減振高層建筑的極限破壞及性能再生的研究現狀及前景

謝麗宇 唐和生 薛松濤，2，*

(1.同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092;2.日本東北工業大學工學部建筑學科，仙臺)

1 引言

高層建筑仍是我國未來建設的主要發展方向，是人多地少的城市朝集約化發展所不可替代的建筑形式。然而，高層建筑在強震或強臺風作用下可能發生安全性或舒適性問題，由于其容納人員眾多、功能多樣、結構復雜，一旦出現極限狀態下的破壞，將導致超出一般建筑的災難性后果。目前我國的設計規范和方法仍然是以滿足預期可能發生的理想狀態為目標，但面對我國頻發、超預期發生的重(特)大自然災害缺乏充分的應對策略和技術儲備，當前的規范可能會對國家的防災策略帶來重大挑戰。因此，有必要深入研究高層建筑在強震、強臺風等極端災害下的極限破壞機理及控制理論和方法，從戰略角度重新規劃和制定高層建筑的設計規范和方法，以確保極端災害發生時國民經濟不致遭到災難性打擊。

目前從安全性和舒適度考慮，高層建筑的發展趨勢是在結構體系中加裝減振(震)系統，有效控制由地震或風振引起的結構振動，提高結構的抗風、抗震性能。早在1972年，為了控制美國世貿大廈的風致響應舒適度，結構中就已經安裝了一萬余個黏彈性阻尼器;而強臺風和地震頻發的日本，現在已經擁有4 000棟以上的減振高層建筑，如日本東京新建地標Sky Tree，為了最大程度地減少地震響應，安裝了大量的油阻尼器。國內現有減振建筑還不是很多，但發展勢頭強勁，新建減振建筑數量迅猛增長，住建部于2014年2月發文大力推廣減振建筑。目前我國已建成的減振建筑如上海環球金融中心，頂部安裝了兩臺風阻尼器;在建的上海中心將要安裝電渦流調諧質量阻尼器;汶川大地震后，四川新建了大量減振公共建筑。

事實證明，在現有規范設計范圍內，減振系統在高層建筑的安全性及舒適度控制方面有著優異的表現。但非常遺憾的是，從世界范圍來看，很少有研究考慮過極端荷載作用下減振系統的失效問題和失效后的應對方法，亦沒有考慮過失效以后高層建筑本體結構的性能，以及主災害之后結構性能迅速再生的設計方法。實際上，即使沒有受到極端荷載的作用，減振系統作為一個機械構件，其使用壽命也遠遠小于建筑本身的壽命。基于此，在建筑物的有效壽命期內，有必要考慮減振系統的失效狀態極其應對方法。

2011年3月11 日的東日本大地震，導致地震中心仙臺市內一棟建筑的減振系統失效，安裝于一層的油阻尼器全部遭到破壞，同時另一棟隔震建筑的隔震器也出現了裂縫，這是高層建筑減振系統在世界范圍內首次出現的破壞現象。當時造成了災區民眾的巨大恐慌，也讓我們必須面對以下不容回避的問題:減振系統作為一種機械系統，除了其老化失效以外，在極端災害下有可能突然破壞。因此，有必要形成應對此類災害的新方法和新思路，包括尋找減振系統的破壞原因，評價減振系統損傷后建筑本體結構的性能，同時研究嶄新的減振結構再生設計方法。

2 減振結構的震害案例

2.1 速度型減振阻尼器破壞

薛松濤等首次報道了[1]日本“3.11”地震對一棟8層鋼結構的消能減震裝置造成的破壞。這是位于宮城縣仙臺市東北工業大學校園內的一棟行政樓，建于2003 年，高34.2 m、長 48 m、寬9.6 m，地下1層為鋼筋混凝土結構，地上8層為混凝土預制樓板的鋼結構，第1層和第2層構成底部大空間，如圖1(a)所示。該結構在無減振器布置的情況下，已滿足日本對學校建筑的抗震規范要求，但為了驗證該大學自主研發的一類油阻尼器的抗震性能，同時也為了提高該棟行政樓的結構抗震性能，在每層的兩個方向上各安裝了4個油阻尼器，共安裝了56個油阻尼器。

