铅芯橡胶隔震支座与黏滞阻尼器在某高位连体结构中的应用研究

杜 鹏, 牛四欣, 王传芳, 蒋世林, 高 斌, 赵倩倩

(同圆设计集团股份有限公司，济南 250100)

1 工程概况

项目位于山东省济南市历城区北园大街以南,二环东路以西,由A、B、C三栋高层商务办公楼及大底盘商业裙房组成。

整个项目地下室连为整体,地面以上大底盘裙房通过防震缝将整个项目分为四个独立部分。A塔楼为框架-剪力墙结构,地上24层,结构总高度80.40m。B塔楼为框架-剪力墙结构,地上29层,裙房4层,结构总高度96.50m。C塔楼为框架-剪力墙结构,地上30层,1～4层南侧与裙房整体相连,西侧设防震缝与D裙房及B塔楼脱开,结构总高度113.50m。建筑效果图如图1所示。

图1 建筑效果图

B、C塔楼之间设有一组3层空中高位连廊,高位连廊结构高度位于65.290～74.740m之间。连廊两端分别与B、C塔楼型钢混凝土柱上挑出的型钢混凝土牛腿相接。高位连廊采用柔性连接方式与B、C塔楼相连。连体结构模型见图2。

图2 连体结构模型

项目工程抗震设防类别为标准设防类,设防烈度为7度(0.1g),场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第三组,基本风压wo=0.45kN/m2,地面粗糙类别为B类,考虑干扰系数后风荷载体型系数取2.0[1-3]。

2 连体结构体系分析

2.1 高位连廊结构布置及支撑体系布置

B、C塔楼及高位连廊平面关系如图3所示,高位连廊通过12个铅芯橡胶隔震支座和8个双向黏滞阻尼器与B、C塔楼柔性连接。高位连廊结构形式为三层钢桁架,一层下挂,为增加结构稳定性及整体性,增设平面支撑斜杆。高位连廊层数为3层,层高为3.15m,总高度为9.45m,宽度方向最大尺寸为6.0m,一侧最大悬挑2.2m,用于实现弧面造型;跨度方向最大为32.404m,最小为24.528m。高位连廊钢构件截面尺寸见表1。高位连廊钢桁架立面布置图如图4所示。

表1 高位连廊钢构件截面形式及尺寸

图3 高位连廊与塔楼平面关系图

图4 高位连廊钢桁架立面示意图(图中未注明斜腹杆均为XFG1)

2.2 高位连廊与塔楼连接方案

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[2]规定:连接体结构与主体结构的连接形式有刚接连接和滑动连接两种方式。

经查阅文献[4-6]和初步计算分析,当高位连廊和主塔楼采用刚性连接时,对结构整体受力较为有利,主塔楼的动力特性发生了较大的变化,但高位连廊在协调两侧结构变形的同时,会造成塔楼同连廊的连接处受力过大,会在连接部位以下楼层出现薄弱层,结构设计难度及造价均有提升[7-9],此外,在温度作用下,高位连廊和两侧主楼之间的相互影响增大,受力大大增加,构造处理往往存在困难[10-11];当采用滑动连接时,高位连廊结构水平受力较小,在温度、风荷载以及地震作用下,高位连廊和两侧主塔楼之间的相互影响较小,受力大大减小,经济性较好,如果连接的塔楼侧向位移很大时,防撞和防坠落控制难度较大[12-14]。

考虑到此高位连廊跨度大,与塔楼相比,自身刚度较弱,无法协调主体结构共同工作,且高位连廊两侧的结构体型差异较大,连接体部位偏置,为尽量减小在风荷载和地震作用下两栋楼之间的相互作用,最后在高位连廊与塔楼结构之间采用了铅芯橡胶隔震支座加黏滞阻尼器的柔性连接方案[15-16],从而将高位连廊与塔楼隔开,减小了对塔楼质量偏心和扭转作用的影响。高位连廊采用12个铅芯橡胶隔震支座与B、C两栋塔楼竖向构件上挑出的型钢混凝土牛腿连接,并在底部附加8个双向黏滞阻尼器,如图5、6所示。黏滞阻尼器平面布置图如图7所示。

