淺談消能減震技術(shù)在超高層建筑中的應(yīng)用

趙維玲

中建中原建筑設(shè)計(jì)院有限公司 河南 鄭州 450000

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑行業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展與創(chuàng)新，超高層建筑在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，這樣就對(duì)建筑抗震性能提出更高的要求，使抗震技術(shù)也在不斷的創(chuàng)新發(fā)展。消能減震結(jié)構(gòu)是一種在建筑主體結(jié)構(gòu)的某部分設(shè)置一定數(shù)量的消能裝置，吸收結(jié)構(gòu)的地震能量，減小結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)，達(dá)到抗震減震的目的，來(lái)保障建筑的抗震性。

1 超高層建筑減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1 荷載概念設(shè)計(jì)

超高層建筑消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種由不確定到精確、由模糊到清晰、由抽象到具象而不斷深化的過(guò)程。通過(guò)對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行部分拆分，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的重組和控制作用，以此來(lái)提升超高層建筑整體的消能減震能力。在設(shè)計(jì)中主要對(duì)荷載概念設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，通過(guò)結(jié)構(gòu)體系中各構(gòu)件對(duì)其性能相對(duì)應(yīng)地調(diào)整，保障其設(shè)計(jì)結(jié)果能夠符合超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能要求。荷載概念設(shè)計(jì)主要是應(yīng)對(duì)風(fēng)力和地震對(duì)高層建筑的影響。在荷載的設(shè)計(jì)中,傳至基礎(chǔ)或承臺(tái)底面的作用效應(yīng)參照正常使用下極限狀態(tài)作用的標(biāo)準(zhǔn)組合，荷載中的風(fēng)荷載與地震荷載相同屬水平荷載，所以，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮荷載對(duì)建筑的水平作用，把風(fēng)載荷與地震荷載看作是變荷載的組合。

1.2 消能減震設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的對(duì)比優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方式是通過(guò)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度來(lái)達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)抗震的作用，其缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，通過(guò)結(jié)構(gòu)體本身來(lái)抗擊地震傳輸?shù)哪芰?，其設(shè)計(jì)依據(jù)主要是預(yù)定烈度，適用于耐震性能較強(qiáng)的超高層建筑，在大震作用下，結(jié)構(gòu)主體會(huì)產(chǎn)生不可修復(fù)的破壞，對(duì)目前人們對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)性能的需求和經(jīng)濟(jì)環(huán)保要求來(lái)說(shuō)，實(shí)用性比較有限，不是最佳選擇的方法。相比傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的不安全、不經(jīng)濟(jì)的特性，消能減震技術(shù)能夠很好地補(bǔ)足傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的劣勢(shì)。新的抗震技術(shù)是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力理論基礎(chǔ)，對(duì)不同烈度和結(jié)構(gòu)類型實(shí)現(xiàn)減震的方法，在部分剛度節(jié)點(diǎn)設(shè)置效能裝置，可以在建筑結(jié)構(gòu)遭受地震作用時(shí)，能夠利用自身結(jié)構(gòu)剛度與地震能量相抗衡，利用結(jié)構(gòu)剛度來(lái)抵御部分地震壓力，此時(shí)的消能裝置會(huì)產(chǎn)生較大的阻尼，降低結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)，防止結(jié)構(gòu)因?yàn)榈卣饓毫Χ鴮?dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞性影響繼續(xù)擴(kuò)大。消能減震設(shè)計(jì)方法主要是通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、增加阻尼的抗震的方式，其設(shè)計(jì)依據(jù)是根據(jù)場(chǎng)地動(dòng)力特征和結(jié)構(gòu)物特征，這種抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)體本身以及內(nèi)部附屬設(shè)備起到很好的保護(hù)作用，滿足建筑抗震的需求，具有安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。例如:華東總院減震工程對(duì)其技術(shù)應(yīng)用于各種減震項(xiàng)目中，其技術(shù)涵蓋了幾乎所有耗能類型，工程建設(shè)主要是用于抗震、抗風(fēng)以及質(zhì)量阻尼器為主。所以在傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)上設(shè)置消能構(gòu)件結(jié)構(gòu)，有如下幾點(diǎn)總結(jié)：首先，結(jié)構(gòu)中的消能裝置隨著樓層升高，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)逐漸擴(kuò)大，從而為結(jié)構(gòu)提供了阻尼，由此降低地震作用，有效保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和建筑主體受到損害；其次，在高層建筑設(shè)置消能裝置并不作為主體承重結(jié)構(gòu)，主要是為了形成抗震第一防線，削弱地震作用的；最后，遇到較強(qiáng)地震時(shí)，會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)主體剛度和阻尼都有影響，導(dǎo)致兩者發(fā)生不同程度變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者其他方式將其參數(shù)控制在合理范圍之內(nèi)，以便能夠合理確定消能支撐。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)選型及性能

2.1 超高層建筑結(jié)構(gòu)選型

超高層建筑結(jié)構(gòu)高度是指高于100m以上的民用建筑，而超高層建筑的高度也決定了建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，因此，就需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上科學(xué)控制建筑高度與寬度的比例，建筑高度越高，則軸向壓力越大，荷載也越大，設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要是針對(duì)水平作用方面的設(shè)計(jì)，圍繞著抗水平力的結(jié)構(gòu)特性為中心。主要結(jié)構(gòu)有剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)以及筒中筒結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)在性能上、剛度上、適用范圍上都有所不同，綜合各方面可知，選擇合適且科學(xué)的結(jié)構(gòu)體系是進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的第一步。常用的筒中筒結(jié)構(gòu)，是巨型框架進(jìn)行建設(shè)，利用中央核心筒結(jié)構(gòu)加以穩(wěn)固，目前中央核心筒在超高層建筑機(jī)構(gòu)中能夠?qū)崿F(xiàn)抗震效果震效果。

