復雜高層建筑抗震與消能減震研究進展

許振龍

（大慶筑安建工集團有限公司）

摘 要：隨著中國經濟的起飛和城市化進程的加速，高層建筑在全國各地大量興建，復雜高層建筑得到了飛速發展。目前，由于城市用地日益緊張和社會需求日趨多樣化，建筑物的高度和跨度不斷增加，體型越來越復雜，結構抗震分析與設計難度不斷增加。復雜高層建筑的震害在近來的歷次地震中都有發生，其抗震分析和設計難度較大，提高其抗震性能是當前建筑抗震的難點之一。

關鍵詞：復雜高層建筑；結構抗震；消能減震；非線性分析；性態設計

隨著經濟的發展及社會需求的多樣性，建筑的高度越來越高，體型變得更加復雜，抗震設計也變得愈加困難。建筑設計為了追求多功能、多變的使用空間及豐富的立面設計效果，常采用復雜高層建筑結構體系，從而使高層建筑抗震工作成為結構設計的重點。

1 復雜高層建筑結構抗震

復雜高層建筑和普通建筑相比是有很大的不同的，復雜高層建筑在建設施工時需要經歷非常復雜的流程，而且高度也比較高，如果出現了一些自然災害或者是緊急事故，對救援工作的展開是非常不利的，在這樣的情況下對復雜高層建筑設計就提出了更高的要求，在復雜高層建筑建設施工中主要要考慮以下要素：

1.1 抗震設計時要保證其為彈性狀態

在發生地震災害時，復雜高層建筑由于其高度過高，所以會對周圍其他的建筑產生非常大的影響，這種現象的存在會在造成一定的災害，所以對高層建筑的進行抗震設計是非常有必要的，在抗震設計中要春分考慮其彈性，這樣能夠在地震發生時減少建筑物所受的損害。

1.2 抗震倒塌設計

在對復雜高層建筑進行抗震設計時，要對建筑所承受的地震災害和其能夠承受的地震損害進行科學的運算和分析，這可以在一定程度上減輕地震給建筑物帶來的傷害。另一方面在建筑物的抗震設計中延展性要素要格外注意，不斷加強抗震結構所能承受的壓力，在控制方面一定要保證其非彈性形變的能力不能超過其本身能夠承受的壓力，在設計的過程中要對結構的構件設計進行合理科學的控制，使其能夠保證地域自然災害的能力。

2 復雜高層建筑消能減震設計

隨著人們安全意識的不斷增強，建筑結構設計理念的不斷更新，人們對建筑結構的減震、隔震設計越來越重視。我們在設計的時候，除了對建筑物的基礎部分采用特殊處理之外，還可以借助消能減震裝置或者元件削弱地震對建筑物的作用力，保護人們的生命財產安全，這些減震裝置和元件是為一些建筑工程的后期防震工作的加強而研發的。

2.1 建筑結構消能減震的形式

建筑結構在進行消能減震時主要是根據消能減震設備或部件來區分其形式。第一種形式是支撐部件和消能器共同負責消能減震工作，其中應用比較廣泛的為單斜杠式支撐、交叉式支撐等。第二種是在樓層之間的支架內安裝消能減震設備，一般采用的人字形或V字形兩種結構。第三種是在建筑墻體上設計消能減震縫，并利用各種消能材料進行填充，增加墻體本身的粘彈性和粘滯性。第四種主要是在建筑結構的梁柱各節點位置安裝消能減震設備，形成點狀分布的消能網絡，提高建筑整體的抗震效果，這一技術在樓體主體與相鄰樓體間的減震設計中應用廣泛。

2.2 復雜高層建筑結構消能減震方法

阻尼器是消能減震結構中的耗能元件，目前已經研制出了多種阻尼元件。一旦建筑物建成以后，如果想對其進行抗震加固，就要采用增加阻尼的辦法，在建筑物的結構上重新添加消能減震裝置，這樣的話不僅會增加施工成本，導致工程造價的增加，還給施工造成了不便，因為增加阻尼的施工程序要較隔震層的施工復雜的多。

2.2.1 粘彈性阻尼結構

粘彈性阻尼結構的風洞試驗、地震模擬振動臺試驗及大量的結構分析表明，在結構中安裝粘彈性阻尼器可減小風振反應和地震反應40%～80%，可確保主體結構在強風和強震中的安全性，并使結構在強風作用下，結構的舒適度控制在規定的范圍內。西雅圖哥倫比亞中心大廈起初是因為在風振的影響下，頂部幾層有明顯的不舒適感，安上粘彈性阻尼器后，不再有不舒適感，效果良好。由此可見，采用粘彈性阻尼器減小建筑的風振或地震效應在經濟上是相當可觀的。

2.2.2 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器是一種速度相關型阻尼器，一般由缸體、活塞和粘滯流體組成，通過附設粘滯性阻尼器，消能建筑相對于普通的混凝土框架建筑，在抗震性能方面有所提高，通過附設的阻尼器在地震過程中的工作，粘滯阻尼器發揮耗能減震作用。軍事以及航空領域經常會用到粘滯阻尼器，但目前也應用于建筑振動控制之中，其原理是通過活塞桿的運動壓迫液體通過活塞小孔，進而產生較大的阻尼力，最終實現了能量的耗損。

粘滯阻尼器具有很多優點，結構的阻尼力得到了有效的提升，自身結構在較寬的頻帶內依舊保持線性反應，外界溫度的變化對其影響不大，除此之外阻尼力和位移并不保持同步，能夠對層間剪力和加速度進行較好的控制。但其自身的制作工藝難度較大，容易出現粘滯液體滲漏的現象。但是粘滯阻尼器的減震耗能效果非常的好，在土木工程領域的越來越受到青睞，如果遇到強震，該阻尼器會將結構的自振頻率予以改變，這樣也就實現減震耗能的目標。

2.2.3 先進的減震體系

如何考慮附加的阻尼和剛度是消能減震結構設計需要考慮的核心問題。結構消能減震體系是把結構物的某些非承重構件（如支撐，剪力墻，連接件等）設計成消能桿件。現在隨著科技的發展，主動和半主動控制也正在被廣泛地研究中，它是在不同學科和專業之間開展合作和交叉研究，開發使用的感應和接收裝置、結合控制專業的配套技術，形成新的產業，以支持新技術的推廣應用。結構振動控制的研究和應用需要將傳統的建造技術與高新技術相結合，使結構的安全保障系統成為智能結構的重要組成部分。如在建筑物基礎安裝像汽車安全氣囊的感應氣墊，一旦地震來臨，縱波感應器啟動，在橫波能量對建筑物造成破壞前感應氣墊膨脹并把來自于縱波的能量進行消能，真正實現了像汽車一樣的智能減震體系。

結束語

建筑物的抗震與消能減震設計直接關系到建筑物抗擊地震的能力和保護人們財產和生命健康的能力，所以，是施工中必須要重視的重點問題之一。建筑物的抗震措施是非常多的，如對地基進行特殊處理、設置抗震裝置、對建筑的上部結構進行防震設計等等，每一種裝置和方法都是工程人員在實踐中不斷摸索總結出來的，一般情況下為了達到更好的抗震防震效果，在工程中這幾種措施通常是混合使用的。

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