復(fù)雜高層建筑抗震與消能減震研究進(jìn)展

許振龍

（大慶筑安建工集團(tuán)有限公司）

摘 要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的起飛和城市化進(jìn)程的加速，高層建筑在全國(guó)各地大量興建，復(fù)雜高層建筑得到了飛速發(fā)展。目前，由于城市用地日益緊張和社會(huì)需求日趨多樣化，建筑物的高度和跨度不斷增加，體型越來(lái)越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)難度不斷增加。復(fù)雜高層建筑的震害在近來(lái)的歷次地震中都有發(fā)生，其抗震分析和設(shè)計(jì)難度較大，提高其抗震性能是當(dāng)前建筑抗震的難點(diǎn)之一。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震；消能減震；非線(xiàn)性分析；性態(tài)設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會(huì)需求的多樣性，建筑的高度越來(lái)越高，體型變得更加復(fù)雜，抗震設(shè)計(jì)也變得愈加困難。建筑設(shè)計(jì)為了追求多功能、多變的使用空間及豐富的立面設(shè)計(jì)效果，常采用復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系，從而使高層建筑抗震工作成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震

復(fù)雜高層建筑和普通建筑相比是有很大的不同的，復(fù)雜高層建筑在建設(shè)施工時(shí)需要經(jīng)歷非常復(fù)雜的流程，而且高度也比較高，如果出現(xiàn)了一些自然災(zāi)害或者是緊急事故，對(duì)救援工作的展開(kāi)是非常不利的，在這樣的情況下對(duì)復(fù)雜高層建筑設(shè)計(jì)就提出了更高的要求，在復(fù)雜高層建筑建設(shè)施工中主要要考慮以下要素：

1.1 抗震設(shè)計(jì)時(shí)要保證其為彈性狀態(tài)

在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，復(fù)雜高層建筑由于其高度過(guò)高，所以會(huì)對(duì)周?chē)渌慕ㄖa(chǎn)生非常大的影響，這種現(xiàn)象的存在會(huì)在造成一定的災(zāi)害，所以對(duì)高層建筑的進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)是非常有必要的，在抗震設(shè)計(jì)中要春分考慮其彈性，這樣能夠在地震發(fā)生時(shí)減少建筑物所受的損害。

1.2 抗震倒塌設(shè)計(jì)

在對(duì)復(fù)雜高層建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)建筑所承受的地震災(zāi)害和其能夠承受的地震損害進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)算和分析，這可以在一定程度上減輕地震給建筑物帶來(lái)的傷害。另一方面在建筑物的抗震設(shè)計(jì)中延展性要素要格外注意，不斷加強(qiáng)抗震結(jié)構(gòu)所能承受的壓力，在控制方面一定要保證其非彈性形變的能力不能超過(guò)其本身能夠承受的壓力，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要對(duì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)進(jìn)行合理科學(xué)的控制，使其能夠保證地域自然災(zāi)害的能力。

2 復(fù)雜高層建筑消能減震設(shè)計(jì)

隨著人們安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的不斷更新，人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的減震、隔震設(shè)計(jì)越來(lái)越重視。我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候，除了對(duì)建筑物的基礎(chǔ)部分采用特殊處理之外，還可以借助消能減震裝置或者元件削弱地震對(duì)建筑物的作用力，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，這些減震裝置和元件是為一些建筑工程的后期防震工作的加強(qiáng)而研發(fā)的。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)消能減震的形式

建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行消能減震時(shí)主要是根據(jù)消能減震設(shè)備或部件來(lái)區(qū)分其形式。第一種形式是支撐部件和消能器共同負(fù)責(zé)消能減震工作，其中應(yīng)用比較廣泛的為單斜杠式支撐、交叉式支撐等。第二種是在樓層之間的支架內(nèi)安裝消能減震設(shè)備，一般采用的人字形或V字形兩種結(jié)構(gòu)。第三種是在建筑墻體上設(shè)計(jì)消能減震縫，并利用各種消能材料進(jìn)行填充，增加墻體本身的粘彈性和粘滯性。第四種主要是在建筑結(jié)構(gòu)的梁柱各節(jié)點(diǎn)位置安裝消能減震設(shè)備，形成點(diǎn)狀分布的消能網(wǎng)絡(luò)，提高建筑整體的抗震效果，這一技術(shù)在樓體主體與相鄰樓體間的減震設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。

2.2 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)消能減震方法

阻尼器是消能減震結(jié)構(gòu)中的耗能元件，目前已經(jīng)研制出了多種阻尼元件。一旦建筑物建成以后，如果想對(duì)其進(jìn)行抗震加固，就要采用增加阻尼的辦法，在建筑物的結(jié)構(gòu)上重新添加消能減震裝置，這樣的話(huà)不僅會(huì)增加施工成本，導(dǎo)致工程造價(jià)的增加，還給施工造成了不便，因?yàn)樵黾幼枘岬氖┕こ绦蛞^隔震層的施工復(fù)雜的多。

