乌鲁木齐绿地中心黏滞阻尼器结构设计汪大绥

乌鲁木齐绿地中心黏滞阻尼器结构设计

汪大绥1,2  陈建兴1,2  包联进1,2  江月1,2

（1.华东建筑设计研究总院，上海 2000022；2.上海超高层建筑设计工程技术研究中心，上海 200002）

摘 要：消能减震技术的应用是超高层结构抗震设计的一种新思路。本文以乌鲁木齐绿地中心为例，介绍了带粘

滞阻尼器超高层结构设计的关键问题，包括阻尼器布置方式，阻尼器参数选择以及阻尼器相关构造，整

体结构性能指标，阻尼器耗能效果。通过弹塑性时程分析验证大震下的结构性能。对减震结构和抗震结

构方案的整体指标，抗震性能和经济性指标的对比，说明减震结构方案的优越性。

关键词：消能减震技术超高层结构粘滞阻尼器耗能效果抗震性能

1 引言

乌鲁木齐绿地中心（图1）位于乌鲁木齐市水磨沟区国际会展片区，项目包含超高层双子塔和三栋百米左右的办公楼。塔楼平面为带圆角的正方形（图2），平面尺寸44.5m×44.5m，地上57层，结构大屋面高度245m ，建筑总高度258m ，单塔地上建筑面积约11.35万m 2。结构地下3层，基础埋深约20.5m 。

塔楼结构设计基准期及设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g ，地震安评报告表明项目所处位置附近存在断层及大震潜源区，设计基本加速度比规范值提高15%，即0.23g 。场地类别为Ⅱ类场地，场地特征周期为0.4s ，抗震设防类别为丙类。

该建筑所处地区决定了其所受地震力较大，采用传统的设计方法，需增加结构的抗侧刚度确保结构变形符合规范要求。但是增大抗侧刚度意味着结构所受地震力进一步增加，为此结构设计中创新性地采用了消能减震技术，设置黏滞阻尼器来耗散输入结构的地震能量，为结构提供附加阻尼比，有效减少结构的地震响应，提高结构抗震性能。

本文以乌鲁木齐绿地中心为例，介绍了粘滞阻尼器在超高层建筑中的应用，包括阻尼器的耗能目标、阻尼器的布置与设计、减震结构性能分析、阻尼器的耗能效果评价等。通过与传统抗震结构的技术和经济性对比，表明带黏滞阻尼器的减震结构在技术和经济性方面的优越性，说明超高层建筑中应用黏滞阻尼器是经济合理的。

2结构体系和消能减震技术

2.1 结构体系

结构采用型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒+黏滞阻尼器结构体系[1]，结构体系构成如图3所示。型钢混凝土框架和钢筋混凝土核心筒组成主体结构的双重抗侧力体系，为结构提供抗侧刚度，抵抗水平力。黏滞阻尼器为结构提供附加阻尼，在地震和风荷载作用下率先耗能，减小主体结构承担的水平力。型钢混凝土柱和核心筒墙肢为竖向承重构件，将楼面结构传来的竖向荷载传递至基础。

型钢混凝土框架由均匀布置在塔楼周边16个型钢混凝土柱和钢框架梁组成。型钢混凝土柱截面的正方形，含钢率约4-5%，柱截面底部为1.8m ×1.8m ，沿高度向上逐渐缩小为1.0m ×1.0m 。钢框架梁截面主基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAJ07B01）

作者简介：汪大绥（1941—），男，教授级高级工程师

要为H900X400X20X35。

图1 建筑效果图（塔楼）图2 塔楼典型平面布置图

核心筒平面呈正方形，平面位置居中，底部尺寸为21mx21m ，核心筒外部尺寸沿结构高度保持不变。核心筒外围墙肢底部厚度1.2m ，向上逐渐减小为0.6m ，核心筒内部墙肢底部厚度为0.7m ，向上逐渐减小为0.4m 。结合建筑门洞和机电设备管道进出，核心筒剪力墙上布置洞口，合理控制墙肢长度，形成延性较好的墙肢，墙肢间连梁高度为800mm 或1000mm 。