該油阻尼器為日本東北工業大學的Kawamata和 Funaki等人自主研發的新型阻尼裝置[2，3]，如圖2所示，由位于中部的一個缸體和一對分別位于兩側的活塞組成。為了降低缸體和活塞之間密封性的加工精度要求，采用了黏彈性材料作為缸體和活塞之間的密封材料，這樣的工藝可以降低阻尼裝置的生產費用。當油阻尼器受到外力作用時，缸體和活塞產生相對運動，活塞一側的油腔容積變小，迫使油液經節流孔流向體積增大的另一側油腔，油液高速通過節流孔產生很強的湍流效應，起到耗散能量的作用。根據實驗結果，該油阻尼器的阻尼恢復力由密封材料的黏彈性恢復力和湍流形成的恢復力兩部分組成，整體呈現出與激振頻率和振幅非線性相關的特性。

共有兩種尺寸的油阻尼器安裝于該棟行政樓，分別具有不同的節流孔尺寸和活塞工作行程，1層的油阻尼器工作行程為16 mm，3～8層的油阻尼器工作行程為8 mm。油阻尼器通過U形的固定支座將樓板與活塞頭連接起來，中間部分的缸體與V形斜撐連接，如圖1(c)和1(d)所示。在地震作用下，層間位移使缸體與活塞發生相對運動，為了避免缸體與固定于樓板的支座之間發生直接的碰撞，另外增設了活塞的緩沖行程，1層的油阻尼器具有8 mm的緩沖行程，3～8層的油阻尼器為5 mm。

3.11地震造成一層的8組油阻尼器被完全破壞，油液發生泄漏，如圖1(e)所示。由于強烈的地震作用，位于一層的油阻尼器經歷了遠遠超出其工作行程及緩沖行程范圍的沖擊，致使固定于V形斜撐上的中部缸體與固定阻尼器的U形支座發生了直接的碰撞，造成了位于地面U形支座的張開以及兩側活塞的脫落。位于三層、四層油阻尼器的粘彈性密封材料發生嚴重的磨損，導致油液的完全泄漏，不能提供阻尼恢復力，但油阻尼器的機械構件并未發生任何損傷和塑性變形。除了油阻尼器的受損，該棟結構的其他部分并未發生任何的結構損傷，在經過震后評估后，重新投入使用。

圖1 位于日本東北工業大學的油阻尼器鋼結構

2.2 隔震墊損傷

日本“3.11”地震后，日本隔震協會(JSSI)立即成立了振動控制結構的調查委員會對隔震結構和消能減震結構進行了震害調查[4，5]，調查對象包括了日本境內的327棟隔震結構(60%分布在東京附近，25%位于宮城縣)和130棟消能減震結構。位于宮城縣隔震結構所經歷的最大的隔震層位移為41.5 cm，平均值約為20 cm，而在關東地區，隔震墊所經歷的最大位移是18 cm，平均約為5 cm。根據日本隔震協會(JSSI)2009年的調查[5]，日本有13%的隔震結構采用了鉛芯隔振墊(lead damper)，共有超過6 000個鉛芯隔震墊用于實際的工程應用中，但在2011年12月的震后調查中發現，有30棟裝配有鉛芯隔振墊的結構上發現了問題。一些隔震結構的鉛芯隔振墊在“3.11”地震后受到了損傷，出現了裂縫;另有一棟隔震結構的鉛芯隔振墊在“3.11”地震前已有深度為8 mm的裂縫，地震后裂縫深度擴展至32 mm。

2.3 非速度型金屬阻尼器損傷

日本隔震協會(JSSI)在“3.11”地震的震后調查中也發現了金屬阻尼器(steel dampers)受到了損傷[5]，如金屬阻尼器的殘余變形(圖4(a))，以及用于固定金屬阻尼器的高強螺栓發生了松動(圖4(b))，但在該次調查中并未在已屈服的金屬阻尼器上發現裂縫。

