丁潔民，吳宏磊，王世玉,3，陳長嘉

(1 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092；2 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；3 太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

1 我國抗震及組合減隔震概述

1.1 中國地震作用分布

中國地處環(huán)太平洋火山地震帶和歐亞地震帶之間，是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。中國的地震活動主要分布在五個地區(qū)的23條地震帶上。其中，將7度(0.15g)及其以上地區(qū)稱為高烈度地震區(qū)，我國主要城市在高烈度地震區(qū)的分布比例約為31%(圖1)?？梢姡袊鞘谢l(fā)展面臨嚴(yán)峻的抗震設(shè)防工作。

圖1 中國主要城市在不同烈度區(qū)分布比例

不同抗震設(shè)防烈度的代表城市見表1。從表1可以看出，中國高烈度地震區(qū)主要位于西南地區(qū)、西北地區(qū)和中部地區(qū)。位于1～3等級地區(qū)及場地條件差的7度區(qū)的項目(比如上海地區(qū)，場地特征周期Tg=0.9s)對抗震技術(shù)有高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

中國抗震等級劃分 表1

1.2 抗震結(jié)構(gòu)類型

我國抗震結(jié)構(gòu)主要包括剛性抗震結(jié)構(gòu)、延性抗震結(jié)構(gòu)、消能減震結(jié)構(gòu)及隔震結(jié)構(gòu)四種結(jié)構(gòu)形式[1]，如圖2所示。

圖2 中國主要抗震結(jié)構(gòu)體系

剛性抗震結(jié)構(gòu)采取“硬抗”思路，通過加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度提升抗震性能，因此需耗費(fèi)大量建筑材料。延性抗震結(jié)構(gòu)采取“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計理念，使得結(jié)構(gòu)在地震作用下保持一定的延性，達(dá)到“三水準(zhǔn)、兩階段”的設(shè)計目標(biāo)。減震、隔震結(jié)構(gòu)是通過在主體結(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能裝置或隔震裝置，以耗散或隔離輸入結(jié)構(gòu)中的地震能量，從而改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1.3 減隔震技術(shù)分類

常用的減震裝置有金屬阻尼器和黏滯阻尼器[2]，如圖3所示。其中，金屬阻尼器屬于位移相關(guān)型阻尼器，在地震往復(fù)作用下通過金屬材料屈服時產(chǎn)生的彈塑性滯回變形耗散地震能量，如軟鋼阻尼器和屈曲約束支撐；黏滯阻尼器屬于速度相關(guān)型阻尼器，在地震往復(fù)作用下利用其黏滯材料的阻尼特性來耗散地震能量，如桿式黏滯阻尼器和黏滯阻尼墻。

圖3 減震裝置

常用的隔震裝置有疊層橡膠支座(圖4(a)，(b))和滑動支座(圖4(c)，(d))，兩者均具有較大的豎向剛度，以便承受巨大的上部結(jié)構(gòu)重量，水平剛度則相對小很多，以隔離輸入結(jié)構(gòu)的地震能量。

圖4 隔震裝置

1.4 組合減隔震技術(shù)概述

組合減隔震技術(shù)是減隔震技術(shù)的一種創(chuàng)新應(yīng)用形式，主要包括減震組合技術(shù)、減震與隔震組合技術(shù)兩種。

1.4.1 減震組合技術(shù)

減震組合技術(shù)[3]是指根據(jù)結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計要求，合理組合應(yīng)用多種減震裝置，充分發(fā)揮各種減震裝置耗能效果，減小地震作用，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，其分類如圖5所示。