核心筒外楼盖为钢梁+压型钢板组合楼板，核心筒内楼面采用现浇混凝土梁板体系。典型楼层楼板厚度为120mm ，设备层楼板厚度为150mm 。

整体塔楼 外框架 核心筒 阻尼器

图3 结构体系构成图

2.2消能减震技术

2.2.1 消能减震技术选择

消能减震技术是在结构中设置非结构构件的耗能元件(耗能器或阻尼器) ，结构振动使耗能元件被动地往复相对变形或者在耗能元件间产生往复运动的相对速度，从而耗散结构的振动能量，减轻结构的动力反应，以保护主体结构的安全。

超高层建筑中，结构的固有阻尼比相对较小且不确定，由建筑本身消耗的能量比较有限，因此采用消能减震技术可为结构提供有效和较大的附加阻尼比。常用消能减震技术包括金属阻尼器、黏滞阻尼器和质量阻尼系统如TMD 和TLD 。黏滞阻尼器可在小变形下开始耗能，具有较强的耗能能力，同时仅为结构提供附加阻尼，不提供附加刚度，因此在超高层建筑中具有良好的适用性。

黏滞阻尼器的阻尼力F 与活塞运动速度V 之间具有下列关系：F = Cvα，其中C 为阻尼系数，与油缸直径、活塞直径、导杆直径和流体黏度等因素有关；α为速度指数，它与阻尼器内部的构造有关，不同的产品具有不同的取值。依据速度指数α的取值，可将黏滞阻尼器分为三类[1]：线性黏滞阻尼器（α＝1）、非线性黏滞阻尼器（01）。线性阻尼器的阻尼力与相对速度成线性关系；非线性阻尼器在较低的相对速度下，可输出较大的阻尼力，而速度较高时，阻尼力的增长率较小。

2.2.2 黏滞阻尼器布置

黏滞阻尼器布置于三个设备层（F28、F37和F48层）上，减小对建筑使用功能的影响。阻尼器采用悬臂式布置，即在核心筒上设置悬挑桁架，在巨型柱与桁架端部之间设置竖向放置的黏滞阻尼器，如图4所示。在地震（风）作用下，悬挑桁架端部会产生2.3倍层间位移的竖向变形，阻尼器两端的变形为层间位移的2.3倍，而当阻尼器采用斜杆式和水平式布置，该比值不大于1，说明悬臂式布置可放大阻尼器两端的变形，提高耗能效率[3]。

每个悬挑桁架处设置2个阻尼器，单个塔楼共48个阻尼器。同时设计中将悬挑桁架与楼板脱开，防止悬挑桁架处的楼板局部变形过大而开裂或破坏。悬挑桁架端部设置限位装置，为悬挑桁架提供平面外约束，提高悬挑桁架的整体稳定性。

（

a

）ETABS

（b ）MIDAS 模型

图4 黏滞阻尼器平面布置和立面布置图5 有限元的分析模型

2.2.3 粘滞阻尼器参数

黏滞阻尼器的阻尼力与阻尼系数成线性变化，阻尼系数越高，耗能越多，但造价也越高。速度指数越小，地震响应减小越多，耗能越显著，但过小的速度指数，产品的性能不够稳定。综合阻尼器的参数与耗能关系、产品特点以及经济性，本项目黏滞阻尼器的产品参数详见表1。

表1 阻尼器参数

阻尼系数C(kN/(m/s)0.3 速度指数α 阻尼力F(kN) 最大冲程(mm)

2.3主体结构抗震性能目标

结合抗震概念设计中的“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”和框架柱“二道防线”的基本理念，对不同的构件采取不同的抗震性能目标，提高重要部位和关键构件的抗震等级：与阻尼器相连的悬挑桁架、核心筒、框架柱为大震不屈服；核心筒墙肢满足抗弯中震不屈服，大震抗剪截面条件，底部加强区抗剪弹性，其他部位抗剪不屈服，大震抗弯轻度损坏，修复后可继续使用，抗剪满足截面控制条件；框架柱为中震不屈服，核心筒连梁和框架梁为小震弹性，中震允许进入屈服。

2.4黏滞阻尼器耗能目标

设置黏滞阻尼器的目的是有效减小结构承担的地震作用，对结构刚度的要求降低，结构可以设计的更柔一些，同时提高中、大震下主体结构的抗震性能。为此在结构设计中，在小震下结构的变形验算和中、大震下结构抗震性能验算考虑黏滞阻尼器的作用，而小震下构件承载力校核不考虑黏滞阻尼器的减震作用，从而提高主体结构的安全度。