2.2 超高層建筑性能

建筑結(jié)構(gòu)抗震性能是工程建設(shè)的重要衡量指標(biāo)，對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，抗風(fēng)性能也是考慮的重要因素。超高層建筑的高度在達(dá)到一定程度時(shí)，如果橫向受力就會(huì)造成建筑輕微擺動(dòng)，由于超高層建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和特殊性，因風(fēng)力原因出現(xiàn)的擺動(dòng)對(duì)建筑有著很大的危險(xiǎn)性，在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，超高層建筑會(huì)因?yàn)閿[動(dòng)而造成地基不穩(wěn)，從而發(fā)生樓體斷裂，尤其是建筑中間位置最容易發(fā)生斷裂情況。所以，超高層建筑在性能要求上必須兼顧抗震性和抗風(fēng)性。例如：在昆明春之眼副塔減震技術(shù)工程實(shí)踐中，其副塔建筑高度有300m，一共有71層，作為超高層建筑，需要增加建筑的抗震性能和抗風(fēng)性能，減緩地震加速度，提高減震技術(shù)的使用率。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是容易受到破壞的，在建筑物遭受地震時(shí)，會(huì)使建筑本身的承載力都由墻體鋼筋混凝土承受。因此，為了能夠更好地穩(wěn)固建筑結(jié)構(gòu)，提高超高層建筑的抗震性能，需要利用搭建工藝，采取外圍鋼架密柱的方式，增加抗側(cè)性剛度，提高建筑的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力。除此之外，中央核心筒結(jié)構(gòu)在超高層建筑應(yīng)用上，會(huì)進(jìn)行多方面的搭建，減少地震作用帶來(lái)的剪力，中央核心筒結(jié)構(gòu)對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)是非常重要的結(jié)構(gòu)，對(duì)于提到建筑抗震性能上起著關(guān)鍵作用?；趯?duì)結(jié)構(gòu)緩沖地震剪力和消能作用的闡述，超高層在針對(duì)地震災(zāi)害進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還會(huì)運(yùn)用減少地震時(shí)能量輸入處理，保障其建筑結(jié)構(gòu)位移在抗震指標(biāo)合理范圍內(nèi)。

3 屈曲約束支撐作用與消能減震器的利用

3.1 屈曲約束支撐的作用

通常抗震方法可以根據(jù)地震振幅較小情況進(jìn)行合理運(yùn)用，但是除傳統(tǒng)方法之外，還可以運(yùn)用消能減震技術(shù)，其技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用新型的方法，促使建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能、風(fēng)荷載適應(yīng)度、災(zāi)害防護(hù)能力等均大大提升，其中在消能減震裝置應(yīng)用上，防屈曲支撐是最佳代表，可以在地震作用力下，避免發(fā)生屈曲，解決了剛度和承載力急劇降低的問(wèn)題；與此同時(shí)，還具備類似阻尼器的耗能作用，一般在地震振幅小的時(shí)候，不會(huì)發(fā)生屈曲情況，如果是地震振幅較大的情況，就會(huì)進(jìn)入屈服狀態(tài)并耗散地震能量，與此減少建筑結(jié)構(gòu)的受地震作用的影響力，保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)主體的穩(wěn)定，減少樓體受損程度。對(duì)于防屈曲支撐工程應(yīng)用上，以云南省減震建筑工程為例，該工程副塔位于抗震設(shè)防8度去，而且10層以下為重點(diǎn)設(shè)防類別，按照工程實(shí)施規(guī)定，副塔需要采用隔振或減震技術(shù)，并在第二避難層，即23樓以下再用防屈曲支撐，針對(duì)工程技術(shù)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，合理布置，達(dá)到消能減震效果。

3.2 消能減震器的利用

消能減震器在不同地震強(qiáng)度影響時(shí)充分發(fā)揮其預(yù)期的作用，在各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件中均有所運(yùn)用，本文僅選部分的運(yùn)用，消能伸臂是在建筑結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層的伸臂桁架中所設(shè)置的消能器，是通過(guò)設(shè)置伸臂桁架來(lái)平衡框架與核心筒之間的受力作用的，能夠起到增加抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)側(cè)移的作用。對(duì)于伸臂桁架設(shè)計(jì)成消能伸臂，能夠提升阻尼，增強(qiáng)耗能性能。主要是利用核心筒與外框架的豎向變形，來(lái)實(shí)現(xiàn)消能減震的目的。某超高層建筑結(jié)構(gòu)伸臂桁架采用不同的設(shè)計(jì)方案，一種是普通支撐，一種是防屈曲支撐，其建筑高度在222.7m，地上層數(shù)一共有50層，在第16層、28層、40層分別進(jìn)行設(shè)置伸臂桁架，并且外層框架設(shè)置環(huán)形腰桁架，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算來(lái)確定消能伸臂桁架架應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。經(jīng)計(jì)算數(shù)據(jù)比較，消能伸臂桁架對(duì)提高結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度，減小水平荷載作用的位移，取得了良好的效果。

4 結(jié)論

綜合上述對(duì)于消能減震技術(shù)于超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)類型、設(shè)置、受力特點(diǎn)、剛度、抗震性能等層面進(jìn)行綜合考量，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)、常規(guī)抗震方法的闡述，防屈曲耗能支撐就是比較有效成熟的消能減震技術(shù)，有效抵抗地震作用帶來(lái)的破壞性影響，有著鮮明的實(shí)用性和優(yōu)勢(shì)。