位于日本東京工業大學的G3棟建筑，在結構和搖擺墻之間采用了軟鋼阻尼器進行連接，在“3.11”地震作用下，平均層間位移角約為1/1 900的情況下，一部分軟鋼阻尼器進入了屈服狀態。軟鋼阻尼器正是利用其材料在屈服之后的耗能特性來增加結構阻尼，在地震之后可能已經進入屈服階段，造成耗能能力的降低，需要在震后進行檢查、評估，確定是否需要進行阻尼器的更換。

在正常使用過程中阻尼器也可能因一些原因造成性能上的退化或失效，如黏滯阻尼器可能因為漏油的問題造成性能的下降，黏彈性阻尼器的黏彈性材料與鋼板之間的脫落，摩擦阻尼器接觸面的屬性可能隨著時間而發生變化。

圖2 油阻尼器的構造和尺寸Fig.2 Dimension of the oil damper.

圖3 鉛芯隔振墊損傷案例[5]Fig.3 dAMAGE CASES of lead dampers[5]

速度型減振器、位移型金屬阻尼器以及隔震墊的損傷案例改變了“結構布置了減振系統就安全無患”的傳統看法，警示我們，無論是突發極端災害作用還是長期性能退化，減振系統都有可能失效。這對目前不考慮減振系統性能退化或失效的減振結構設計方法是否妥當提出了疑問。

減振建筑的結構設計必須回到原點，從建筑初始設計開始就需要考慮減振系統的失效問題，研究不同類別減振系統的極限問題，研究不同形式抗震、抗風高層建筑結構的極限破壞機理，探明建筑物在使用壽命內抗災性能的演化規律，確立嶄新的災后結構性能再生設計方法，最終形成適用于工程應用的建筑本體結構和減振系統的一體化設計方法。

3 減振高層建筑的極限狀態和災變機理研究

3.1 減振系統的極限狀態

一方面改造加固結構采用了減振器才使結構滿足了抗震性能上的要求，另一方面減振技術降低新建建筑的抗震需求和位移需求，減少構件的尺寸，減輕了構件的重量，采用減振器的振動控制策略使減振器成為重要的結構構件。由于它們在提高結構抗震性能方面的重要作用，減振器的性能退化和失效會對結構產生不利的影響。

以工程中廣泛采用的黏滯阻尼器為例，許多實驗研究都證實了黏滯阻尼器具有良好的耗能性能，但通常都是在阻尼器的極限位移(速度)范圍內進行測試和性能監測，沒有測試阻尼器在極端荷載條件下的性能。Miyamoto等[6，7]指出了黏滯阻尼器可能的幾種極限狀態:承載力極限狀態、位移極限狀態、混合承載力—位移極限狀態，針對黏滯阻尼器建立了可以考慮其極限狀態和失效模式的簡化模型，并可將該模型應用于消能減震結構的非線性動力分析[8]。用于高層建筑中控制風振的黏滯阻尼器，其變形要求通常很小(幾個毫米)，但卻有很大的阻尼力，這些黏滯阻尼器在高頻微幅風振的作用下，可能會發生減振器的疲勞問題[9]，但這一方面的研究非常罕見，黏滯阻尼器的疲勞極限狀態也是需要進一步的深入研究。

圖4 金屬阻尼器損傷案例[5]Fig.4 Damage cases of damage of metal damper[5]

隔震墊的鉛芯在常溫環境下經過塑性變形的循環加載可使鉛的多晶體發生再結晶，因此具有良好的耗能性能。隔振結構在風荷載作用下，隔震墊會經歷微幅而頻繁的往復位移，而目前尚不清楚風荷載的作用是否會引起鉛芯裂縫的產生，除了隔震墊的位移極限狀態，疲勞極限狀態也需展開深入的研究。