3 整体结构分析

3.1计算模型

塔楼弹性分析使用ETABS 进行，同时，使用MIDAS 建立模型来检验分析结果，模型如图5所示。粘滞阻尼器采用MAXWELL 单元模拟。由于黏滞阻尼器的速度相关性，计算中对地震作用除了采用弹性反应谱和线型时程分析方法外，主要采用非线性时程分析方法。时程波小震为7组，含5组天然波和2组人工波，大震从7组地震波中选择采用3组响应较大的波，其中2组为天然波一组为人工波。

3.2 整体结构指标

模型经ETABS 计算分析后得到整体结构指标，同时将MIDAS 分析的结果列出进行对比，主要结果见表2。由计算结果可见，扭转位移比小于0.85，层间位移角小于1/510，均满足规范限值[4]。ETABS 和MIDAS 两种软件计算结果也较为吻合。 表2 整体结构指标

周期(s)

扭转周期比

总质量（单位：t ）

小震时程平均

基底剪力（kN ）

小震时程平均

最大层间位移角

风荷载

基底剪力（kN ）

风荷载

最大层间位移角 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向 Y 向 T2 T3 6.04 3.79 6.09 3.80

3.3罕遇地震下结构性能

结构采用LS-DYNA 进行结构在大震作用下的弹塑性时程计算。钢结构、钢筋混凝土、钢管混凝土以及型钢混凝土的梁柱构件等，采用纤维单元模拟；中心钢支撑，采用恢复力模型模拟；普通的或内插钢板的钢筋混凝土剪力墙，采用壳单元模拟。

在罕遇地震下，结构两个方向的最大剪重比分别为10.6%和10.4%，弹塑性基底剪力相比弹性结果有较明显的降低。塔楼在两个方向的平均层间位移角分别为1/121和1/122，最大层间位移角分别为1/107和

1/106，基本满足抗震规范1/100的限值要求。

塔楼核心筒总体处于弹性，仅局部区域出现轻微的塑性变形，混凝土未出现明显不利的受压状态，核心筒连梁普遍出现明显的塑性铰，且塑性程度较高，基本满足“生命安全LS ”的性能水平。外框柱总体处于弹性，个别角柱出现一定程度的塑性变形，外框梁总体处于弹性，仅与阻尼伸臂相邻的若干楼层处出现较轻的塑性铰。与阻尼器相连的悬挑桁架始终处于弹性范围。上述分析结果说明罕遇地震下塔楼各主要构件的性能均满足预定抗震性能目标的要求。

4 耗能减震效果

4.1 地震下耗能减震效果

计算结构在七条时程波下平均的基底剪力，基底倾覆力矩和层间位移角，得到减震效果如表3所示。考虑阻尼器作用时，不同水准地震作用楼层剪力，倾覆力矩和层间位移角均有明显减小。由于本工程黏滞阻尼器为非线性阻尼器，小变形下的耗能效果更为显著，因此小震作用下结构响应减少幅度较大，中震和大震作用下减小幅度依次降低。

表3 地震下减震效果 项目 方

向 小震 不考虑

阻尼器 考虑 阻尼器 减少百分比 不考虑阻尼器中震 考虑 阻尼器减少百分比 不考虑 阻尼器 大震 考虑 阻尼器 减少百分比

X 向 基底剪

力（kN ） Y 向

基底倾

覆力矩

(MN.m)

层间位

移角 X 向 Y 向 X 向 Y 向 0.005180.005110.004330.00428

4.2 附加阻尼比

ETABS 软件可以直接输出阻尼器耗能和模态阻尼耗能，模态阻尼为结构固有阻尼，其大小为4%（小震和中震）和5%（大震）。根据阻尼器耗能与模态阻尼耗能的比值可计算阻尼器提供的附加阻尼比，该方法简称能量对比法[3]。

根据能量对比法得到小、中、大震相应的附加阻尼比分别为4.6%、2.8%和1.9%。，如表5所示，说明黏滞阻尼器在不同的地震作用下都能发挥作用，为结构提供比较大的附加阻尼。由于采用的阻尼器为非线性阻尼器，因此在小变形下阻尼器耗能效率更高，附加阻尼比更大，随着地震作用加大，与外部输入能量相比，阻尼器耗散能量虽然也同步增加，但增加幅度更小，因此相对耗能效率逐渐降低。

