寫在前面
最近業內朋友針對超高層結構在伸臂中採用減震裝置討論得的比較熱，有些人把伸臂減震和懸臂式減震沒有區分的很清楚，也有些人擔心採用之後的剛度問題、剪重比的控制等。烏魯木齊綠地中心是華東院在2014年做的一個減震項目，在三個避難層上，採用懸挑桁架方式，布置了48個黏滯阻尼器。小、中、大震附加阻尼比分別為0.045、0.03和0.02，顯著降低了小震地震力和位移，並滿足中、大震性能要求。經全國超限委員會專家審查，剪重比不作為控制指標。針對該項目，設計團隊專門撰寫了論文，汪大綏大師也曾在國內學術交流會上做過交流分享，今天再次將發表在《建築結構》2017年4月下期的這篇文章分享給大家，供討論和類似項目做參考。
烏魯木齊綠地中心黏滯阻尼器結構設計
作者：陳建興，包聯進，汪大綏
0 引言
烏魯木齊綠地中心（圖1）位於烏魯木齊市水磨溝區國際會展片區，包含超高層雙子塔和3棟百米左右的辦公樓[1]。塔樓平面為帶圓角的正方形（圖2），平面尺寸44.5m×44.5m，地上57層，結構大屋面高度為245m，建築總高度為258m，單塔地上建築面積約為11.35萬m2，地下3層，基礎埋深為20.5m。
圖1建築效果圖（塔樓）
圖2塔樓典型平面布置圖
塔樓結構設計基準期及設計使用年限為50年，結構安全等級為二級。抗震設防烈度為8度（0.20g），安評報告表明項目所處位置附近存在斷層及大震潛源區，設計基本加速度比規範值提高15%，即0.23g。場地類別為Ⅱ類，場地特徵周期為0.4s，抗震設防類別為丙類。建築所處地區決定了其所受地震力較大，採用傳統的設計方法，需增加結構的抗側剛度來確保結構變形符合相應規範要求。但是增大抗側剛度意味著結構所受地震力進一步增加，為此結構設計中創新性地採用了消能減震技術，設置黏滯阻尼器來耗散輸入結構的地震能量，為結構提供附加阻尼，有效減小結構的地震響應，提高其抗震性能。
1 結構體系和消能減震技術
1.1 結構體系結構採用型鋼混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒+黏滯阻尼器結構體系，結構體系構成如圖3所示。型鋼混凝土框架和鋼筋混凝土核心筒組成主體結構的雙重抗側力體系，為結構提供抗側剛度，抵抗水平力。黏滯阻尼器為結構提供附加阻尼，在地震和風荷載作用下率先耗能，減小主體結構承擔的水平力。型鋼混凝土柱和核心筒牆肢為豎向承重構件，將樓面結構傳來的豎向荷載傳遞至基礎。
圖3 結構體系構成圖
型鋼混凝土框架由均勻布置在塔樓周邊16個型鋼混凝土柱和鋼框架梁組成。型鋼混凝土柱截面的正方形，含鋼率約4%~5%，柱截面底部為1.8m×1.8m，沿高度向上逐漸縮小為1.0m×1.0m。鋼框架梁截面主要為H900×400×20×35。核心筒平面呈正方形，平面位置居中，底部尺寸為21m×21m，核心筒外部尺寸沿結構高度保持不變。核心筒外圍牆肢底部厚度為1.2m，向上逐漸減小為0.6m，核心筒內部牆肢底部厚度為0.7m，向上逐漸減小為0.4m。結合建築門洞和機電設備管道進出，核心筒剪力牆上布置洞口，合理控制牆肢長度，形成延性較好的牆肢，牆肢間連梁高度為800mm或1000mm。混凝土強度底部為C60，沿高度逐漸降低為C40，鋼筋等級為HRB400，鋼材採用Q345。
核心筒外樓蓋為鋼梁+壓型鋼板組合樓板，核心筒內樓面採用現澆混凝土梁板體系。典型樓層樓板厚度為120mm，設備層樓板厚度為150mm。
1.2 消能減震技術1.2.1 消能減震技術選擇
消能減震技術是在結構中設置非結構構件的耗能元件（阻尼器），結構振動使阻尼器被動地往復相對變形或者產生往復運動的相對速度，從而耗散結構的振動能量，減輕結構的動力反應，以保護主體結構的安全。在超高層建築中，結構的固有阻尼比相對較小且不確定，由建築本身消耗的能量比較有限，因此採用消能減震技術可為結構提供有效和較大的附加阻尼比。常用消能減震技術包括金屬阻尼器、黏滯阻尼器和質量阻尼系統如TMD和TLD。黏滯阻尼器可在小變形下開始耗能，具有較強的耗能能力，同時僅為結構提供附加阻尼，不提供附加剛度，因此在超高層建築中具有良好的適用性。
