采用SAP2000建立簡(jiǎn)化分析模型進(jìn)行了一系列方案優(yōu)化分析后取定的,最終采取的方案是分別在七層、八層、九層以及十層裙房和廣場(chǎng)與主樓連接處布置相應(yīng)的黏滯阻尼器,每層10個(gè),X向和Y向各5個(gè),累計(jì)共40個(gè),具體布置如圖1所示。為深入具體研究該方案在各種工況下的減振效果,本文采用程序CANNY開(kāi)展了一系列的非線性時(shí)程反應(yīng)分析,來(lái)綜合評(píng)定該減振方案在不同方向、不同烈度地震作用下的有效性。3計(jì)算模型的構(gòu)建3.1計(jì)算結(jié)果和分析采用CANNY的數(shù)據(jù)文件建模系統(tǒng)建立包含有主樓、裙房和廣場(chǎng)的空間桿系-層計(jì)算模型。為了控制計(jì)算規(guī)模,忽略了突出屋面的電梯井部分,裙房只考慮結(jié)構(gòu)主體10層,主樓考慮主體60層和屋頂桅桿部分,忽略了主要起傳遞荷載作用的次梁構(gòu)件,剪力墻部分進(jìn)行相應(yīng)的合并和簡(jiǎn)化,以降低計(jì)算單元數(shù)量和自由度。最終的計(jì)算模型包含有3548個(gè)梁?jiǎn)卧?2798個(gè)柱單元,1121個(gè)墻單元,144個(gè)桁架單元,40個(gè)阻尼單元,合計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)2917個(gè),計(jì)算樓層75個(gè),計(jì)算自由度14801個(gè),計(jì)算模型立面圖如圖2所示。樓板采用剛性樓板假定,主要豎向抗側(cè)力構(gòu)件的初始內(nèi)力值、樓層重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)采用SATWE在只考慮恒載和活載作用時(shí)的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。3.2阻尼器力學(xué)參數(shù)的選取梁?jiǎn)卧⒅鶈卧图袅卧捎没诓牧蠎?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的端部纖維模型,所采用的混凝土和鋼筋材料應(yīng)力-應(yīng)變模型如圖3和圖4所示。CANNY程序的端部纖維模型可以根據(jù)圖3和圖4所示的材料性能曲線,結(jié)合構(gòu)件尺寸自動(dòng)生成各構(gòu)件的雙向彎曲-曲率關(guān)系,并能同時(shí)考慮軸力與彎曲的耦合效應(yīng)。由于加強(qiáng)層樓層剛度較大,處于加強(qiáng)層位置的桁架單元變形均處于彈性階段,因此分析計(jì)算時(shí)采用線彈性模型模擬。阻尼器選用與速度相關(guān)型黏滯阻尼器,具體產(chǎn)品選用上海材料研究所研制的黏滯阻尼器,研究表明該產(chǎn)品具有相當(dāng)好的耗能性能。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也表明,該種阻尼器有150kN/mm的初始剛度,需綜合考慮該初始剛度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響程度。采用SAP2000程序建模采用考慮該初始剛度的Maxwell模型進(jìn)行模態(tài)分析對(duì)比,如表1所示,結(jié)果表明阻尼器的初始剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)前三階振型自振周期影響不大,對(duì)高階振型有一定的影響,因此在進(jìn)行時(shí)程分析可以忽略該初始剛度的影響。采用CANNY程序進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)黏滯阻尼器采用簡(jiǎn)化公式來(lái)描述其性能:式中:Fd為阻尼力,kN;Cv為阻尼常數(shù),kN/(mm/s)α;V為阻尼器活塞相對(duì)阻尼器外殼的運(yùn)動(dòng)速度,mm/s;α為常數(shù),通常取0.1~1.0。針對(duì)上海世茂國(guó)際廣場(chǎng)的實(shí)際特點(diǎn),阻尼器力學(xué)參數(shù)Cv和α的選取需要考慮以下兩個(gè)因素:(1)在小震作用階段,阻尼器能發(fā)揮一定的減振耗能功能;(2)在大震作用階段,阻尼器不僅能發(fā)揮耗能功能,而且應(yīng)保證阻尼力不能太大,以免超出阻尼器連接部位承載能力而導(dǎo)致拉連接部位斷失去功效。