高層建筑混合被動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與分析研究

李正勝

（中國(guó)建筑第七工程局有限公司，鄭州 450000）

1 背景介紹

《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》（國(guó)發(fā)〔2021〕23號(hào)）中對(duì)“城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰行動(dòng)”提出了明確的要求。在城市更新建設(shè)中，采用被動(dòng)控制（減隔震）技術(shù)的建筑，在地震發(fā)生后少量維修甚至不需維修即可投入使用，進(jìn)而降低建筑材料的使用，推動(dòng)建材行業(yè)、鋼鐵行業(yè)的碳達(dá)峰，促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展及城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快提升建筑能效水平。《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》（中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院令第744號(hào)）也提到，位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、兒童福利機(jī)構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場(chǎng)所、廣播電視等建筑，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定采用隔震、減震等技術(shù)，保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用要求，并且鼓勵(lì)除上述以外的建設(shè)工程采用隔震減震等技術(shù)[1]。

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，建筑體型和功能日趨復(fù)雜，業(yè)主或甲方對(duì)建筑的使用功能及其舒適性要求越來(lái)越高，單一的抗震技術(shù)在兼顧減震效果和建筑使用功能需求上存在一定的困難。采用混合被動(dòng)控制（減隔震）技術(shù)能極大地提高建筑的抗震性能，在適度提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，用很小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)就能達(dá)到遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)抗震加固技術(shù)的目標(biāo)，符合全社會(huì)積極倡導(dǎo)的簡(jiǎn)約適度、綠色低碳的生活方式。

2 抗震技術(shù)的發(fā)展

地震作用是地震導(dǎo)致地面運(yùn)動(dòng)而引起建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)，是一種整體性作用。地震的發(fā)生具有極大的隨機(jī)性和不確定性，乃至不可預(yù)見(jiàn)性。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的抗震是以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞實(shí)現(xiàn)地震能量的耗散[2]。

2.1 抗震結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的抗震立足于“抗”：通過(guò)提高混凝土標(biāo)號(hào)、增加墻厚和鋼筋數(shù)量提升結(jié)構(gòu)自身抗震能力，最終由主體結(jié)構(gòu)自身吸收地震波能量。而消能減震立足于“減”：地震波到達(dá)時(shí)，由減震裝置耗散地震作用減輕地震波對(duì)建筑造成的影響，最終由設(shè)置的隔震裝置和結(jié)構(gòu)主體共同吸收地震波能量。隔震技術(shù)立足于“隔”：設(shè)置隔震裝置使建筑物與地基基礎(chǔ)分隔，最終由隔震裝置吸收能量。

2.2 減、隔震技術(shù)

隔震技術(shù)是在建筑的基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間（基礎(chǔ)隔震）或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間（層間隔震）設(shè)置隔震裝置（疊層橡膠支座、滑板支座、摩擦擺支座等）來(lái)延長(zhǎng)上部結(jié)構(gòu)的自震周期，削弱地震作用下上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。消能減震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能阻尼器（屈曲約束支撐、黏滯阻尼器、黏彈阻尼器、摩擦阻尼器、剪切或彎曲型金屬阻尼器等）裝置或機(jī)構(gòu)，阻尼器在地震作用下首先耗能，從而降低主體結(jié)構(gòu)的地震作用，進(jìn)而減少主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷（見(jiàn)圖1～圖3）。

圖1 屈曲約束支撐

圖2 黏滯消能器

圖3 阻尼器布置及構(gòu)造

2.3 混合被動(dòng)控制系統(tǒng)

混合被動(dòng)控制系統(tǒng)無(wú)外加能源的控制，其控制力是由控制裝置隨著結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)變形而被動(dòng)產(chǎn)生的，是指在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位附加兩種及以上耗能裝置或子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，對(duì)結(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理，以改變結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性，將被動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成“可犧牲”構(gòu)件并在地震中集中耗能，震后只對(duì)“可犧牲”構(gòu)件進(jìn)行更換，從而達(dá)到控制主體結(jié)構(gòu)損傷的目的。地震后只需更換損壞的控制系統(tǒng)而建筑的使用功能不會(huì)中斷，地震后的維修費(fèi)用也將大大降低[3]。

3 混合被動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

1）建立模型，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及參數(shù)分析，明確無(wú)抗震結(jié)構(gòu)時(shí)建筑的地震響應(yīng)。

2）更換不同抗震裝置組合在同一結(jié)構(gòu)中進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)相互影響機(jī)理明確不同混合減震技術(shù)的適用范圍及條件。

