高烈度区单向少墙超高层剪力墙结构消能减震设计

吕坚锋，刘付钧，2，张文华，黄忠海，2，陈 颖

（1、广州容柏生建筑结构设计事务所 广州 510170；2、广州容联建筑科技有限公司 广州 510170）

0 引言

基于抗震概念设计，剪力墙结构体系的两个方向均宜布置剪力墙，使两个主轴方向的抗侧刚度接近。由于建筑通风采光的需要，部分住宅、办公类建筑采用南北向布置剪力墙，导致东西向剪力墙偏少，墙肢较短甚至完全退化为端柱，结构两个方向受力特性出现明显差异。该类结构少墙方向在小震作用下具有足够的侧向刚度［1］，满足《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［2］的变形限值。但在高烈度地区中、大震作用下少墙方向框架梁较早进入屈服，结构缺乏二道防线对抗震不利。通过设置消能减震装置可以有效耗散地震能量，避免结构过早进入屈服，使结构具有二道防线。本文以实际工程为例，重点介绍高烈度区单向少墙剪力墙结构的消能减震设计。

1 建筑概况

某超高层项目位于昆明市盘龙区，地上47 层，地下4层，地上建筑总高度222.2 m，总建筑面积约12万m2。首层层高6 m，功能为办公大堂、餐饮及商业个铺；2层层高6 m，功能为餐饮；3、4层层高5.4 m，功能为办公；5～46 层功能为公寓式办公，层高4.5 m，其中5、20及35层为避难层兼设备层，层高4.8 m；47层功能为内部办公、餐厅及室内小型游泳池，层高6.5 m。建筑效果如图1 所示，标准层平面如图2 所示。塔楼平面尺寸为71.2 m×29.4 m，长宽比2.4，高宽比7.6。

图1 建筑效果Fig.1 Rendering

图2 标准层建筑平面Fig.2 Layout of Standard Floor （mm）

2 结构主要设计参数

结构按照50年设计使用年限设计，建筑安全等级为二级，抗震设防类别为乙类；本场区抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.2g，地震设计分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为Tg=0.55 s；地震设计取规范反应谱参数，水平地震影响系数最大值αmax=0.16。50年重现期基本风压为W0=0.30 kPa，地面粗糙度C类。

3 结构选型及结构布置

3.1 结构体系

结合建筑平面功能、立面造型、抗震（风）性能要求、施工周期以及造价合理等因素，结构采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。

3.2 结构设计特点及难点

⑴地震作用大，基本加速度0.2g，地震影响系数0.16，地震作用起控制作用。

⑵结构自重较大，地震下结构反应强烈。

⑶受建筑平面布局限制，塔楼为典型的单向少墙结构。Y向可布置较多成榀剪力墙，受力上为典型的剪力墙结构，抗侧效率较高。X向长度较长，但剪力墙布置严重受建筑布局限制，受力上更接近框架-剪力墙结构［1］。

⑷在中、大震作用下，塔楼X向耗能能力不足，框架较早进入屈服，屈服后刚度蜕化明显，较难满足二道防线要求。如图3 所示，未采取加强措施的模型虽然可以满足小震下的刚度要求，但在大震作用下最大层间位移角为1∕95，远超过文献［2］1∕120限值要求。

图3 未加强模型在大震作用下层间位移角曲线Fig.3 Story Drift Ratio of Unreinforced Modelunder Rare Earthquake

3.3 结构应对措施

⑴针对X向少墙的特点，采用消能减震技术，选取结构变形较大处设置消能器，增加结构耗能机制，提升结构在中、大震下的抗震性能，形成多道抗震设防结构体系。

⑵在采用消能减震技术的基础上，沿X向在建筑阳台处利用分户墙体位置设置外框立柱，与剪力墙端柱形成外框加密框架，提高X向两侧“框架”的抗侧刚度。中震、大震作用下，外框立柱进入塑性阶段，类似“连梁”作为结构的耗能构件，提高X 向的结构抗震延性。外框立柱不落地，在每个避难层处断开，只承受局部楼层竖向荷载。

⑶提高X向框架梁性能目标。其中中部走廊两侧X向框架梁按中震不屈服、大震满足最小抗剪截面的性能目标进行设计，避免中、大震时X向结构刚度蜕化过快；外侧阳台处X向框架梁按不先于外框立柱屈服的目标进行设计，同时小震按无外框立柱情况进行包络设计，确保外框立柱损坏后框架梁仍保持完整性。