綜合考慮取用α=0.15,Cv=250,這樣使得阻尼器在小震和大震作用下的阻尼力約在300~600kN之間變化。4主樓阻尼器結(jié)構(gòu)為了考察阻尼器對(duì)裙房減振效果的程度,從裙房層間位移角、頂點(diǎn)位移和層間剪力等指標(biāo)加以對(duì)比,同時(shí)也比較了主樓層間位移加阻尼器前后的變化,來(lái)權(quán)衡增加黏滯阻尼器對(duì)主樓的影響。另外對(duì)阻尼器在各級(jí)地震作用下的工作參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析,判斷其是否在初始設(shè)定范圍內(nèi)正常工作?？疾鞎r(shí)對(duì)以下兩種狀態(tài)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析:狀態(tài)1:主樓與裙房和廣場(chǎng)之間不設(shè)置任何連接;狀態(tài)2:主樓與裙房和廣場(chǎng)之間在七至十層共設(shè)置40個(gè)阻尼器。4.1u3000模態(tài)分析為驗(yàn)證CANNY建立計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,分別利用CANNY和SAP2000對(duì)裙房(廣場(chǎng))進(jìn)行模態(tài)分析,對(duì)比計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明,CANNY程序與SAP2000程序的模態(tài)分析結(jié)果較為接近,CANNY程序能較好地模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,能開(kāi)展后續(xù)的非線性時(shí)程分析。4.2u3000x向地震作用分別沿X方向、Y方向輸入不同加速度幅值的上海人工波SHW1,進(jìn)行地震反應(yīng)模擬分析。依據(jù)規(guī)范要求,小震時(shí)輸入地震波加速度峰值取用35gal,大震時(shí)取用200gal,計(jì)算所采用的SHW1的功率譜密度函數(shù)如圖5所示。(1)小震作用下裙房(廣場(chǎng))減振效果小震作用下兩種狀態(tài)下裙房(廣場(chǎng))的最大層間位移角計(jì)算結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明,不設(shè)置阻尼器時(shí),小震作用下裙房(廣場(chǎng))變形相當(dāng)顯著,X向地震作用下X向最大層間位移角達(dá)到1/446,Y向地震作用下Y向?qū)娱g位移角最大值達(dá)到了1/402,均超出了規(guī)范限值要求。同時(shí)在X向地震作用下,裙房(廣場(chǎng))Y向變形也相當(dāng)明顯,控制點(diǎn)A在二層、三層和四層的層間位移角都超出了規(guī)范限值,主要是由于裙房和廣場(chǎng)的平面布置方式和剛度與質(zhì)量的不協(xié)調(diào),致使裙房與廣場(chǎng)部分連成整體后在Y向有較大的偏心,因此X向地震作用導(dǎo)致裙房和廣場(chǎng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),Y向變形相當(dāng)突出。設(shè)置阻尼器后,裙房(廣場(chǎng))兩方向的位移變形均能得到有效降低,未設(shè)置阻尼器時(shí)層間位移角高于規(guī)范要求的所有樓層變形得到有效改善,均低于規(guī)范要求限值。相對(duì)較弱的廣場(chǎng)X向樓層位移大幅降低,七層C點(diǎn)X向最大層間位移角由1/446降低到1/1153,裙房Y向最大層間位移角由1/408降低為1/1056。圖6給出了在X向地震作用下十層C點(diǎn)X向位移時(shí)程曲線的對(duì)比,表明設(shè)置阻尼器后位移變形控制效果顯著。(2)大震作用下裙房(廣場(chǎng))減振效果表4列出了裙房(廣場(chǎng))各樓層控制點(diǎn)在大震作用下兩種狀態(tài)的最大層間位移角對(duì)比。計(jì)算結(jié)果反映出的規(guī)律與小震作用下所反映的規(guī)律相似:在X向大震作用下,裙房和廣場(chǎng)不僅X向位移反應(yīng)強(qiáng)烈,而且由于扭轉(zhuǎn)造成裙房和廣場(chǎng)在Y向位移變形同樣表現(xiàn)相當(dāng)顯著。另外裙房(廣場(chǎng))在Y向剛度存在不足,不設(shè)置阻尼器情況下裙房在二至三層的Y向?qū)娱g位移角均超過(guò)1/50,最大值達(dá)到了1/46。