新型伸臂消能体系的抗震性能研究

方创杰，涂伟荣，卫杰彬，谭 平，张 颖

（广州大学抗震中心，广东 广州 510405）

新型伸臂消能体系的抗震性能研究

方创杰，涂伟荣，卫杰彬，谭 平，张 颖

（广州大学抗震中心，广东 广州 510405）

以天津某实际工程项目为例，对新型伸臂消能结构体系中消能伸臂的数量、位置和黏滞阻尼器参数进行了优化，比较了这一新型消能体系与常规消能减震方案的减震效果。研究表明，相对于常规消能减震方案，新型伸臂消能结构体系可在布置较少数量阻尼器时，仍获得较好的减震效果，其经济性十分明显，可望在实际工程中进一步推广应用。

消能减震；伸臂；振动控制；高层结构

引言

在高层建筑中，伸臂的设置使核心筒和外框筒协同工作，增加了结构的抗侧刚度和整体性，有效减少结构的顶点侧移，因此得到了广泛的使用，而在高层建筑中通过设置减震装置以提高结构抗震性能和舒适度，成为了近年来研究的热点。

新型伸臂消能结构体系的构思和设计方法最早由英国ARUP工程顾问公司的Smith等人提出，即利用高层建筑中核心筒与外框柱的相对竖向变形较大的特点，将伸臂与外框柱之间的连接断开并竖向安装黏滞阻尼器，目前，该种体系已用于菲律宾圣弗朗西斯科两幢210米高的香格里拉塔[1、2]。基于刚性伸臂的假定，对带一道伸臂的该种新型体系，Gamaliel[3]采用频域法对比分析阻尼器与外框柱串联和并联两种连接方式的抗风性能，而陈政清等人[4、5]采用分布质量法对黏滞阻尼系数进行参数化分析，进一步根据Benchmark指标对比分析了黏滞阻尼器和磁流变阻尼器的减震效果。

本文以天津某实际工程项目为例，对新型伸臂消能结构体系中消能伸臂的数量、位置和黏滞阻尼器参数进行了优化，比较了这一新型消能体系与常规消能减震方案的减震效果。研究表明，相对于常规消能减震方案，新型伸臂消能结构体系可在布置较少数量阻尼器时，仍获得较好的减震效果，其经济性十分明显，可望在实际工程中进一步推广应用。

1 工程概况

天津某工程为混凝土框筒结构，结构高度403.25 m，94层，其17、29、40、51-55M、70、81、94层为加强层。抗震设防烈度为7度。采用ETABS建立三维空间有限元模型，如图1所示。

2 消能减震原理

对设置了消能阻尼器的工程结构，其在地震作用下的运动方程可表示如下：

由方程 （1）、 （2）可知，消能减震的原理是通过阻尼器提供阻尼力来减少结构的振动，其减震效果取决于消能器的参数、设置位置与数量。

图1 结构有限元分析模型Fig.1 Structural FEM analysis model

3 新型伸臂消能体系

3.1 消能伸臂的数量和位置

考虑到原结构有7个加强层，通过试算各加强层对结构整体的贡献，确定原结构中保留4个加强层对结构抗震性能已经足够[6]，将另外作用不大的三个加强层断开设计成新型的消能伸臂，将阻尼器竖向安装在加强层的大梁与外框柱之间。这样得到的新型消能结构体系中一部分加强层采用传统的伸臂设计保留其传统的联系外框与核心筒的职能，将另一部分冗余的加强层设计成新型的消能伸臂，从而达到既保证小震或风振下结构所必须的刚度要求，又确保其在强震下的耗能能力。

以输入1条人工波为例，原结构伸臂竖向相对速度包络值如表1所示。综合考虑以下因素：

（1）优先保证抗震性能的原则，原结构可考虑断开29、81、94层伸臂；

（2）从竖向层间速度 （减震效果）来看，29层和55M层相近；

（3）从结构特点来看，第55M结构体型和刚度有较大的变化 （见图1）。

因此，本文在该工程中选择第55M、81、94层设置黏滞阻尼器。

3.2 黏滞阻尼器速度指数优化

本工程选用结构的第55M、81、94层作为消能伸臂位置。为了让阻尼器发挥最大效能，阻尼系数均取C=12 000 kN/m·s-1，阻尼器速度指数按0.3，1.0，2.0三种情况考虑，地震波采用1条人工波，峰值为150 cm/s2，对比分析了层间位移角和顶层加速度的情况，见图2和表2。由图2、表2及公式 （2），可知:

（1）从层间位移角来看，不同速度指数的阻尼器均有一定程度的减震作用，但以速度指数为0.3时效果最好，且体现在结构上部；

（2）从顶层加速度来看，类似的，以速度指数为0.3时综合减震效果最好；

（3）当速度很大时，速度指数为0.3的阻尼器对连接部位施加的力最小，可起到保护结构构件的作用。

综上所述，阻尼器的速度指数为0.3时减震效果最优，故下文阻尼器的速度指数选用它。

3.3 消能减震方案

为了说明新型消能伸臂体系的减震效果，基于同样的阻尼器数量和阻尼器参数，且均集中布置在伸臂层，选择常规消能减震方案 （方案一）和新型伸臂消能体系 （方案二）两种不同减震方案进行比较。

