昆明某高层建筑工程概况及结构设计解析

1 项目概况

昆明某高层建筑总建筑面积约61594m2，建筑类别为丙级，为框架-混凝土核心筒结构。结构总高度146.9m，地下3层、地上35层、裙房4层，层高分别为6m、5.4m、6.6m、6m。塔楼11、24层为设备层，层高5.2m，其余楼层高度均为3.9m。

图1为首层结构平面图。裙楼平面尺寸长54.5m、宽47.5m，塔楼平面尺寸长47.5m、宽36.6m，核心筒平面尺寸长24.3m、宽14.1m。核心筒混凝土墙厚由底部的1.0m逐渐减小至顶部的0.5m。外框架柱截面尺寸由底部的1.3m×1.3m逐渐减小至顶部的0.8m×0.8m。外框架梁截面尺寸为1.0m×0.4m。1~30层的外框架梁、柱及与核心筒转角连接的梁均为钢筋混凝土。剪力墙、柱混凝土为C60~C40，梁混凝土为C35~C30。

图 1 一层平面图

结构设计基准期为50年，结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级​​为2级，结构重要性系数为1.0，建筑抗震设防类别为重点设防类别（乙类），基础设计等级为甲级，地基设计安全等级为2级。场地类别为Ⅲ类，设计地震组别为3组，区域基本地震烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，抗震设计时附加阻尼比为0.04。基本风压按50年一遇基本风压为0.3kN/m2，地面粗糙度为乙级。本工程消能减震目标是附加阻尼器对小震能提供4%的附加阻尼比，从而达到减小结构地震反应的效果。

2. 消能工的选择与布置

本工程设计目标要求在小震作用下减小结构的层剪力和层位移，要求附加阻尼比达到4%。因此，本工程采用粘滞阻尼器进行结构耗能减震设计。考虑到建筑的功能要求和规范对阻尼器布置的设计建议，本工程阻尼器在X方向布置于11层及21～29层，在Y方向布置于11层及21～30层。平面布置图如图2所示。共采用84只非线性粘滞阻尼器，阻尼系数C为500 kN/(mm/s)0.15，阻尼指标为0.15，最大出力为1000kN。

图2 阻尼器布置位置

阻尼器采用具有位移放大作用的肘支连接（套索连接）形式安装在主体结构中，如图3所示。根据以往的工程经验，此种安装形式下阻尼器位移可达层间位移的2～4倍。

图 3 阻尼器弯头布置

3 消能减震结构计算模型及地震波

3.1 计算模型的建立

采用ETABS对消能减震结构进行有限元建模，上部结构采用弹性模型及楼板刚性隔板假设，地下室顶部取为预埋端，梁、柱为框架单元，墙体为壳单元，楼板为膜单元，粘滞阻尼器为非线性连接单元（Damper）。

结构动力特性分析采用Ritz法求解振型，地震作用时程分析采用FNA法，各分析过程均考虑二阶重力荷载效应。未设阻尼器的原结构阻尼比为0.04。表1、表2对比了ETABS模型与PKPM模型的计算结果，可见结构质量与前3个周期一致性较好，振型质量参与系数达到95%以上。

3.2 地震波选取

本工程根据抗震规范第5.1.2条规定，选取5个实际地震波和2个人工模拟的地震波加速度时程，7个地震波反应谱与标准反应谱曲线如图4所示，基底剪力对比结果如表3所示，表明均满足规范要求。7个地震波有效持时与基准周期的比值在6.53~11.95之间，满足规范5~10倍的要求。

图4 反应谱曲线

4 耗能减震效果分析

4.1 楼面剪力与楼面弯矩对比

图5、图6分别为楼面剪力、楼面弯矩的减震效果对比，可以看出，X、Y方向的变化规律基本相同，耗能阻尼结构楼面剪力与原结构的比值最大为0.68，最小为0.15；耗能阻尼结构楼面弯矩与原结构的比值最大为0.72，最小为0.18。可以看出楼面剪力、弯矩的减震效果明显。