設(shè)置阻尼器后,不僅能有效控制降低X向地震作用下裙房(廣場(chǎng))的X向變形,而且能有效地降低扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的Y向變形。在設(shè)置阻尼器后Y向大震作用下裙房和廣場(chǎng)的位移變形控制效果也相當(dāng)顯著,原來(lái)層間位移角高于規(guī)范要求的所有樓層大為改善,均低于規(guī)范要求限值,原最大層間位移角由1/46降低到1/142,低于規(guī)范限值1/80。圖7給出了X向大震作用下十層C點(diǎn)的X向位移時(shí)程曲線對(duì)比,表明減振效果相當(dāng)顯著。(3)裙房(廣場(chǎng))層間剪力變化小震作用和大震作用下,裙房(廣場(chǎng))的層間剪力在增加黏滯阻尼器前后的對(duì)比結(jié)果如表5和表6所示。分析計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論是在小震還是大震作用下,設(shè)置阻尼器后裙房(廣場(chǎng))在地震波激勵(lì)方向?qū)娱g剪力有一定程度降低,而在非激勵(lì)方向?qū)娱g剪力卻顯著增加。在X向小震作用時(shí)X向基底剪力峰值由18388.4kN減少到16684.9kN,降幅為9.3%,Y向小震作用時(shí)Y向基底剪力峰值由20175.5kN降低到13088.5kN,降幅達(dá)到35.1%,與此同時(shí),X向小震作用時(shí)Y向基底剪力峰值和Y向地震作用時(shí)X向基底剪力峰值則相應(yīng)地有一定程度增加。這一規(guī)律同樣體現(xiàn)在大震作用下層間剪力變化中。這一規(guī)律表明,設(shè)置黏滯阻尼器后能有效降低地震主激勵(lì)方向的層間剪力,有效降低該方向的地震作用效應(yīng)。雖然設(shè)置阻尼器會(huì)導(dǎo)致另一方向的層間剪力有一定程度的增加,但只是在一低位水準(zhǔn)的增長(zhǎng),不會(huì)對(duì)該方向造成實(shí)質(zhì)性的影響。因此,對(duì)結(jié)構(gòu)整體而言設(shè)置阻尼器能有效降低地震作用時(shí)主要破壞方向的層間剪力,減少地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)整體的破壞。4.3x—對(duì)主樓的影響設(shè)置阻尼器是否會(huì)對(duì)主樓產(chǎn)生消極的影響以及具體影響程度,也是評(píng)定該方案效果好壞的重要因素之一。將各計(jì)算工況中主樓D點(diǎn)(見(jiàn)圖1)的層間位移角作為衡量指標(biāo)進(jìn)行比較,結(jié)果如圖8所示。小震作用下,設(shè)置阻尼器后X向地震作用下X向的層間位移角變小,而Y向地震作用的Y向?qū)娱g位移卻稍有增加;大震作用下,設(shè)置阻尼器后X向地震作用X向?qū)娱g位移角和Y向地震作用的Y向位移角均減小。所以設(shè)置阻尼器后主樓的層間變形是朝變小的有利趨勢(shì)發(fā)展,雖有個(gè)別計(jì)算工況層間位移角增加,但是在規(guī)范限值允許范圍內(nèi)的微小變化,設(shè)置阻尼器對(duì)主樓的不利影響可忽略不計(jì)。4.4大震作用下阻尼器各工藝參數(shù)的工作狀態(tài)表7給出了十層樓面各阻尼器在小震和大震作用下阻尼力峰值、相對(duì)速度峰值和相對(duì)位移峰值。在小震作用下,各阻尼器提供的阻尼力峰值在299.6~425.9kN之間,相對(duì)速度峰值在3.34~34.85mm/s之間,相對(duì)位移在0.80~12.73mm之間,各阻尼器的工作參數(shù)均未超出原設(shè)定范圍,處于一個(gè)低位正常工作狀態(tài)。圖9給出了十層D6阻尼器在小震作用下的阻尼力和相對(duì)位移的滯回曲線,已初步形成耗能滯回環(huán),達(dá)到小震階段初步減振設(shè)想要求。大震作用下各阻尼器的阻尼力峰值在418.2~576.4kN,相對(duì)速度峰值在87.26~262.4mm/s之間,相對(duì)位移在10.4~126.2mm之間。從這些結(jié)果可以看出在大震作用下,各阻尼器的各工作參數(shù)均未超出原設(shè)定范圍,仍處于一個(gè)正常工作狀態(tài)。圖10給出了十層D10阻尼器在大震作用下的阻尼力和相對(duì)位移的滯回曲線,形成了多級(jí)完整滯回環(huán),且滯回環(huán)充分飽滿,說(shuō)明阻尼器耗能效果顯著,達(dá)到了大震階段的減振設(shè)計(jì)要求。5設(shè)置阻