方案一：在结构伸臂层水平布置阻尼器，将黏滞阻尼器水平布置在相应伸臂层的外框柱和核心筒之间，采用剪切连接方式，使阻尼器能充分利用层间变形耗能减震。选择设置阻尼器的伸臂层每层设置16个阻尼器，X、Y方向各8个，同一位置放2个，总共48个阻尼器。

表1 伸臂的竖向层间速度比较Table 1 Comprision of vertical floor velocity of outrigger

图2 层间位移角对比图Fig.2 Comparison of story drift angle

方案二：将结构相应加强层的伸臂与外框柱断开，在伸臂的大梁与外框柱之间垂直布置阻尼器，以从分利用两者的竖向变形差异来耗散地震能量。消能伸臂层每层设置16个阻尼器，X、Y向各8个，同一位置2个，总共48个阻尼器。

阻尼器均采用速度指数为0.3、阻尼系数为6 000 kN/m·s-1的非线性黏滞阻尼器，最大出力为3 000 kN(见表3)。

两种减震方案的对比如表4和图3所示。

3.4 减震效果比较

地震波中震选用天然波CHI-CHI和2条人工波。为节约篇幅，以下仅给出X向结果。由图4～6可知：

（1）从层间位移角来看，三种方案均呈倾斜弓形，两种减震方案均有一定的减震效果，减震效果主要体现在结构上部，中底部基本重合。总体来看，方案二的减震效果较方案一好；

（2）加速度的减震效果比较明显，且类似地，方案二较方案一更为有效；

（3）随着地震强度的增加，减震效果更为明显，这对于保障高层建筑的地震安全性是非常重要的。

4 结语

表2 顶层加速度比较Table 2 Comprisions of acceleration of top floor

本文以天津某工程项目为例，介绍了新型伸臂消能结构体系伸臂位置的选择和黏滞阻尼器的参数优化，基此对比分析了常规消能减震方案和新型伸臂消能结构的两种减震方案的层间位移角和楼层加速度。研究表明，新型伸臂消能结构体系：

（1）对层间位移角的减震效果主要体现在结构上部，这说明该种体系比较适用于以弯曲变形为主的超高层建筑；

（2）相对于层间位移角，顶点加速度的减震幅度较大，这对高层建筑中以舒适度为主要控制目标的有重要的实际意义；

表3 阻尼器参数Talbe 3 Parameters of damper

表4 两种减震方案对比Table 4 Comparisons of two schemes of energy dissipation

（3）随着激励增大，减震作用更为明显，但减少幅度下降。这说明该种体系应基于设定的性能目标谨慎设计，充分利用弯曲变形并防止弯曲变形过大带来的不良影响。

总之，新型伸臂消能结构体系在同样布置少量阻尼器的情况下，仍有较好的减震效果，值得在工程中推广应用。

图3 阻尼器减震方案Fig.3 Schemes of energy dissipation using dampers

图4 层间位移角包络图Fig.4 Envelope diagram of floor displacement angle

图5 楼层加速度包络图Fig.5 Envolope diagram of floor acceleration

图6 人工波1激励下顶点加速度时程图Fig.6 Acceleration of vertex for fired with artificial wave 1

[1]Rob J.Smith，Michael R.Willford.The damped outrigger concept for tall building[J].The Structural Design of Tall and Special Buildings， 2007， 16:501～517.

[2]Samuele Infanti， Jamieson Robinson， Rob Smith.Viscous dampers for high-rise buildings[A].In:The 14th World Conference on Earthquake Engineering[C].Beijing:China，2008.

[3]Renard Gamaliel.Frequency-base response of damped outrigger systems for tall buildings[D].Berkeley:B.S.，Civil and Environmental engineering，2007.

[4]Zheng-qing Chen，Zhi-hao Wang.A novel passive energy dissipation system for frame-core tube structure[A].In:The Seventh Asia-Pacific Conference on Wind Engineering， Taipei:Taiwan， 2009.

[5]Zhihao Wang， Zhengqing Chen， Chia-Ming Chang,Billie F.Spencer， Jr.Controllable outrigger damping system for high rise building with MR dampers[J].Sensors and Smart Structures Technologies for Civil，Mechanical， and Aerospace Systems， 2010， 7647(76473Z-1):1-8.

[6]沈蒲生.带加强层与错层高层结构设计与施工[M].北京：机械工业出版社，2009.

Seismic Performance of a New Damped Outrigger System

FANG Chuangjie， TU Weirong， WEI Jiebin，TAN Ping，ZHANG Ying

(Earthquake Engineering Research and Test Center， Guangzhou University，Guangzhou 510405，China)

In this paper,the number and position of outriggers and parameters of viscous dampers are investigated and optimized for a real high-rise building with novel damped outriggers in Tianjin.The paper compares seismic performance of the new damped outrigger system with that of the traditional energy dissipation system by the numerical simulation.Results show that the new damped outrigger system can greatly improve the seismic performance of high-rise building with a relatively small amount of viscous dampers.Thus,it is worthwhile to popularize and apply the new damped outrigger system in practical civil projects.

Energy dissipation;Outrigger;Structural control;Highrise building

P315.92

A

1001-8662（2011）04-0070-06

2011-11-16

国家基金委重点项目 (90815027)；广州市羊城学者科技计划项目 （10A032D）

方创杰，1982年生，硕生研究生，主要从事结构减震控制.E-mail:13602436123@qq.com.

谭 平，1973年生，男，博导，研究员.E-mail:tanping2000@hotmail.com.