圖5 常用組合減震技術(shù)分類示意圖

減震組合技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于許多重大工程中，并取得了良好的抗震效果，比如云南滇池會展中心[3]、西藏某加固改造項目[4]。日建設(shè)計東京總部大樓[5]、日本仙石山森大廈[6]等。日建設(shè)計東京總部大樓位于日本東京千代田區(qū)坂田橋(圖6)，為框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為60m，地下1層，地上14層，總建筑面積為20 581m2。大樓采用黏滯阻尼墻+屈曲約束支撐的組合減震技術(shù)，減震裝置及布置如圖7～9所示。黏滯阻尼墻在小震、中震和風(fēng)荷載作用下發(fā)揮作用，屈曲約束支撐則在中震和大震作用下發(fā)揮作用?；旌蠎?yīng)用兩種減震裝置，中震下結(jié)構(gòu)阻尼比可以達(dá)到小震下的2倍。大樓在2011年3月11日經(jīng)歷東日本大地震時，黏滯阻尼墻和屈曲約束支撐有效發(fā)揮了耗能減震作用，大樓主體結(jié)構(gòu)完好無損。日本仙石山森大廈總建筑高度為206.69m，采用黏滯阻尼墻+摩擦阻尼器的組合減震技術(shù)，其中黏滯阻尼墻在小震和大震作用下發(fā)揮作用，摩擦阻尼器只在大震作用下發(fā)揮作用。

圖7 黏滯阻尼器

圖8 屈曲約束支撐

圖9 日建設(shè)計東京總部大樓減震裝置布置

1.4.2 減震與隔震組合技術(shù)

減震與隔震組合技術(shù)[7]是指結(jié)構(gòu)在采用隔震技術(shù)的基礎(chǔ)上，在隔震層內(nèi)或隔震層外樓層布置減震裝置以進(jìn)一步減小地震作用，改善結(jié)構(gòu)抗震性能，其分類如圖10所示。

圖10 常用組合減隔震技術(shù)分類示意圖

減震與隔震組合技術(shù)應(yīng)用更為廣泛。江蘇宿遷蘇豪銀座[8]為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度為80m，地下2層，地上20層，總建筑面積為67 000m2，建筑效果圖如圖11所示。大樓采用層間隔震+層內(nèi)減震(黏滯阻尼器)的組合減隔震方案，隔震層內(nèi)設(shè)置天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座和黏滯阻尼器，隔震層位置如圖12所示?；旌蠎?yīng)用減震、隔震裝置后，結(jié)構(gòu)自振周期從1.64s延長為3.74s，X向減震系數(shù)達(dá)0.35，Y向減震系數(shù)達(dá)0.36，達(dá)到地震烈度降低一度的設(shè)計目標(biāo)，減震效果良好。

圖11 江蘇宿遷蘇豪銀座建筑效果圖

圖12 江蘇宿遷蘇豪銀座隔震層位置示意圖

此外，日本東京清水總部大樓[9]采用基礎(chǔ)隔震+層內(nèi)減震(黏滯阻尼器)設(shè)計方案；東京日本橋大樓[10]采用層間隔震+下部結(jié)構(gòu)減震(黏滯阻尼墻)設(shè)計方案；日本大阪中之島音樂廳大樓[11]采用層間隔震+上部結(jié)構(gòu)減震(黏滯阻尼器)設(shè)計方案，均取得了良好耗能效果。

2 減震組合案例分析

本節(jié)挑選筆者設(shè)計的兩個減震組合案例，結(jié)合項目特點(diǎn)，簡單介紹組合減震結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路及方法，并對比分析有無減震裝置情況下結(jié)構(gòu)的耗能能力、減震效果，供工程設(shè)計人員參考。

2.1 昆明滇池會展中心S2

2.1.1 工程概況

昆明滇池會展中心S2[12]建筑高度為250m，總建筑面積為13萬m2，其建筑外觀如圖13所示。

圖13 昆明滇池會展中心S2建筑效果圖

昆明滇池會展中心S2采用型鋼混凝土框架+混凝土核心筒+環(huán)帶桁架的結(jié)構(gòu)體系。環(huán)帶桁架布置在22，33，42層，如圖14所示。