图5 柔性连接支座

图6 铅芯橡胶隔震支座三维布置图

图7 黏滞阻尼器平面布置图

2.3 高位连廊与塔楼柔性连接支座方案设计原则

由于两栋塔楼的平面位置存在一定的错位,因此需要对铅芯橡胶隔震支座和黏滞阻尼器进行合理的选用,设计原则如下:1)在地震作用下,要使通过柔性支座相连的两栋高层建筑之间的相互影响减小至最低,以达到各塔楼能单独设计的目的;2)在风荷载和小震作用下,铅芯橡胶隔震支座的剪切力和最大水平剪切变形值应在其弹性范围之内;3)罕遇地震作用下,铅芯橡胶隔震支座的最大水平剪切变形值应小于其最大水平剪切位移允许值,铅芯橡胶隔震支座的最大水平剪切位移允许值应大于铅芯橡胶隔震支座有效直径(D)的55%和铅芯橡胶支座内部橡胶层总厚度(ts)3倍二者的较大值[3];4)承压和受拉验算时,重力荷载代表值下铅芯橡胶隔震支座的平均压应力小于规范限值,罕遇地震作用下铅芯橡胶隔震支座的最大拉应力应控制在1MPa以内[3];5)增加黏滞阻尼器减小罕遇地震下的位移,避免出现大位移对幕墙造成影响,在罕遇地震作用下黏滞阻尼器耗能良好,出力明显,且罕遇地震作用下黏滞阻尼器最大位移应小于黏滞阻尼器最大行程的83%[3]。

3 连体结构抗风与抗震计算分析

3.1 荷载取值

楼面附加恒荷载和活荷载分别为5.0、3.5kN/m2,屋面附加恒荷载和活荷载分别为6.5、2.0kN/m2。下挂弦杆、下弦杆和中弦杆的幕墙线荷载为6.0kN/m,上弦杆考虑女儿墙,线荷载取8.0kN/m。

3.2 风荷载作用下计算分析

表2为风荷载作用下铅芯橡胶隔震支座最大剪切力和剪切变形。从表2可知,高位连廊在风荷载作用下铅芯橡胶隔震支座剪切力和最大水平剪切变形值分别为109.60kN和24.92mm,均分别小于铅芯橡胶隔震支座的屈服力(Qd=190.9kN)和最大水平剪切变形允许值(0.55D=440mm),铅芯橡胶隔震支座均处于弹性工作状态。

3.3 反应谱计算分析

表3为多遇地震作用下单栋塔楼和连体结构整体计算结果。从表3中可以看出,在地震作用下,通过柔性支座连接的B、C两栋塔楼之间的相互影响很小;连体结构整体计算与单塔计算结果相比,B塔基底剪力较大,C塔基底剪力较小,但两种计算模型计算的基底剪力差值均在4%范围之内,故采用柔性支座与塔楼连接的高位连廊对两侧主楼的周期和基底剪力影响较小,可以实现塔楼单独设计的目的。所有铅芯橡胶隔震支座处于弹性范围内,满足小震弹性的要求。

表3 多遇地震作用下单栋塔楼和连体结构整体计算结果

4 动力时程分析

4.1 铅芯橡胶隔震支座和黏滞阻尼器力学模型

采用SAUSAGE2020软件对高位连体结构进行了动力时程分析,计算模型如图8所示。SAUSAGE2020软件模拟铅芯橡胶隔震支座时,可以考虑铅芯橡胶隔震支座拉压刚度异性以及三向耦合作用,其两个剪切方向定义为随动强化的非线性参数,通过屈服前水平刚度K1、水平等效刚度Kh、屈服后水平刚度Kd、屈服力Qd、屈服位移vy、与vy对应的水平剪力Qy六个参数来模拟铅芯橡胶隔震支座的滞回曲线[17-19],铅芯橡胶隔震支座水平方向力学模型如图9所示,其竖向拉压关系按弹性考虑。本工程采用LRB800铅芯橡胶隔震支座,力学性能参数如表4所示。

表4 LRB800铅芯橡胶隔震支座力学性能参数

图8 SAUSAGE计算模型

图9 铅芯橡胶隔震支座水平方向力学模型

SAUSAGE2020软件提供了两种黏滞阻尼器模型,分别为Maxwell模型和Kelvin模型,本次计算采用Kelvin模型,该模型由线性弹簧和黏性阻尼并联而成,用于模拟固体黏弹性装置,如图10所示,Kelvin模型的力f与变形d的关系如下:

(1)