⑷优化剪力墙布置。Y向沿分户墙设置9 榀连肢剪力墙，间距8.6 m，提高抗侧效率。X向利用电梯间布置剪力墙并形成筒体，并沿中部走廊两侧布置长度为3 m的剪力墙。

⑸提高Y向结构的延性。在Y向部分剪力墙设置双连梁［3］，如图4⒜所示，增加结构耗能机制，减少大震下墙肢的损伤并提高大震下结构刚度。

图4 标准层结构布置Fig.4 Structural Layout of Standard Floors

⑹底部加强区楼层针对关键构件采用高延性的构件类型，剪力墙端柱采用型钢混凝土柱，核心筒角部内设型钢，提高竖向构件承载力及抗震延性。

标准层结构布置如图4 所示，主要构件截面尺寸如表1所示。

表1 主要构件截面尺寸及材料强度等级Tab.1 Section Size and Material Strength Grade

4 消能减震设计

4.1 消能装置的选择

本项目消能装置的选择应满足以下要求：①地震下具有良好的耗能作用；②消能装置应布置灵活，安装方便，不影响建筑功能；③震后消能装置可快速便捷更换。

综合考虑本项目特点后，确定选用RBS 消能墙。RBS 消能墙是在传统钢筋混凝土剪力墙的中部嵌入消能键构造而成［4］，如图5所示。剪力墙上、下端分别与上层框架梁及本层框架梁同时施工浇筑形成，并紧密连结，中间的消能键待主体结构施工完成后方进行安装，并与混凝土墙体的上、下端以螺栓连结。RBS消能墙的核心部件RBS 消能键是一种位移相关型金属剪切阻尼器，具有良好的滞回性能，可有效耗散地震能量［5-6］。

图5 消能墙的构造Fig.5 Structure of Energy Dissipation Wall

4.2 消能墙的布置

对消能墙的布置设计需考虑以下几点：

⑴优先考虑放置于相对剪切变形较大的边榀且位于建筑的低区及中区。

⑵底部楼层（1～6 层）及避难层受建筑功能限制无法布置消能墙。

⑶ 中区楼层为弹性层间最大位移角出现的区段，布置消能墙能较好发挥消能作用，效率较高。

⑷墙肢布置受到平面功能的制约，X向墙肢数量比Y向少，大震弹塑性时程分析结论显示X向结构刚度比Y向要弱，结合结构变形特点，低区、中区两向均设消能墙，X向消能墙数量为Y向的两倍。

⑸高区楼层层间位移相对较小，但考虑到结构刚度的过渡，以及控制高振型响应对结构的不利影响，可在高区设置少量消能墙。

综合考虑以上因素，最终确定：在7～19层、21～34层共27层每层设置12组消能墙，其中Y向4组、X向8组；在36～45 层共10 层每层设置4 组消能墙，仅在X向布置。消能墙的平面布置如图4所示。

消能键上下的钢筋混凝土墙体采用400 mm 厚C35 混凝土（与梁混凝土强度等级相同），消能键采用BLY160 软钢。消能墙屈服力为600 kN，最大极限力为1 200 kN，屈服位移1 mm，极限位移80 mm。消能键上下的钢筋混凝土墙体，以及与之相连的框架梁采用中震弹性、大震不屈服的性能目标，以保证消能墙的耗能作用得以充分发挥。

4.3 消能墙的分析方法及设计结果

4.3.1 小震弹性设计

在小震和风荷载作用计算时，消能墙不发生屈服［7-8］，以抗侧刚度等效的原则，采用钢斜撑等代计算［5］，以反映消能墙在小震和风作用下对结构侧刚的贡献。

小震作用下有、无消能墙时结构的自振周期及层间位移角对比如表2所示。消能墙具有一定的初始弹性刚度，设置消能墙后结构的基本周期略有减小，X向位移角有较明显减小。

表2 小震下主要指标对比Tab.2 Comparison of Main Indexes under Small Earthquakes

4.3.2 中、大震等效弹性设计

中、大震时消能墙进入屈服状态，除提供刚度外，还额外提供阻尼及耗能，保证结构安全。

根据《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［9］12.3 节的规定，消能减震结构的总刚度应为结构刚度和消能部件有效刚度的总和，消能减震结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和。按照文献［9］12.3.4条的计算方法，对本结构在中震、大震下的消能墙有效刚度及消能墙附加给结构的有效阻尼比进行迭代计算。计算结果如下：

⑴在中震下，消能墙附加给结构的有效阻尼比X、Y向分别为0.022、0.016；在大震下，消能墙附加给结构的有效阻尼比X、Y向分别为0.029、0.025，两个方向附加的阻尼比与两个方向消能墙的数量基本成正比。

⑵在中震下，消能墙的有效刚度约为初始弹性刚度的25%～45%；在大震下，消能墙的有效刚度约为初始弹性刚度的15%～20%。

⑶进行中震、大震等效弹性方法计算时，同时考虑结构非线性后，结构总阻尼比可近似取0.07、0.08，等代斜撑的刚度按相应消能墙的有效刚度折算后进行计算。

4.3.3 大震弹塑性时程分析

大震弹塑性时程分析，按消能墙实际构造进行ABAQUS 有限元模拟，考虑材料的非线性，消能墙与结构整体一起进行弹塑性时程分析，复核结构是否满足大震下预设的性能目标。

大震弹塑性时程分析的层间位移角指标如表3所示。天然波2 作用下有、无消能墙时层间位移角曲线对比如图6所示。由于X向最大层间位移角出现在底部未设消能墙的楼层，最大值变化并不明显，但设置消能墙的楼层位移角均有不同程度的改善。有消能墙模型与无消能墙模型相比，X向各楼层层间位移角减小约1%～17%，平均减小8%，Y向各楼层层间位移角减小约1%～12%，平均减小6%，说明消能墙可增加结构耗能能力，在一定程度降低结构位移响应。另外，采用消能墙、外框立柱等加强措施之后，结构在大震下两个方向的抗震能力基本接近，有效避免了单向少墙结构在少墙方向提前破坏。