圖14 昆明滇池會展中心S2結(jié)構(gòu)體系示意圖

2.1.2 消能減震方案

《云南省隔震減震建筑工程促進(jìn)規(guī)定》〔云南省人民政府令202號〕要求“抗震設(shè)防烈度8度以上區(qū)域內(nèi)單體建筑面積1 000m2以上的重點(diǎn)設(shè)防類、特殊設(shè)防類建筑工程應(yīng)該采用隔震減震技術(shù)”，且“采用減震設(shè)計時，應(yīng)使建筑抗震性能明顯提高，罕遇地震作用下減震結(jié)構(gòu)與非減震結(jié)構(gòu)的水平位移之比應(yīng)小于0.75”。

昆明滇池會展中心S2位于8度(0.2g)高烈度地震區(qū)，應(yīng)采用消能減震技術(shù)改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。為達(dá)到大震下25%的減震效果，創(chuàng)新地采用4種消能減震裝置：黏滯阻尼伸臂、黏滯阻尼墻、金屬耗能連梁、屈曲約束支撐，如圖15所示。其中，黏滯阻尼伸臂布置在22，33層；黏滯阻尼墻布置在26～40層；金屬耗能連梁X向布置在26～40層，Y向布置在6～19層、31～40層；屈曲約束支撐布置在22，33，42層。

圖15 昆明滇池會展中心S2減震裝置構(gòu)造示意圖

2.1.3 減震效果

項目中消能裝置數(shù)量及發(fā)揮耗能情況如表2所示。其中，黏滯阻尼伸臂和黏滯阻尼墻在小、中、大震作用下均發(fā)生耗能作用；金屬耗能連梁和屈曲約束支撐在小震作用下僅提供剛度，在中、大震作用下進(jìn)入屈服耗能，保證結(jié)構(gòu)在中、大震作用下的抗震性能；隨著地震烈度的增加，鋼連梁和屈曲約束支撐陸續(xù)參與耗能(圖16)，結(jié)構(gòu)附加阻尼比隨之增大，有效地保證了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

消能裝置發(fā)揮耗能工況 表2

圖16 昆明滇池會展中心S2在各地震工況下耗能情況

2.2 上海博物館東館

2.2.1 工程概況

上海博物館東館[13]建筑高度為45m，地下2層，地上6層，總建筑面積為10.4萬m2，平面尺寸為105m×182m，其建筑外觀如圖17所示。

圖17 上海博物館東館建筑效果圖

基于博物館建筑的特點(diǎn)，初步階段提出采用“型鋼混凝土柱+鋼梁+鋼支撐”的剛性結(jié)構(gòu)體系，滿足靈活的建筑布置，典型結(jié)構(gòu)平面布置如圖18所示。

圖18 剛性結(jié)構(gòu)方案典型結(jié)構(gòu)平面布置

2.2.2 消能減震方案

項目具有以下特點(diǎn)：1)上海博物館東館為特大型博物館，設(shè)計使用年限為100年，地震作用需放大1.3～1.4倍；2)博物館館藏文物珍貴，應(yīng)采用有效措施保護(hù)藏品在地震作用下不受損壞；3)博物館內(nèi)部空間豐富，結(jié)構(gòu)存在多處無柱大空間，豎向貫通柱較少，角部存在大跨度空間及大懸挑桁架。

為保證結(jié)構(gòu)在地震作用下具備良好的抗震性能，考慮引入減震技術(shù)，形成“型鋼混凝土柱+鋼梁+黏滯阻尼墻+屈曲約束支撐”的組合減震結(jié)構(gòu)體系，其中黏滯阻尼墻在小、中、大震作用下均發(fā)揮耗能作用，耗散地震能量，減小主體結(jié)構(gòu)所受地震作用；屈曲約束支撐在小、中震作用下提供剛度，保證結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度需求，在大震下屈服耗能。通過黏滯阻尼墻與屈曲約束支撐的組合使用，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的整體剛度以及良好的耗能機(jī)制。消能減震方案結(jié)構(gòu)典型平面布置如圖19所示。