3）確定抗震組合裝置的型式、規(guī)格參數(shù)、數(shù)量和安裝位置等。

4）明確混合被動(dòng)控制系統(tǒng)的可操作性方法、構(gòu)造措施、施工措施成套技術(shù)。

5）對(duì)確定的組合和相關(guān)配套技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

主要包括：

1）考慮阻尼器在不同水準(zhǔn)地震作用下的工作狀態(tài)。在地震時(shí)，黏滯阻尼器的作用是阻尼耗能減小地震作用，減小層間變形；位移型阻尼器的作用是屈服后剛度和塑性耗能，減小層間變形；黏彈性阻尼器的作用是阻尼耗能和剛度。

2）考慮阻尼器與主體結(jié)構(gòu)的連接形式（支撐型、墻體型、支墩型）。

3）考慮技術(shù)可靠性。各類抗震裝置的使用壽命周期以及在組合使用時(shí)需進(jìn)行更換的時(shí)間，在組合裝置中，某個(gè)抗震構(gòu)件損壞，剩余部分裝置能否滿足抗震要求。

4）考慮經(jīng)濟(jì)性。組合裝置中，各類抗震裝置的價(jià)格直接影響此項(xiàng)技術(shù)的使用推廣及設(shè)計(jì)布置，要在充分考慮安全、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。

4 混合被動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是按照X、Y兩個(gè)方向分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能分散布置，這樣可以實(shí)現(xiàn)阻尼在結(jié)構(gòu)中的均勻分布，使X方向和Y方向的附加阻尼比接近，可以在結(jié)構(gòu)分析中采用統(tǒng)一的阻尼比。

框架結(jié)構(gòu)以剪切變形為主，下部變形大于上部變形，中跨變形大于邊跨變形，消能器一般布置在框架結(jié)構(gòu)下部中跨位置。剪力墻結(jié)構(gòu)以彎曲變形為主，層間剪切變形很小，變形主要集中在連梁處，中部連梁的變形最大，消能器布置在結(jié)構(gòu)中部連梁處效率最高。對(duì)于框架剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)其變形特點(diǎn)，消能器一般布置在與核心筒相連的框架中或者剪力墻的連梁中。如主體結(jié)構(gòu)本身存在相對(duì)薄弱的樓層，則應(yīng)該在薄弱層多設(shè)置阻尼器，一方面可減輕結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的程度，另一方面可以更有效地發(fā)揮阻尼器的效果?？傮w來(lái)說(shuō)，隔震層設(shè)置消能減震器；基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)設(shè)置消能減震器；層間隔震結(jié)構(gòu)下部加消能減震器；層間隔震結(jié)構(gòu)的上部加消能減震器。

5 混合被動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

5.1 安全性

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，混合系統(tǒng)隔震裝置作為第一道抗震防線，優(yōu)先抵抗地震作用，再由減震構(gòu)件作為第二道抗震防線，通過(guò)屈服耗能將剩余能量大量消耗掉，可有效減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的20%～40%，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，減小地震給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的破壞。這種方式可有效提升結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時(shí)克服結(jié)構(gòu)“一次設(shè)計(jì)”帶來(lái)的弊端，更易實(shí)現(xiàn)大震不倒，震后修復(fù)快捷簡(jiǎn)便，充分體現(xiàn)對(duì)生命的尊重與呵護(hù)。

5.2 經(jīng)濟(jì)性

在相同抗震要求下，混合被動(dòng)控制系統(tǒng)能在整體上降低混凝土量10%、含鋼量減少30%，減少梁柱構(gòu)件截面尺寸，甚至取消部分樁基、梁柱剪力墻等，達(dá)到節(jié)約主體結(jié)構(gòu)材料成本的目標(biāo)，同時(shí)也優(yōu)化了空間布置、改善了建筑面積利用率，空間體驗(yàn)感更好，實(shí)現(xiàn)了戶型可變。有助于塑造高端定位，節(jié)省工期，同時(shí)加快產(chǎn)品的去化速度，通常情況下可節(jié)省10%～50%的工程造價(jià)。

5.3 適用性

混合被動(dòng)控制系統(tǒng)不受豎向荷載、結(jié)構(gòu)類型、平面形狀、層數(shù)、高度、空間等條件的限制，減震產(chǎn)品可采用后安裝的方式，不影響主體結(jié)構(gòu)施工工期，應(yīng)用范圍更廣，還可根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震要求和投資需要，靈活調(diào)整減震方案（特別是EPC項(xiàng)目），對(duì)建筑方案、各項(xiàng)規(guī)劃指標(biāo)做到變動(dòng)最少。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，混合被動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用將有效提高結(jié)構(gòu)在地震中的穩(wěn)定性和可靠性，有效減輕地震破壞，減少經(jīng)濟(jì)損失，降低建筑材料的使用，進(jìn)而推動(dòng)建材行業(yè)、鋼鐵行業(yè)的碳達(dá)峰，促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展及城鄉(xiāng)建設(shè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快提升建筑能效水平，并有效地實(shí)現(xiàn)人們對(duì)綠色低碳，民生優(yōu)先，共建共享的要求和對(duì)美好生活的向往。