減振技術具有良好的發展前景，其產品的研發應用十分活躍，在可預期的未來，新型減振系統將繼續涌現，但各類減振系統在極限狀態下的性能分析仍然需要進行大量的研究，以確保在極端災害情況下建筑物的安全，并對減振技術進行完善。各類減振技術與新型、復雜、特殊結構的結合，還需進一步探索這些新的減振結構體系在極端荷載作用下的極限狀態和災變機理。

3.2 減振高層建筑的災變機理

由于存在減振裝置的非線性作用，減振高層建筑的動力響應也是非線性的。在極端動力荷載作用下，減振裝置和結構本身都可能進入彈塑性損傷狀態，甚至發生局部破壞或整體失效。因此，在減振高層建筑的性能化設計中，需要準確分析不同荷載水準下的結構非線性動力響應，從而對減振裝置、結構構件和結構整體的彈塑性損傷和非線性變形等建立可靠的量化評估，這是減振高層結構性能設計與控制的理論基礎。

我國現行抗震設計規范基于“大震不倒”的抗震設計實踐用于減振高層建筑的設計與分析面臨諸多挑戰:①過于粗略的彈塑性變形分析掩蓋了實際結構構件與被動減振保護系統在強地震作用下的復雜力學行為;②未能就結構構件和減振保護系統的實際極限狀態給出清晰的界定;③不能體現減振結構體系在被動減振保護系統突然出現極限破壞后的整體抗震性能。因此建立更加科學、合理的考慮的設計方法已勢在必行。

Kasai等[10，11]在世界最大的振動臺 E-Defense上對一實比例消能減震結構進行了三維模擬振動臺試驗，測試了安裝5種不同的阻尼器的消能減震結構的地震響應和抗震性能，這些阻尼器包括了黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、金屬阻尼器和摩擦阻尼器。這些試驗表明，阻尼器能大量耗散地震輸入結構的能量，增加數倍于原有結構的阻尼比，有效地衰減結構的位移、速度和加速度響應，降低結構的層間剪力。但這些消能減震結構試驗的研究重點均是在阻尼器正常工作情況下結構的動力響應及抗震性能，目前還尚未有考慮阻尼器極限狀態的消能減震結構振動臺試驗，也無考慮阻尼器極限狀態的消能減震結構連續破壞的研究。

目前從減振結構的試驗來看，存在的主要問題有:減振器本身的力學性能試驗較難真實反映減振器安裝在整體結構中的受力條件，高層結構的減振振動臺試驗較少，足尺模型的振動臺試驗更少，在縮尺模型中減振器本身的縮尺比例帶來的性能誤差尚不明確。因此非常有必要針對減振結構的試驗開展研究，積累試驗數據和經驗，為減振高層結構設計提供輔助手段。

4 基于三個極限狀態的研究思路

4.1 三個極限狀態的提出

減振結構可明確劃分為兩部分，本體結構與減振系統，通過調整減振系統的耗能比例，可有效地控制本體結構的塑性變形，實現預先設定的結構的各項性能水準。本體結構功能部分由若干功能子結構組成，保證結構的各種正常使用功能。減振系統功能部分由減振器組成，其可靠度低于本體部分，在遇大震時失效破壞，但其破壞不影響結構的主要功能，引起的損失相對較小，易于迅速修復以恢復結構的正常使用功能。這樣，在各種正常使用荷載及小震等非災害荷載作用下，結構主要功能部分和減振系統共同發揮作用，本體結構處于彈性狀態，結構的各項性能滿足正常使用功能，在大震等災害荷載作用下，結構的減振系統開始發揮分災作用，部分減振器顯著進入塑性消能階段甚至失效破壞，以保證本體結構部分屈服程度不大甚至于不屈服，從而達到所要求的建筑物的各項性能指標，維護整個結構體系的各種正常使用功能。