圖19 消能減震方案典型結(jié)構(gòu)平面布置

消能減震方案在剛性結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，將抗側(cè)鋼支撐替換為屈曲約束支撐，并結(jié)合建筑功能設(shè)計，在合適位置增設(shè)黏滯阻尼墻。

2.2.3 減震效果

表3所示為抗震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)對比分析結(jié)果，與“型鋼混凝土柱+鋼梁+鋼支撐”抗震結(jié)構(gòu)體系相比，消能減震方案具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下方面。

抗震結(jié)構(gòu)與減震結(jié)構(gòu)對比 表3

(1)基底剪力

設(shè)置黏滯阻尼墻和屈曲約束支撐后，基底剪力降低約20%。

(2)周期與阻尼比

消能減震方案周期較剛性方案有一定程度的增大，同時多遇地震結(jié)構(gòu)阻尼比由4%提高到6.3%。

(3)結(jié)構(gòu)耗能

消能減震方案的結(jié)構(gòu)耗能能力顯著增強(qiáng)，且大震下減震裝置耗能約占一半，能有效減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷。圖20為小、中、大震情況下結(jié)構(gòu)耗能情況。

圖20 上海博物館東館在各地震工況下的耗能情況

3 減震與隔震組合技術(shù)案例分析

選擇筆者設(shè)計的2個減震與隔震組合案例，結(jié)合項目特點(diǎn)，簡單介紹減隔震組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，并對比分析有無減隔震裝置情況下結(jié)構(gòu)的自振周期、減震效率和耗能能力，以供工程設(shè)計人員進(jìn)行參考。

3.1 喀什農(nóng)商銀行總部大樓

3.1.1 工程概況

喀什農(nóng)商銀行總部大樓[14]一期建筑高度為86m，地下1層，地上19層，總建筑面積為3.5萬m2，裙房與主塔樓設(shè)縫脫開，其建筑外觀如圖21所示。項目主塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，如圖22所示。

圖21 喀什農(nóng)商銀行總部大樓建筑效果圖

圖22 喀什農(nóng)商銀行總部大樓結(jié)構(gòu)體系

3.1.2 減震與隔震組合方案

喀什農(nóng)商銀行總部大樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)：1)項目擬建地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度(0.3g)，屬于高烈度地震區(qū)，結(jié)構(gòu)抗震性能要求高；2)建筑立面要求盡量通透，不能設(shè)置周邊剪力墻。

因此考慮采用隔震技術(shù)，同時在隔震層設(shè)置黏滯阻尼器，以減小上部結(jié)構(gòu)的地震作用，保證上部結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)降一度的設(shè)計目標(biāo)。

隔震層位于地下室底板以下，基礎(chǔ)頂板以上。隔震層共布置隔震支座34個(鉛芯橡膠支座(LRB)23個、天然橡膠支座(LNR)11個)，黏滯阻尼器(VFD)16個，布置如圖23，24所示。

圖23 隔震支座平面布置

圖24 隔震層三維示意圖

3.1.3 減震與隔震組合效果

(1)周期

有無隔震裝置的結(jié)構(gòu)周期對比如表4所示，隔震方案通過設(shè)置隔震層，將結(jié)構(gòu)周期延長2.5倍左右，進(jìn)而有效降低了地震作用。

有無隔震裝置的結(jié)構(gòu)周期對比 表4

(2)減震系數(shù)

經(jīng)過計算，設(shè)防地震下層剪力最大減震系數(shù)為0.34，層傾覆力矩最大減震系數(shù)為0.35，均小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[15](簡稱抗震規(guī)范)規(guī)定的0.38(設(shè)置阻尼器)，按照抗震規(guī)范規(guī)定可按降一度進(jìn)行設(shè)計。

(3)結(jié)構(gòu)耗能

隔震層各部分在罕遇地震下能量耗散情況如圖25所示。罕遇地震作用下能量時程分析結(jié)果表明，隔震支座耗能占比63%，阻尼器耗能占比9%，隔震層總耗能占結(jié)構(gòu)整體耗能的72%，大大減小了輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震能量。