2.2.1 粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)

粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及大量的結(jié)構(gòu)分析表明，在結(jié)構(gòu)中安裝粘彈性阻尼器可減小風(fēng)振反應(yīng)和地震反應(yīng)40%～80%，可確保主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)震中的安全性，并使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)的舒適度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。西雅圖哥倫比亞中心大廈起初是因?yàn)樵陲L(fēng)振的影響下，頂部幾層有明顯的不舒適感，安上粘彈性阻尼器后，不再有不舒適感，效果良好。由此可見(jiàn)，采用粘彈性阻尼器減小建筑的風(fēng)振或地震效應(yīng)在經(jīng)濟(jì)上是相當(dāng)可觀的。

2.2.2 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器是一種速度相關(guān)型阻尼器，一般由缸體、活塞和粘滯流體組成，通過(guò)附設(shè)粘滯性阻尼器，消能建筑相對(duì)于普通的混凝土框架建筑，在抗震性能方面有所提高，通過(guò)附設(shè)的阻尼器在地震過(guò)程中的工作，粘滯阻尼器發(fā)揮耗能減震作用。軍事以及航空領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)用到粘滯阻尼器，但目前也應(yīng)用于建筑振動(dòng)控制之中，其原理是通過(guò)活塞桿的運(yùn)動(dòng)壓迫液體通過(guò)活塞小孔，進(jìn)而產(chǎn)生較大的阻尼力，最終實(shí)現(xiàn)了能量的耗損。

粘滯阻尼器具有很多優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的阻尼力得到了有效的提升，自身結(jié)構(gòu)在較寬的頻帶內(nèi)依舊保持線(xiàn)性反應(yīng)，外界溫度的變化對(duì)其影響不大，除此之外阻尼力和位移并不保持同步，能夠?qū)娱g剪力和加速度進(jìn)行較好的控制。但其自身的制作工藝難度較大，容易出現(xiàn)粘滯液體滲漏的現(xiàn)象。但是粘滯阻尼器的減震耗能效果非常的好，在土木工程領(lǐng)域的越來(lái)越受到青睞，如果遇到強(qiáng)震，該阻尼器會(huì)將結(jié)構(gòu)的自振頻率予以改變，這樣也就實(shí)現(xiàn)減震耗能的目標(biāo)。

2.2.3 先進(jìn)的減震體系

如何考慮附加的阻尼和剛度是消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的核心問(wèn)題。結(jié)構(gòu)消能減震體系是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件（如支撐，剪力墻，連接件等）設(shè)計(jì)成消能桿件?，F(xiàn)在隨著科技的發(fā)展，主動(dòng)和半主動(dòng)控制也正在被廣泛地研究中，它是在不同學(xué)科和專(zhuān)業(yè)之間開(kāi)展合作和交叉研究，開(kāi)發(fā)使用的感應(yīng)和接收裝置、結(jié)合控制專(zhuān)業(yè)的配套技術(shù)，形成新的產(chǎn)業(yè)，以支持新技術(shù)的推廣應(yīng)用。結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究和應(yīng)用需要將傳統(tǒng)的建造技術(shù)與高新技術(shù)相結(jié)合，使結(jié)構(gòu)的安全保障系統(tǒng)成為智能結(jié)構(gòu)的重要組成部分。如在建筑物基礎(chǔ)安裝像汽車(chē)安全氣囊的感應(yīng)氣墊，一旦地震來(lái)臨，縱波感應(yīng)器啟動(dòng)，在橫波能量對(duì)建筑物造成破壞前感應(yīng)氣墊膨脹并把來(lái)自于縱波的能量進(jìn)行消能，真正實(shí)現(xiàn)了像汽車(chē)一樣的智能減震體系。

結(jié)束語(yǔ)

建筑物的抗震與消能減震設(shè)計(jì)直接關(guān)系到建筑物抗擊地震的能力和保護(hù)人們財(cái)產(chǎn)和生命健康的能力，所以，是施工中必須要重視的重點(diǎn)問(wèn)題之一。建筑物的抗震措施是非常多的，如對(duì)地基進(jìn)行特殊處理、設(shè)置抗震裝置、對(duì)建筑的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行防震設(shè)計(jì)等等，每一種裝置和方法都是工程人員在實(shí)踐中不斷摸索總結(jié)出來(lái)的，一般情況下為了達(dá)到更好的抗震防震效果，在工程中這幾種措施通常是混合使用的。

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