淺談減震技術在高層建筑中的應用

1、 淺談減振技術在高層建筑中的應用 黃明芯 （煙臺大學）摘要：近幾十年來, 高層建筑結構的減振技術有了很大的發(fā)展。在突發(fā)的、強度大的地震中，怎樣保證建筑物的穩(wěn)定和安全以及如何使結構體系變得更加安全、有效和合理對有效減輕由地震導致的災害有著舉足輕重的現實意義。本文介紹了消能減震體系、隔震體系、結構被動體系以及結構主動體系的建筑結構減震控制新體系，并列舉了各種體系在工程中的應用，為工程結構的抗震減振設計提供參考。關鍵詞：消能減震體系 隔震體系 結構被動體系 結構主動體系1.前言 我國處于全球兩大地震帶交匯處，地震突發(fā)頻繁。在地震中，建筑物大量破壞和倒塌，造成了嚴重的地震災害1。在突發(fā)的、強度大的地震

2、中，怎樣保證建筑物的穩(wěn)定和安全以及如何使結構體系變得更加安全、有效和合理對有效減輕由地震導致的災害有著舉足輕重的現實意義。此外，我國也是多臺風的國家，超高層建筑的興建對風力作用下的振動控制也提出了新的要求。 在高層建筑結構設計中，風和地震荷載是起控制作用的主要因素，按常規(guī)設計方法，為了抵御颶風和強震的襲擊，常要強化結構的抗側力系統(tǒng)，這樣必導致建筑造價的增加2。據我國國情，要在較大范圍內實施抗震設防，必須尋找一種既安全、適用，又經濟的建筑結構減震控制新體系，隨著高層建筑的越來越普遍，消能減震體系（圖1.1）、隔震體系（圖1.2），結構被動體系（圖1.3）及主動控制體系（圖1.4）也在結構抗振體系

3、中得到廣泛應用1。 圖1.1 消能減震體系 圖1.2隔震體系 圖1.3 被動控制體系 圖1.4 主動控制體系 抗震設計、隔震設計和制振設計的結構特征可歸納為表1所示1： 表1 抗震設計、隔震設計和制振設計的結構特點2 結構消能減震體系2.1 結構消能減震體系簡介 結構消能減震體系的原理是通過迅速減緩結構的地震反應，與此同時使主體結構不能進入明顯的非彈性狀態(tài)，這樣便可確保主體結構在強震中的穩(wěn)定和安全。在結構消能減震體系中，起重要作用的是效能構件以及消能裝置，一般效能構件由結構物的某些非承重構件設計而成，消能裝置則設置在結構物的某些部位，在強震突發(fā)時，結構受力從而發(fā)生較大變形，這時，設置在結構中的

4、消能裝置率先進入消能狀態(tài)，產生較大的阻尼從而大量消耗了輸入結構中的地震能量，是結構得到保護。從策略上講，結構消能減震是將地震輸入結構的能量引向特別設置的機構和元件加以吸收和耗散，以保護主體結構的安全6。消能減震體系被廣泛應用于高層建筑的抗震以及高聳構筑物（塔、架等）的抗震或抗風1。2.2 工程應用1首都規(guī)劃大廈首都規(guī)劃大廈建于北京城市，是我國 至今為止自行設計的最高的全鋼結構超高層建筑，是一座有50層的全鋼結構超高層建筑，高205米，由北京市建筑設計研究院設計。該結構的結構平面為缺角的正方形，整個結構由鋼框架和人字形支撐組成的鋼核芯筒加外圈四片鋼框架所構成。在結構設計時，在結構的14層、30層

5、和47層設置了三個剛性層，這樣便提高了結構的抗側剛度。該結構本著不增加或減小結構造價的原則，采用粘彈性阻尼器來保證在大震烈度下不超過我國高層鋼結構技術規(guī)程中舒適度的設計界限具體做法如下：除第一三層和三個剛性層處外，將所有其余結構層內的人字形鋼支撐改為人字型粘彈性阻尼器支撐。粘彈性阻尼器的鋼支撐必須保持與原人字型支撐有相同的抗側剛度，以保證結構整體抗側剛度不變。粘彈性阻尼器支撐必須是具有足夠的耗能能力，以減少結構的地震和風振反應。依據上述做法，設計了首都規(guī)劃大廈結構內筒上的人字型粘彈性阻尼器支撐，詳見圖所示： 圖2.1 結構內筒上的粘彈性阻尼器支撐 3 隔震體系3.1 隔震體系簡介 在結構物底部