圖25 罕遇地震下能量耗散情況

3.2 西安絲路國際會議中心

3.2.1 工程概況

西安絲路國際會議中心[16]建筑高度為60m，地下2層，地上3層，總建筑面積為20.7萬m2，其建筑外觀如圖26所示。

圖26 西安絲路國際會議中心建筑效果圖

塔樓上部結(jié)構(gòu)采用巨型鋼框架結(jié)構(gòu)體系。巨型柱由20個豎向支撐筒體構(gòu)成，巨型梁由4m高的鋼桁架樓蓋和4.5m高的鋼桁架屋蓋構(gòu)成，如圖27，28所示。

圖27 整體結(jié)構(gòu)剖面圖

圖28 豎向交通筒(20個)

3.2.2 組合隔震方案

西安絲路國際會議中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)：1)項目位于8度(0.2g)高烈度地震區(qū)，結(jié)構(gòu)抗震性能要求高；2)結(jié)構(gòu)采用巨型鋼框架結(jié)構(gòu)體系，建筑存在較多大跨、大懸挑空間，需采用有效措施保證巨型框架的抗震性能；3)結(jié)構(gòu)跨度大，樓面荷載重，重力荷載對構(gòu)件尺寸影響較大，同時整體結(jié)構(gòu)高寬比很小(0.32)，因此導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)水平剛度較大。

基于以上項目特點(diǎn)，采用地下室一層柱頂隔震方案。隔震層混合使用天然橡膠支座+鉛芯橡膠支座+滑板支座+黏滯阻尼器，上部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)降一度設(shè)計目標(biāo)，大幅減小巨型框架所受地震作用。

隔震層共布置鉛芯橡膠支座(LRB)74個、天然橡膠支座(LNR)96個、滑板支座(SB)356個、黏滯阻尼器(VFD)32個，具體布置如圖29所示。

圖29 隔震支座平面布置

3.2.3 組合隔震效果

(1)周期

有無隔震裝置的結(jié)構(gòu)周期對比如表5所示，隔震結(jié)構(gòu)周期較非隔震結(jié)構(gòu)延長了3.7～4.2倍，有利于結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離場地特征周期，減小地震作用。

有無隔震裝置的結(jié)構(gòu)周期對比 表5

(2)減震系數(shù)

經(jīng)過計算，設(shè)防地震下層剪力最大減震系數(shù)為0.35，層傾覆力矩最大減震系數(shù)為0.35，均小于抗震規(guī)范規(guī)定的0.38(設(shè)置阻尼器)，按照抗震規(guī)范規(guī)定可按降一度進(jìn)行設(shè)計。

(3)結(jié)構(gòu)耗能

隔震層各部分在罕遇地震下能量耗散情況如圖30所示，罕遇地震作用下能量時程分析結(jié)果表明，輸入給隔震結(jié)構(gòu)的地震能量大部分由隔震支座和阻尼器耗散，其中隔震支座耗能占比68%，阻尼器耗能占比17%，隔震層總耗能占結(jié)構(gòu)整體耗能的85%，大大減小了輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震能量。

圖30 罕遇地震下能量耗散情況

4 結(jié)論與展望

(1)中國高烈度地震區(qū)分布廣泛，且中國城市化發(fā)展迅速，必須采用有效的抗震措施，提高建筑的抗震性能以及使用品質(zhì)。

(2)減隔震技術(shù)已經(jīng)成熟并廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)(高層建筑、大跨度建筑等)中，可有效降低地震作用，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(3)通過2個減震組合技術(shù)應(yīng)用案例和2個減震與隔震組合技術(shù)應(yīng)用案例可以看出，根據(jù)項目特點(diǎn)，合理地組合、運(yùn)用減震與隔震技術(shù)，可進(jìn)一步提高建筑的結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)“適用、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀”的八字建筑方針。減隔震技術(shù)組合應(yīng)用必將成為抗震設(shè)計發(fā)展的一種趨勢。