图10 Kelvin模型

式中:vo为速度;kd为连接弹簧刚度;s为阻尼指数;cd为阻尼器阻尼;d为阻尼器两端的变形量。

由于黏滞阻尼器不提供刚度,在线性参数中有效刚度和有效阻尼为0,在非线性参数中,对于Kelvin模型初始刚度填0。阻尼器中阻尼系数越小,滞回曲线越饱满,耗能能力越强,且阻尼器对结构刚度影响较小,设计时可不考虑其静刚度。阻尼器力学性能参数为:最大输出阻尼力为800kN,阻尼指数取0.3,阻尼系数为1 295kN·m/s,最大行程为100mm。

4.2 小震弹性时程分析

采用了1组人工波和2组天然波对结构进行了小震动力弹性时程分析。在人工波作用下,高位连廊结构的地震响应最大,铅芯橡胶隔震支座Link5为所有地震波作用中剪切变形和剪切力最大的一个支座,所以图11～13仅列出了在人工波小震作用下,铅芯橡胶隔震支座Link5的水平位移、水平剪切位移、水平剪切力时程曲线,图中T和B分别为铅芯橡胶隔震支座Link5单元的上、下节点。图14为人工波作用下1号黏滞阻尼器滞回曲线。

图11 铅芯橡胶隔震支座Link5在X、Y向上、下节点水平位移时程曲线

图12 铅芯橡胶隔震支座Link5在X、Y向水平剪切位移时程曲线

图13 铅芯橡胶隔震支座Link5水平剪切力时程曲线

图14 人工波作用下1号黏滞阻尼器滞回曲线

由图11～14可知,小震作用下铅芯橡胶隔震支座Link5最大水平剪切位移为X向11.2mm,最大水平剪切力接近165 kN,小于屈服力190.9kN。黏滞阻尼器滞回曲线不饱满,出力和变形较小。12个铅芯橡胶隔震支座均处于小震弹性状态,阻尼器出力小,耗能不明显。

4.3 罕遇地震作用下支座水平变形验算

罕遇地震时程分析选取1组人工波和3组天然波。在人工波作用下,高位连廊结构的地震响应最大,铅芯橡胶隔震支座Link6为所有地震波作用中剪切变形和剪切力最大的一个支座,所以图15、16仅列出了人工波罕遇地震作用下铅芯橡胶隔震支座Link6的水平位移、水平剪切位移时程曲线,图17为人工波罕遇地震作用下,铅芯橡胶隔震支座Link6的滞回曲线,图中T和B分别为铅芯橡胶隔震支座Link6单元的上、下节点。图18为各组地震波作用下2号黏滞阻尼器滞回耗能曲线。

图15 铅芯橡胶隔震支座Link6在X、Y向上、下节点水平位移时程曲线

图16 铅芯橡胶隔震支座Link6在X、Y向水平剪切位移时程曲线

图17 铅芯橡胶隔震支座Link6滞回曲线

图18 各组地震波作用下2号黏滞阻尼器滞回曲线

由图15～18可知,铅芯橡胶隔震支座Link6最大水平剪切位移为80mm,楼层最大节点位移为220mm,均小于0.55D(即440mm),其中D为铅芯橡胶隔震支座的有效直径。黏滞阻尼器最大输出阻尼力接近800kN,滞回环饱满,耗能良好。最大位移小于黏滞阻尼器行程的83%(即83mm),表明黏滞阻尼器在罕遇地震作用下能够正常工作。

4.4 铅芯橡胶隔震支座竖向抗震拉压验算

12个铅芯橡胶隔震支座竖向压应力宜均匀,表5为各支座在重力荷载代表值1.0恒载+0.5活载下的轴力和压应力。从表5中可以发现,重力荷载代表值下铅芯橡胶隔震支座竖向应力最大值出现在Link6,其值为2.97MPa,小于《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3]要求的乙类建筑12MPa,满足要求。

表5 铅芯橡胶隔震支座在重力荷载代表值下轴力及压应力

各组考虑竖向地震的罕遇地震波作用下(竖向地震作用为主的工况,水平主方向、水平次方向、竖向加速度峰值比例为0.85∶0.65∶1),各铅芯橡胶隔震支座最大轴力统计值如表6所示。由表6可知,各铅芯橡胶隔震支座大部分处于受压状态,各铅芯橡胶隔震支座最大轴力出现在短跨桁架一侧,最大轴力出现在铅芯橡胶隔震支座Link1、Link7,铅芯橡胶隔震支座Link7出现了拉力,其拉应力为0.1MPa,小于规范限值1MPa,其中天然波2作用下铅芯橡胶隔震支座Link1、Link7轴力时程曲线图见图19。