表5 能量输出计算附加阻尼比

地震水准

小震 方向 X 向 Y 向

X 向

Y 向

X 向

Y 向 模态耗能 阻尼器耗能模态阻尼比附加阻尼比 中震 大震

5 抗震方案与减震方案对比

5.1 抗震结构方案

抗震方案采用型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒+伸臂桁架+环带桁架（12F ，28F ，37F 和48F ）结构体系，结构体系构成如图10。主要竖向抗侧构件由轴压比控制，因此抗震方案核心筒墙肢厚度及框架柱、梁截面均与减震方案相同。

整体塔楼 核心筒+伸臂桁架

图10 抗震方案结构体系构成

外框架

5.2 整体结构指标对比

整体结构指标对比见表6。两种方案均能满足结构总体控制指标。抗震方案周期明显小于减震方案，结构抗侧刚度约为减震方案的1.4倍，地震作用基底剪力约为减震方案的1.5倍，从层间位移角看，虽然抗震方案设置多道悬挑桁架提高结构刚度，但同时也增加了其承担的地震剪力，因此层间位移角仍较大。由此可见，抗震方案对结构抗侧刚度的要求导致地震荷载的进一步增加。由于主要竖向抗侧构件截面基本一致，结构总重量相当。

表6 整体结构指标对比 抗震方案

周期（s ）

总质量（t ）

小震基底剪力

（kN ）

小震顶点位移

（mm ）

小震层间位移角减震方案

5.3 结构抗震性能对比

由于周期较长和黏滞阻尼器耗能的双重作用，减震方案的主体结构承担的地震作用大大降低，结构变形减小。对减震方案，主体结构地震作用下内力明显减小，主要竖向抗侧构件，如剪力墙和框架柱中震下的拉力明显小于抗震方案。同时，不同地震水准下，减震方案的主要抗侧力构件的抗震性能也有不同程度的提高，大震之后结构修复范围和程度减小，对建筑重新使用影响更小。减震方案没有伸臂桁架，没有加强层，结构刚度上下更为均匀，不会出现刚度突变和薄弱层。总体上，减震结构抗震性能优于抗震方案。

5.4 结构经济性对比

减震方案主体结构构件的内力小于抗震方案，构件中的钢筋和型钢用量明显减少，钢筋用量减少约500t ，钢材用量减少约1500 t。虽然多出48个粘滞阻尼器的费用，但综合比较，整体结构的经济性仍优于抗震方案。减震方案主要竖向构件钢骨含量及钢筋含量有所降低，方便施工，而且取消悬挑桁架还可以加快施工周期，结构综合经济性更好。

6 结论

乌鲁木齐绿地中心为高烈度区超高层建筑，结构抗震设计中创新性采用消能减震技术，设置黏滞阻尼器为结构提供附加阻尼。本文对黏滞阻尼器布置和参数选择进行分析，研究减震结构整体性能和耗能效果，并对减震方案与抗震方案进行对比分析，得到以下结论：

（1）黏滞阻尼器的阻尼力与阻尼系数成非线性变化，阻尼系数越大、速度指数越小，阻尼力越大，耗能越显著。但需要根据结构的实际需要确定黏滞阻尼器的产品参数。

（2）黏滞阻尼器采用悬臂式布置于三个设备层上，小、中、大震下分别提供附加阻尼比约4.5%、2.8%、

1.9%。小、中、大震下基底剪力分别有效减少了21%、15%、9%，基底倾覆力矩有效减少了19%、12%、7%，层间位移角有效减少了25%、16%、10%。

（3）从整体结构指标，抗震性能目标及结构经济性三方面对比抗震方案与减震方案，减震方案结构刚度较小和阻尼器耗能作用，能有效减小地震作用，提高结构抗震性能，具有更好的经济性。

参考文献

[1] 华东建筑设计研究总院. 乌鲁木齐绿地中心三期项目抗震超限设计专家审查报告[R]. 2014.

[2] 周云. 金属耗能减震结构设计[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2006.

[3] 陈建兴. 超高层建筑耗能减震技术研究与应用[R]. 2014. 华东建筑设计研究总院，2014.

[4] JGJ3-2010，高层建筑设混凝土结构设计技术规程[S]. 北京，中国建筑工业出版社，2010.