根據以上的抗震思想，極端災害下減振高層建筑具有三個極限狀態:高層建筑正常運行時的極限狀態(有減振系統耦合);減振系統在不同工況下的極限狀態;減振系統失效后的建筑本體結構的極限狀態(無減振系統耦合)，如圖5所示。根據前述減振系統的災害案例，表明減振系統具有工作極限狀態，在極端情況下若減振系統完全失效，無法起到任何作用，本體結構具有的極限性能應能滿足最低設防目標的要求，以保證結構體系“大震不倒”。在正常情況下，通過調整、設定減振系統的抗災性能目標，可使減振系統耦合的整體結構具有比本體結構更好的抗災性能，在極端災害作用下，本體結構與減振系統也能協同工作，進入預先設定的理想極限狀態。但在實際結構中，由于減振系統和本體結構在正常使用過程中也可能發生性能退化或經歷一些突發事件，以及災害造成的損傷的不確定性，使減振系統和本體結構的損傷模式和失效路徑偏離了預先設定的模式，未能達到原先設定的性能目標。實際應用中，減振結構的災變機理應介于本體結構的極限狀態和耦合結構的極限狀態之間。另外，在災害發生后，減振系統或本體結構可能生部分損傷，應對災后的結構進行殘余性能評估;也應該將減振系統具有可替換性、可修復性的思想貫穿于減振結構設計、使用階段及再生階段的全過程，形成減振結構的一體化初始/再生設計方法。

圖5 減振高層建筑的三個極限狀態Fig.5 Three limit states of vibration-controlled high-rise buildings

4.2 極端災害下減振高層建筑全壽命性能演化過程

高層建筑的性能是指其在抵御災變時能夠表現出的最大保有性能，圖6中縱軸所示的建筑本體結構和減振系統性能的耦合。建筑本體結構性能是指減振建筑去除減振系統后建筑本體結構的保有性能(圓點填充部分);減振系統性能是指建筑結構安裝的減振系統的自有性能(斜線下方空白部分);一個完整的減振建筑具有的保有性能包括了建筑本體結構性能和減振系統性能，同時二者間還存在一部分非線性耦合的性能重疊(斜線填充部分)。圖中的三種填充方式對應了減振高層建筑的三個極限狀態，也就是建筑本體結構極限、減振系統極限及它們耦合時的極限。

圖6中粗實線代表減振高層建筑性能隨時間變化的過程(簡化為直線，忽略非線性演化的過程)，粗虛線(包括與粗實線重疊的部分)表示減振系統性能隨時間變化的過程。減振建筑在使用過程中，日常的劣化和可能的突發災變，均會使其保有性能隨時間不斷變化，性能發展的整體趨勢是不斷降低的(粗實線)。圖中細虛線(包括與粗實線重疊部分)表示了減振系統為減振建筑所提供的附加性能的演化過程，當遇到突發災變或達到使用壽命時，減振系統有可能完全失效，這時就無法為建筑提供任何附加的性能保障。圖中粗實線和粗虛線的變化對應了建筑結構的性能演變。

建筑初始性能h0為新建建筑本體結構性能h1與新裝減振系統性能的耦合。極端災害時，減振系統首先起到抵御作用，假設圖中t1時刻發生的災害超出了減振系統的設計極限，減振系統將完全失效，如圖中向下的紅色箭頭所示。由于減振系統與建筑本體結構之間存在部分重疊性能，此時的建筑保有性能將跌落至h3，即建筑本體結構性能水平。在不進行減振系統再生的情況下，隨著時間的推移，建筑保有性能將繼續緩慢下降，如圖中t1和t2間的粗實線所示。如對減振系統再生，如圖中向上的箭頭所示，建筑的保有性能將提高。理想的再生設計應使再生后的建筑保有性能h2在t2時刻超過其初始性能h0，即h2＞h0。圖中假設t3時刻再次發生的災害使減振系統部分失效，建筑保有性能將再次跌落至建筑本體結構性能水平h5。當在t4時刻對減振系統再次再生時，建筑保有性能將提高到h4水平，理想情況下再生后的保有性能h4應超過之前保有性能h2，即h4＞h2。從性能控制角度來說，每次建筑保有性能因遭遇災害下降后，由于建筑本體結構保有性能始終在逐漸劣化，總有h5＜h3＜h1，而理想的減振建筑再生設計應使得建筑每次再生后的保有性能均超過之前水平，也就是使h4＞h2＞h0。圖中的向上箭頭、向下箭頭對應了災變和再生時的建筑性能的突變。如何有效地控制損傷發生后建筑結構的性能、設定再生性能目標以及制定災變與再生之間的應對方法，這也是需要進一步研究的關鍵問題。

