1、 淺談減振技術(shù)在高層建筑中的應(yīng)用 黃明芯 （煙臺大學(xué)）摘要：近幾十年來, 高層建筑結(jié)構(gòu)的減振技術(shù)有了很大的發(fā)展。在突發(fā)的、強(qiáng)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(jié)構(gòu)體系變得更加安全、有效和合理對有效減輕由地震導(dǎo)致的災(zāi)害有著舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了消能減震體系、隔震體系、結(jié)構(gòu)被動體系以及結(jié)構(gòu)主動體系的建筑結(jié)構(gòu)減震控制新體系，并列舉了各種體系在工程中的應(yīng)用，為工程結(jié)構(gòu)的抗震減振設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞：消能減震體系 隔震體系 結(jié)構(gòu)被動體系 結(jié)構(gòu)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(yán)重的地震災(zāi)害1。在突發(fā)的、強(qiáng)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(jié)構(gòu)體系變得更加安全、有效和合理對有效減輕由地震導(dǎo)致的災(zāi)害有著舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義。此外，我國也是多臺風(fēng)的國家，超高層建筑的興建對風(fēng)力作用下的振動控制也提出了新的要求。 在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，風(fēng)和地震荷載是起控制作用的主要因素，按常規(guī)設(shè)計方法，為了抵御颶風(fēng)和強(qiáng)震的襲擊，常要強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力系統(tǒng)，這樣必導(dǎo)致建筑造價的增加2。據(jù)我國國情，要在較大范圍內(nèi)實(shí)施抗震設(shè)防，必須尋找一種既安全、適用，又經(jīng)濟(jì)的建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)被動體系（圖1.3）及主動控制體系（圖1.4）也在結(jié)構(gòu)抗振體系

3、中得到廣泛應(yīng)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(shè)計、隔震設(shè)計和制振設(shè)計的結(jié)構(gòu)特征可歸納為表1所示1： 表1 抗震設(shè)計、隔震設(shè)計和制振設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2 結(jié)構(gòu)消能減震體系2.1 結(jié)構(gòu)消能減震體系簡介 結(jié)構(gòu)消能減震體系的原理是通過迅速減緩結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，與此同時使主體結(jié)構(gòu)不能進(jìn)入明顯的非彈性狀態(tài)，這樣便可確保主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中的穩(wěn)定和安全。在結(jié)構(gòu)消能減震體系中，起重要作用的是效能構(gòu)件以及消能裝置，一般效能構(gòu)件由結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件設(shè)計而成，消能裝置則設(shè)置在結(jié)構(gòu)物的某些部位，在強(qiáng)震突發(fā)時，結(jié)構(gòu)受力從而發(fā)生較大變形，這時，設(shè)置在結(jié)構(gòu)中的

4、消能裝置率先進(jìn)入消能狀態(tài)，產(chǎn)生較大的阻尼從而大量消耗了輸入結(jié)構(gòu)中的地震能量，是結(jié)構(gòu)得到保護(hù)。從策略上講，結(jié)構(gòu)消能減震是將地震輸入結(jié)構(gòu)的能量引向特別設(shè)置的機(jī)構(gòu)和元件加以吸收和耗散，以保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全6。消能減震體系被廣泛應(yīng)用于高層建筑的抗震以及高聳構(gòu)筑物（塔、架等）的抗震或抗風(fēng)1。2.2 工程應(yīng)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(shè)計的最高的全鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑，是一座有50層的全鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑，高205米，由北京市建筑設(shè)計研究院設(shè)計。該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平面為缺角的正方形，整個結(jié)構(gòu)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(gòu)成。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在結(jié)構(gòu)的14層、30層

5、和47層設(shè)置了三個剛性層，這樣便提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。該結(jié)構(gòu)本著不增加或減小結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中舒適度的設(shè)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(jié)構(gòu)層內(nèi)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(cè)剛度，以保證結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)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(jié)構(gòu)的地震和風(fēng)振反應(yīng)。依據(jù)上述做法，設(shè)計了首都規(guī)劃大廈結(jié)構(gòu)內(nèi)筒上的人字型粘彈性阻尼器支撐，詳見圖所示： 圖2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)物底部

6、與基礎(chǔ)面之間設(shè)置某些隔震消能裝置而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系為抗震體系1。具體來說，在隔震層設(shè)計時，要滿足以下要求5：隔震層應(yīng)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(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)位移的作用，同時減小結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)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(shè)計基準(zhǔn)周期；隔震建筑的構(gòu)造措施應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的荷

7、載，通過其水平柔性來隔離水平地震作用向上部結(jié)構(gòu)傳遞，而鉛芯部分可以增大裝置阻尼，改善隔震墊的力學(xué)性能。3.2 工程應(yīng)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(fù)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(shè)計的較高大型公共建筑。 由于隔震墊設(shè)在第一層柱頂，所以電梯井、樓梯、進(jìn)門大臺階以及非主要柱均懸吊在二層結(jié)構(gòu)上，與一層結(jié)構(gòu)脫離。汕頭是我國隔震墊應(yīng)用較早的城市，但實(shí)踐證明隔震墊對于結(jié)構(gòu)抗震能起到明顯的作用。4 震動控制技術(shù)4.1 結(jié)構(gòu)被動控制減震體系簡介1,2結(jié)構(gòu)被動控制體系的原理是使原結(jié)構(gòu)體系

8、的動力特性得到改變。被動控制體系中的主要構(gòu)件是附屬子結(jié)構(gòu)，當(dāng)強(qiáng)震突發(fā)時，原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)質(zhì)量塊由于慣性的作用，向原結(jié)構(gòu)施加反向的作用力，從而減緩原結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，這個附屬子結(jié)構(gòu)稱為“調(diào)頻質(zhì)量阻尼器”TMD1 （也稱為TMD控制體系）。 被動TMD控制體系按子結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)成有三種，即支撐式、懸吊式和錘擊式（圖4.1）1，當(dāng)采用的質(zhì)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(jié)構(gòu)主動控制減震體系簡介 結(jié)構(gòu)主動控制減震體系是通過衰減結(jié)構(gòu)反應(yīng)以及迅速改變結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動態(tài)反應(yīng)的主動控制方法3,4為各種自控結(jié)構(gòu)物的研究設(shè)計開辟了廣闊的前景.目前，開發(fā)用于結(jié)構(gòu)抗震的主動控制體系按子結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)成也分為兩種：主動調(diào)頻 質(zhì)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(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(shè)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(yīng)很

10、大，因此提出用被動TMD控制太空艙和鋼桅桿頂。 5 結(jié)束語近年來, 一種以減振控振為手段, 采取積極防御的設(shè)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(jié)構(gòu)控制方法, 將人們多年來的實(shí)踐升華到理論的高度。在抗震減振的結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，對結(jié)構(gòu)振動控制的研究和應(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，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(xiàn)：1 趙西安，現(xiàn)代高層建筑設(shè)計，科學(xué)出版社，1999. 2 張耀春，何若全，高層建筑結(jié)構(gòu)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