黏滯阻尼器的阻尼力F與活塞運動速度V之間具有下列關係：
F=CVα
式中：C為阻尼係數，與油缸直徑、活塞直徑、導杆直徑和流體黏度等因素有關；α為速度指數，它與阻尼器內部的構造有關，不同的產品具有不同的取值。
依據速度指數α的取值，可將黏滯阻尼器分為三類：線性黏滯阻尼器（α＝1）、非線性黏滯阻尼器（0<α<1）和超線性黏滯阻尼器（α>1）。
1.2.2 黏滯阻尼器布置
黏滯阻尼器布置於3個設備層（28，37，48層）上，減小對建築使用功能的影響。阻尼器採用懸臂式布置，即在核心筒上設置懸挑桁架，在巨型柱與桁架端部之間設置豎向放置的黏滯阻尼器（圖4）。在地震（風）作用下，懸挑桁架端部的豎向變形（即阻尼器兩端相對變形uD）為層間位移（Δ）的2.3倍（圖4（b）），說明懸臂式布置可放大阻尼器兩端的變形，提高耗能效率。
圖4 黏滯阻尼器平面布置和立面布置
每個懸挑桁架處設置2個阻尼器，單個塔樓共48個阻尼器。設計中將懸挑桁架與樓板脫開，相當於樓板在懸挑桁架處設縫（圖5），防止懸挑桁架處的樓板局部變形過大而開裂或破壞。懸挑桁架端部設置限位裝置，為懸挑桁架提供平面外約束，提高懸挑桁架的整體穩定性。
圖5 懸挑桁架與樓板脫開構造
1.2.3 黏滯阻尼器參數
黏滯阻尼器的阻尼力與阻尼係數呈線性變化，阻尼係數越高，耗能越多，但造價也越高。速度指數越小，地震響應減小越多，耗能越顯著，但過小的速度指數，產品的性能不夠穩定[3]。綜合阻尼器的參數與耗能關係、產品特點以及經濟性，本項目黏滯阻尼器的產品參數詳見表1。
阻尼器參數 表1
1.3 主體結構抗震性能目標結合抗震概念設計中的「強柱弱梁」、「強剪弱彎」和框架柱「二道防線」的基本理念，對不同的構件採取不同的抗震性能目標，提高重要部位和關鍵構件的抗震等級[4]：與阻尼器相連的懸挑桁架、核心筒、框架柱為大震不屈服；核心筒牆肢滿足正截面中震不屈服，大震抗剪截麵條件，底部加強區抗剪彈性，其他部位抗剪不屈服；框架柱為中震不屈服；核心筒連梁和框架梁為小震彈性，中震允許進入屈服。
1.4 黏滯阻尼器耗能目標項目設置黏滯阻尼器的目的是有效減小結構承擔的地震作用，對結構剛度的要求降低，結構可以設計的更柔一些，同時提高中、大震下主體結構的抗震性能。為此，在結構設計中，小震下結構的變形驗算和中、大震下結構抗震性能驗算考慮黏滯阻尼器的作用，而小震下構件承載力校核不考慮黏滯阻尼器的減震作用，從而提高主體結構的安全度[3]。
2 整體結構分析2.1 計算模型塔樓彈性分析使用ETABS進行，同時使用MIDAS建立模型來檢驗分析結果。黏滯阻尼器採用MAXWELL單元模擬。由於黏滯阻尼器的速度相關性，計算中對地震作用除了採用彈性反應譜和線型時程分析方法外，主要採用非線性時程分析方法。選取符合規範[5]要求的時程波進行計算，時程波小震為7組，含5組天然波和2組人工波，大震從7組地震波中選擇採用3組響應較大的時程波（2組天然波和1組人工波）。
2.2 整體結構指標模型經ETABS計算分析後得到整體結構指標，同時將MIDAS分析的結果列出進行對比，主要結果見表2。由計算結果可見，扭轉周期比小於0.85，層間位移角小於1/510，均滿足規範[5]限值要求。ETABS和MIDAS兩種軟體計算結果也較為吻合。
整體結構指標 表2
在大震作用下，採用LS-DYNA進行結構的彈塑性時程分析。結構X、Y兩個主方向的最大剪重比分別為10.6%和10.4%，彈塑性基底剪力相比彈性結果有較明顯的降低。塔樓在兩個方向的平均層間位移角分別為1/121和1/122，最大層間位移角分別為1/107和1/106，基本滿規範1/100的限值要求。