表3 大震弹塑性时程分析层间位移角对比Tab.3 Comparison of Story Drift Ratio of Elastoplastic Time History Analysis under Rare Earthquake

图6 天然波2作用下有无消能墙时层间位移角曲线对比Fig.6 Comparison of Story Drift Ratio with or without Energy Dissipation Wall under Natural Wave 2

天然波2 作用下的楼层剪力曲线如图7 所示。在大震作用下，结构X向框架承担的剪力约占楼层剪力的25%左右，消能墙承担约5%左右，其余约70%地震剪力由剪力墙承担，框架剪力墙结构受力特性明显，框架可以发挥二道防线作用；结构Y向剪力基本由剪力墙承担，剪力墙结构受力特性明显。

图7 天然波2作用下楼层剪力曲线Fig.7 Story Shear Force under Natural Wave 2

图8 为天然波1 作用下高区有、无消能墙时曲线对比，结果表明：①高区无消能墙时，在天然波1 作用下，结构高振型被充分激发，引起结构高区X向位移角产生较大的突变，成为结构的薄弱部位。②高区有消能墙时，高区X向位移角有明显减小（从1∕119 变为1∕149），消能墙有效限制了高振型响应对结构的不利影响，同时也证明了本结构采用消能墙的必要性。

图8 天然波1作用下高区有无消能墙时X向楼层位移及位移角对比Fig.8 Comparison of X-direction Story Displacement and Drift Ratio with or without Energy Dissipation Wall in High Zone under Natural Wave 1

外框立柱在天然波2作用下的钢筋塑性应变云图如图9 所示，可见在大震作用下外框立柱已大部分进入屈服，并起到类似连梁的耗能作用。

图9 天然波2作用下外框立柱钢筋塑性应变云图Fig.9 Nephogram of Plastic Strain of Reinforcement of Outer Frame Column under Natural Wave 2

4.3.4 消能墙滞回耗能情况

消能墙在整体结构中的典型塑性应变云图如图10 所示，消能键在大震作用下均充分进入塑性，起到了充分的塑性耗能作用；与消能键相连的剪力墙及框架梁均未屈服，可保证消能键充分耗能。

图10 天然波2作用下典型消能键塑性应变云图Fig.10 Nephogram of Plastic Strain of Typical Energy Dissipation Bond under Natural Wave 2

不同楼层消能墙滞回耗能情况如图11 所示，由图11 可知，不同楼层的消能墙滞回曲线均十分饱满，在大震作用下均起到了充分的滞回耗能作用。X向、Y向消能键最大变形量分别为37 mm及35 mm。

图11 天然波2作用下典型消能墙力-位移滞回曲线Fig.11 Force-displacement Hysteretic Curve of Typical Energy Dissipation Wall under Natural Wave 2

结构在大震作用下的能量曲线如图12所示，天然波2X主方向作用下消能墙滞回耗能约为地震输入总能量的9%（其中X向消能墙8%，Y向消能墙1%），天然波2Y主方向作用下消能墙滞回耗能约为地震输入总能量的7%（其中X向消能墙3.5%，Y向消能墙3.5%），两个方向消能墙均起到了良好的滞回耗能作用，吸收了一部分地震能量，降低了结构构件的塑性损伤程度。两个方向消能墙的耗能比例基本与两个方向消能墙的数量成正比，说明消能墙在高烈度区剪力墙结构（Y向）及框架-剪力墙结构（X向）中均具有良好的地震耗能作用，可以作为地震下第一道防线，减小地震响应，从而有效地保护主体结构构件，提高结构的抗震性能。

图12 天然波2作用下的能量曲线Fig.12 Energy Curve under Natural Wave 2

5 结论

⑴高烈度区单向少墙剪力墙结构在地震作用下少墙方向耗能能力不足，少墙向框架较早进入屈服，屈服后刚度蜕化明显，较难满足二道防线要求，需采取措施提高少墙方向的耗能能力。

⑵通过设置消能墙等措施，可有效增加单向少墙剪力墙结构的耗能能力，使两个方向具有基本一致的抗震性能。

⑶RBS 消能墙与单向少墙剪力墙结构结合组成的带消能墙剪力墙结构体系具有双重抗震防线，消能墙在大震作用下率先屈服耗能，可减小地震响应，从而有效地保护主体结构构件，提高结构的抗震性能。

⑷单向少墙剪力墙结构中消能墙的耗能比例基本与两个方向消能墙的数量成正比，说明消能墙在高烈度区剪力墙结构及框架-剪力墙结构中均具有良好的地震耗能作用，可以作为地震下第一道防线。

⑸RBS 消能墙（位移相关型金属剪切阻尼器）在高烈度区单向少墙剪力墙结构中得到成功应用，为高烈度区类似结构消能减震设计提供了新思路。