图5 楼面剪力对比

图6 地板弯矩对比

4.2 层间位移角与楼面位移对比

图7、图8分别为层间位移角与楼面位移的阻尼效果对比，可以看出，X、Y方向的变化规律基本相同。耗能减震结构层间位移角与原结构的比值最大值为0.71，最小值为0.42。耗能减震结构楼面位移与原结构的比值最大值为0.73，最小值为0.60。可以看出，层间位移和楼面位移的阻尼效果均明显。

图7 层间位移角

图8 楼面位移

4.3 冲击吸收率

图9为消能减震结构的减震率，楼面剪力、楼面弯矩、层间位移角、楼面位移四项指标的减震率均达到20%以上（减震率=1-消能减震结果/原结构结果），且4层以上楼面剪力、楼面弯矩的减震效果明显优于层间位移角和楼面位移。

图9 耗能减震结构冲击吸收率

5 附加阻尼比计算

图10为S24D01阻尼器在AW01波小震下的滞回曲线，其最大变形为楼板层间位移的2.43倍。参考标准做法得到的7个波的附加阻尼比平均值为：X方向5.93%，Y方向7.53%。

图10 S24D01阻尼器滞回曲线（小震）

由于本工程为框架-核心筒结构，在侧向力作用下弯曲变形分量较大，附加阻尼比计算结果会过于保守。表4为利用能量比法确定的阻尼器附加阻尼比参考值，阻尼器在X方向的附加阻尼比为8.7%，在Y方向的附加阻尼比为8.8%。

通过计算附加阻尼比可知，按照规范及能耗率法计算出的附加阻尼比大于设计目标附加阻尼比。

6 结构罕遇地震反应分析

采用PERFROM-3D软件对罕遇地震作用下的消能减震结构进行弹塑性分析。梁柱单元采用基于两端纤维截面的塑性铰单元，剪力墙采用纤维截面单元，连接梁采用梁单元模拟，楼板假设为刚性隔板，钢筋及钢筋钩采用二重线模型，混凝土钩采用四重线模型，材料强度采用标准值。小震分析选取的地震波为AW01波、CHICHI波、LOM波。模型质量为1.1×105t，前3个周期分别为3.27、2.97、2.52s。对比表1、表2可知，该模型与PKPM模型具有较好的一致性。

图11为结构在罕遇地震作用下的层间位移角，从图中可以看出，3个地震波的计算结果差别很大，但都满足规范的1/100要求。X方向最大层间位移角为1/151，Y方向最大层间位移角为1/131。

图11 强震作用下层间位移角

图12、图13分别为结构底部剪力时程和顶点位移时程曲线。X方向最大底部剪力为1.03×105kN，Y方向最大底部剪力为8.72×104kN，X方向最大顶点位移为787mm，Y方向最大顶点位移为789mm。结构响应全过程稳定，未发生整体坍塌。

基底剪力表明结构的屈服度较大，在AW01波作用下结构的响应最大，层间位移角满足规范限值要求。图14为24层S24D01阻尼器在AW01波地震作用下的滞回曲线，其最大变形为该层层间位移的1.74倍。

图15为结构在AW01波作用下的X方向屈服状态（红黄绿蓝色表示屈服程度），屈服过程总体符合连梁、框架梁、剪力墙、框架柱依次屈服的机理。

7 耗能减震结构要求

由于基准周期T=3.114s，特征周期Tg=0.65s，即基准周期在Tg~5Tg之间，地震影响系数α=(Tg/T)^γ η2 αmax。取附加阻尼比为0.08，减震结构地震影响系数与非减震结构地震影响系数之比为α(ξ=0.12，T=3.114)/α(ξ=0.04，T=3.114)=0.79>0.5。因此，本工程主体结构构造措施不宜减缩，下部结构构造要求应满足《减震规范》的要求。

详见《减震技术》杂志2015年第3期，文章题目为：《昆明某高层建筑高效减震设计》；作者：周云，卢德辉，龚晨，吴从晓，张超；单位：广州大学土木工程学院。

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