6、與基礎面之間設置某些隔震消能裝置而構成的結構體系為抗震體系1。具體來說，在隔震層設計時，要滿足以下要求5：隔震層應具有足夠的豎向剛度和豎向承載力，能穩(wěn)定的承載上部結構；具有足夠的水平剛度，能保證將建筑物基本周期延長，減小地震作用；隔震層要有一定的阻尼，能起到衰減振動、限制結構位移的作用，同時減小結構在強風和小震作用下的晃動；選用的隔震支座要具有足夠的耐久性，至少要大于建筑物設計基準周期；隔震建筑的構造措施應滿足規(guī)范要求。 隔震裝置按類型劃分有1：夾層橡膠墊隔震、擺式隔震、滑移隔震、滾軸隔震及混合隔震。其中夾層橡膠隔震墊是目前應用最廣泛的一種，其隔震原理是利用橡膠較大的豎向剛度來承受上部結構的荷

7、載，通過其水平柔性來隔離水平地震作用向上部結構傳遞，而鉛芯部分可以增大裝置阻尼，改善隔震墊的力學性能。3.2 工程應用 汕頭博物館 汕頭博物館位于汕頭中山公司的西端，館高42米，為十層高的高層建筑。占地總面積為16600平方米，平面形狀復雜，是一幢與古樸的中山公園相融合的塔形建筑。它是我國第一棟采用隔震設計的較高大型公共建筑。 由于隔震墊設在第一層柱頂，所以電梯井、樓梯、進門大臺階以及非主要柱均懸吊在二層結構上，與一層結構脫離。汕頭是我國隔震墊應用較早的城市，但實踐證明隔震墊對于結構抗震能起到明顯的作用。4 震動控制技術4.1 結構被動控制減震體系簡介1,2結構被動控制體系的原理是使原結構體系

8、的動力特性得到改變。被動控制體系中的主要構件是附屬子結構，當強震突發(fā)時，原結構因地震作用而發(fā)生劇烈的震動，這時阻尼器開始發(fā)揮消能作用，與此同時，附屬子結構質量塊由于慣性的作用，向原結構施加反向的作用力，從而減緩原結構的地震反應，這個附屬子結構稱為“調頻質量阻尼器”TMD1 （也稱為TMD控制體系）。 被動TMD控制體系按子結構的不同構成有三種，即支撐式、懸吊式和錘擊式（圖4.1）1，當采用的質量物為液體時，體系成為減振水槽，即TLD. 圖4.1 被動減震系統(tǒng) 4.2結構主動控制減震體系簡介 結構主動控制減震體系是通過衰減結構反應以及迅速改變結構動力特性為目的的控制體系。（主動控制系統(tǒng)的流程如圖

9、4.2所示1）這種依靠外加能量抵消結構動態(tài)反應的主動控制方法3,4為各種自控結構物的研究設計開辟了廣闊的前景.目前，開發(fā)用于結構抗震的主動控制體系按子結構的不同構成也分為兩種：主動調頻 質量阻尼器和主動拉索控制體系。 圖4.2 主動控制系統(tǒng)的流程 4.3 工程應用1上海東方明珠廣播電視塔上海東方明珠廣播電視塔（簡稱上海電視塔）塔高463.8m，該電視塔為預應力鋼筋混凝土結構，由樁基、地下室、塔身、鋼筋混凝土桅桿、鋼桅桿和三個球體組成，塔身為三根直徑為9m的筒體，成三角形分布。上海電視塔所在場地為典型的軟土地基，抗震設防烈度為7度，地震是該塔主要荷載之一，在地震作用下，太空艙和鋼桅桿頂部的反應很

10、大，因此提出用被動TMD控制太空艙和鋼桅桿頂。 5 結束語近年來, 一種以減振控振為手段, 采取積極防御的設計思想在一些地震多發(fā)國家取得了較快的發(fā)展。 特別是近十余年來發(fā)展的結構控制方法, 將人們多年來的實踐升華到理論的高度。在抗震減振的結構設計中，隨著高層建筑的普及，對抗震減振的要求不斷增加，我們要吸取國內外經驗，對結構振動控制的研究和應用需要將傳統(tǒng)的建造技術與高新技術相結合，使結構的安全保障系統(tǒng)成為智能結構的重要組成部分，為人類營造一個更加安全舒適的工作和生活環(huán)境7.參考文獻：1 趙西安，現代高層建筑設計，科學出版社，1999. 2 張耀春，何若全，高層建筑結構的減振系統(tǒng)，1990. 3 J.N.Yang,T.T.Soong,Recent Advancement in Active Control of Civil Engineering Structures.J.Frobabilistic Engi