圖6 極端災害下減振高層建筑全壽命性能演化示意圖Fig.6 Performance evolution of controlled high-rise building under extreme loading condition

5 發展趨勢與應用前景

要徹底解決減振系統失效以后的高層建筑再生設計問題，不僅要考慮減振系統本身的極限性能，同時還要考慮本體結構在全壽命周期內的性能退化。如何從初始設計和再生設計出發，保證減振系統失效后高層建筑的安全性能是今后面臨的重大挑戰，需要解決以下幾個關鍵問題:

(1)極端災害下減振高層建筑的災害效應及極限破壞機理。在減振高層建筑的結構設計中主要考慮的極端動力荷載是強震和強臺風，但因減振系統使用的歷史不長，尚缺乏在廣泛范圍內經受極端動力荷載作用的檢驗，需要從基礎理論、試驗分析和數值模擬三個方面系統地展開研究，揭示建筑本體結構和減振系統在極端災害作用下的極限狀態和災變機理，包括了三個極限狀態的研究:不同結構類型高層建筑正常運行時的極限狀態(有減振系統耦合);減振系統的極限狀態;減振系統失效后本體結構的極限狀態。

(2)考慮建筑本體結構及減振系統耦合的高層建筑性能演化規律。減振高層建筑在強震或強臺風的作用下，可能會導致建筑本體結構和減振系統的損傷和性能退化，因此，需要研究考慮建筑本體結構極限性能變化及減振系統極限性能變化的情況下，耦合高層建筑的破壞極限、評估方法和性能演化規律，包括高層建筑全壽命性能演化過程及耦合時的精細化數值模擬。在此基礎上，提出基于結構災后現狀的減振控制方法，以此對災后建筑本體和減振系統進行再生設計與修復，從而實現對減振高層建筑耦合性能的提高。

(3)高層建筑抗災性能控制和再生理論。要實現災后減振高層建筑性能的再生和提高，就必須防范于未然，考慮減振高層建筑的初始一體化設計。因此在設計階段，既要考慮極端災害對本體結構和減振系統的損傷作用，也需要考慮建筑壽命期內減振系統和材料的常時或突發的性能退化，使得減振系統具有可替換性、可修復性和可提高性，同時作為分災系統可承擔極端災害給整體結構帶來的損傷，甚至失效破壞，但不影響本體結構的主要功能。以此建立本體結構的最低設防目標，確立分災系統的抗災性能目標，確保整體結構具有魯棒性。

減振高層建筑的應用歷史只有30多年，許多結構都沒有經歷過強震、強臺風的考驗，更缺乏減振器的災害資料，對其減振器的極限性能的研究開展亦不充分，在加上結構體系本身的復雜性，人們對其在極端災害作用下的動力損傷演化過程和破壞機理等方面的認識還不夠深入。盡管減振技術的應用日益廣泛，但其抗災問題并未真正解決，抗災研究還落后于發展的需要。因此，研究減振器的極限性能，研究考慮減振器的極限性能的減振結構在極端動力作用下的破壞機理和極限性能，進而發展控制結構損傷的基于性能的分析與設計方法，可保障減振結構的安全，有效控制災害造成的經濟損失，為結構防災和城市防災提供科學依據和技術支持，是城市、社會、環境可持續發展的重要內容。

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