塔樓核心筒總體處於彈性狀態，僅局部區域出現輕微的塑性變形，混凝土未出現明顯不利的受壓狀態，核心筒連梁普遍出現明顯的塑性鉸，且塑性程度較高，基本滿足「生命安全LS」的性能水平。外框柱總體處於彈性，個別角柱出現一定程度的塑性變形，外框梁總體處於彈性，僅與阻尼伸臂相鄰的若干樓層處出現較輕的塑性鉸。與阻尼器相連的懸挑桁架始終處於彈性範圍。上述分析結果說明，大震下塔樓各主要構件的性能均滿足預定抗震性能目標的要求。
3 耗能減震效果3.1 地震下耗能減震效果小震作用下，是否設置黏滯阻尼器，結構的樓層剪力和層間位移角對比如圖6所示，設置阻尼器後結構響應減小約20%~30%。表3為不同地震水平作用下，是否設置阻尼器的結構基底剪力、基底傾覆力矩和層間位移角對比，可知設置阻尼器後，不同水準地震作用下樓層剪力，傾覆力矩和層間位移角均有明顯減小。由於本工程黏滯阻尼器為非線性阻尼器，小變形下的耗能效果更為顯著，因此小震作用下結構響應減少幅度較大，中震和大震作用下減小幅度依次降低。
圖6 小震下阻尼器的減震效果
地震下減震效果 表3
3.2 附加阻尼比根據阻尼器耗能與模態阻尼（即固有阻尼，小震、中震、大震時，阻尼比分別取0.04，0.04，0.05）耗能的比值可估算阻尼器提供的附加阻尼比，該方法簡稱能量對比法。根據能量對比法得到小震、中震、大震相應的附加阻尼比分別為4.6%，2.8%，1.9%（表4）。在不同的地震作用下，阻尼器均能發揮作用，並為結構提供比較大的附加阻尼。由於採用的阻尼器為非線性阻尼器，在小變形下阻尼器耗能效率更高，附加阻尼比更大，隨著地震作用加大，與外部輸入能量相比，阻尼器耗散能量雖然也同步增加，但增加幅度更小，相對耗能效率逐漸降低。
附加阻尼比計算 表4
4 抗震方案與減震方案對比4.1 抗震結構方案抗震方案採用型鋼混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒+伸臂桁架+環帶桁架（12，28，37，48層）結構體系，結構體系構成見圖7。與減震方案相比，抗震方案的抗側力體系中增加了伸臂桁架，協調核心筒與外框的變形，提高整體結構剛度。考慮到結構尺寸對建築使用空間和淨高的影響，抗震方案的構件截面外形尺寸與減震方案相同，即核心筒牆肢厚度、框架柱截面尺寸、框架梁截面高度等與減震方案相同。
圖7 抗震方案結構體系構成
4.2 整體結構指標對比整體結構指標對比見表5，可知兩種方案均能滿足規範[5]要求。減震方案周期明顯大於抗震方案，為抗震方案的1.19倍。兩個方案的質量基本相同，說明抗震方案的結構抗側剛度約為減震方案的1.4倍。小震作用下抗震方案基底剪力約為減震方案的1.5倍。從層間位移角來看，雖然抗震方案設置多道懸挑桁架提高結構剛度，但同時也增加了其承擔的地震剪力，層間位移角仍較大。由此可見，抗震方案對結構抗側剛度的要求導致地震荷載的進一步增加。由於主要抗側力構件截面尺寸基本一致，兩種方案的總質量基本相同。
整體結構指標對比 表5
4.3 結構抗震性能對比由於結構自身周期較長、且存在黏滯阻尼器耗能，減震方案的主體結構承擔的地震作用大大降低，結構變形減小，地震作用下主體結構內力明顯減小。對減震方案，中震作用下剪力牆的牆肢拉應力為1.8ftk（ftk為混凝土抗拉強度標準值），明顯小於抗震方案的2.7ftk，減震方案的框架柱不出現拉力，而抗震方案的框架柱均出現拉力，最大拉力達13111kN。因此減震方案中豎向構件抗震性能得到明顯提高，進而大震作用之後結構修復範圍和程度減小，建築震後修復代價更低。
此外，抗震方案設置伸臂桁架，在伸臂桁架層形成加強層，存在剛度突變，伸臂桁架下部樓層形成薄弱層。而減震方案沒有伸臂桁架，不存在剛度突變和薄弱層。總體上，減震結構抗震性能優於抗震方案。