表6 各组罕遇地震波作用下铅芯橡胶隔震支座最大轴力/kN

图19 铅芯橡胶隔震支座Link1、Link7轴力时程曲线

综上,根据结构抗震性能与弹塑性分析结果可知,部分构件的抗震性能基本上满足预期性能目标(表7)。

表7 部分结构构件抗震性能目标

5 相关抗震设计措施

5.1 防撞及防坠落限位措施

本工程高位连廊设置高度较高,且位置偏置,具有天然的位置缺陷。为了避免在极端情况下发生超过设计能力的变形,降低与主体结构发生强烈撞击而坠落的风险,在设计中应采取以下措施:1)根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3]12.2.7条,应采取不阻碍铅芯橡胶隔震支座在罕遇地震下发生大变形的构造措施,应在连廊与塔楼之间设置足够的变形缝,缝宽不小于铅芯橡胶隔震支座在罕遇地震作用下最大水平位移的1.2倍且不小于200mm;2)在支座处,高位连廊与主塔楼之间设置100mm厚的弹性橡胶,并在对应桁架端部焊接端板,以增大碰撞时接触面积:3)在支座牛腿两侧设置限位钢梁,同时在上部两层每个支座处,在塔楼与连廊桁架梁中间均设置一道可自由滑动的防坠落梁,防坠落梁的滑动量不小于200mm,防坠落梁内部由7根钢绞线组成,极限拉应力为1 820kN,以加强高位连廊的防坠落安全储备。防撞及防坠落限位措施如图20所示。

图20 高位连廊与塔楼之间防撞及防坠落限位措施

5.2 其他计算分析采取的措施

根据表7中预定的性能目标,在主塔楼中,与牛腿相连楼层及上下各延一层的剪力墙和框架柱按照抗震性能化设计,提高剪力墙和框架柱的配筋率,保证剪力墙和框架柱在大震下不屈服,以增加竖向构件的延性。根据计算分析,与牛腿相连的竖向构件在中震、大震下出现拉力,对此部分墙体和框架柱采用内插型钢的方式来抵抗拉力。此外在主塔楼中,与牛腿相连的对应楼层的楼板进行构造加强,楼板厚度加大至150mm,双层双向配筋,配筋率适当提高。为保证牛腿在正常使用过程中和罕遇地震作用不发生破坏,根据大震弹性计算得到铅芯橡胶隔震支座的最大水平剪切力和竖向最大压力,进行牛腿的配筋设计。

在大震作用下,高位连廊传至主塔楼的力相应会传至基础,导致基础边桩受拉,同时另一侧边桩压力增大。因此为了保证结构安全度,本工程B、C塔楼桩基采用了抗震性能化设计[20]。设计做出如下处理:1)将连廊连接柱底部筏板外挑长度增加至2.0m,以加大最外排桩至结构外墙的距离,降低边桩在地震作用下的压力和拉力;2)为抵抗边桩拉力,加大连廊连接柱底部桩身配筋率,并采取了加密布置,满足大震下抗拉要求,同时加大筏板厚度和筏板配筋率。

6 结论

(1)在风荷载和小震作用下,铅芯橡胶隔震支座的剪切力和最大水平剪切变形值均处于弹性范围内。罕遇地震作用下,铅芯橡胶隔震支座进入塑性状态,但最大水平剪切变形值远小于铅芯橡胶隔震支座的最大水平剪切变形允许值,黏滞阻尼器出力明显,滞回曲线饱满,耗能良好。

(2)在小震作用下,高位连廊并未对结构主体周期、基底剪力及层间位移角造成较大的影响,所以将B、C塔楼单独设计并对局部构件及局部楼层采取加强措施和采用性能化设计是符合工程实际的。

(3)根据计算分析,高位连廊与塔楼采用铅芯橡胶隔震支座加黏滞阻尼器的柔性连接方案,其计算结果符合规范要求,且为了避免在极端情况下发生超过设计能力的变形,采取了一系列相应的防撞、防坠落和限位等措施。综上,高位连廊与塔楼采用铅芯橡胶隔震支座加黏滞阻尼器的柔性连接方案是切实可行的。