4.4 結構經濟性對比減震方案主體結構構件的內力小於抗震方案，因此構件中的鋼筋和型鋼用量明顯減少（表6），鋼筋用量減少約500t，鋼材用量減少約1500t。雖然多出48個黏滯阻尼器的費用，但綜合比較，整體結構的經濟性仍優於抗震方案。減震方案主要豎向構件鋼骨含量及鋼筋含量有所降低，方便施工，而且取消懸挑桁架還可以縮短施工周期，結構綜合經濟性更好。
不同方案材料用量對比/t 表6
5 結論（1）設置黏滯阻尼器後，結構各項指標均能滿足規範要求，抗震性能滿足預定性能目標。
（2）設置黏滯阻尼器後，在小震、中震、大震作用下，結構響應明顯減小，可以為結構提供附加阻尼比分別為4.6%，2.8%和1.9%，減震效果明顯。
（3）由於黏滯阻尼器為非線性阻尼器，隨著地震作用加大，與外部輸入能量相比，阻尼器耗散能量雖然也同步增加，但增加幅度更小，相對耗能效率逐漸降低。
（4）從整體結構指標，抗震性能目標及結構經濟性三方面對比抗震方案與減震方案，減震方案結構剛度較小，由於存在阻尼器耗能作用，能有效減小地震作用，提高結構抗震性能，具有更好的經濟性。
參考文獻
[1] 烏魯木齊綠地中心三期項目抗震超限設計專家審查報告[R]. 上海：華東建築設計研究總院，2014.
[2] 周雲. 金屬耗能減震結構設計[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，2006.
[3] 陳建興. 超高層建築耗能減震技術研究與應用[R].上海：華東建築設計研究總院，2014.
[4] 建築消能減震技術規程：JGJ 297—2013 [S]. 北京，中國建築工業出版社，2013.
[5] 高層建築混凝土結構設計技術規程：JGJ 3—2010 [S]. 北京：中國建築工業出版社，2011.
補充兩點資料
1、「伸臂」減震的幾種形式
傳統伸臂的主要作用是增加結構的剛度，但客觀上給結構帶來豎向剛度突變，而突變是對抗震極為不利的。通過在伸臂中（或伸臂與框架之間）布置減震裝置，適當降低伸臂帶來的剛度突變，增加耗能，在剛度和耗能之間找到新的平衡，實現最終提高整體抗震性能的目的。而不同的減震形式，對於剛度的調節和提供的耗能效果也是不同的，常見的有以下幾種形式：
超高層結構中幾種與伸臂相關的減震形式
在以上幾種減震形式中，金屬減震器和粘滯阻尼器之間也存在博弈，前者可以在小震下提供比較好的剛度，但耗能較差，中大震下發揮較好的耗能效果；粘滯阻尼器則一般是小震小耗能效果較好，中、大震下較差，因此就有混合減震的模式，聯合採用兩種減震裝置，小震下主要靠粘滯阻尼器耗能，中大震則主要依靠金屬阻尼器。三種應用方式本身並不存在絕對的優劣，一個方面需要結合結構自身的剛度和耗能需求確定減震方案，另一方面在確定減震方案後，按照這種方式去設計整個結構才能實現最合適。
2、「減震效果」和「減震方案」的兩種對比論證標準模式
採用減震技術後，在設計階段需要對「減震效果」和「減震方案」進行雙重論證，二者不可或缺，一般通過對比分析進行，但這是兩個不同的過程，需要有明確的區分。以下為筆者的理解：
「減震效果」論證——
設置減震裝置以後，通過對比分析，論證減震裝置發揮作用的情況，包括實際剛度、耗能效果的發揮情況，通常分為小震下的對比、中大震下的對比和風荷載作用下的對比，對比的基礎為去掉減震裝置的模型在同等工況下的結果，主要對比參數一般分為：地震力、樓層位移、層間位移角、附加阻尼比、風荷載下的舒適度等。去掉減震裝置的模型和原始模型可能有一定差別，主要為由於設置減震裝置對局部構件的一些調整。
「減震方案」論證——
通過對比分析，論證擬採用的減震方案的優劣，對比的基準並非直接去掉減震裝置的模型，而是經過設計滿足相關要求的非減震方案或者其它減震方案，對比的工況也分為不同水準下地震與風，參數主要包括結構的整體指標、抗震性能和經濟性等。
前文的論證過程正是基於這兩種標準模式。