大型公建阻尼隔震和減輕自重法綜合抗震技術(shù)應(yīng)用

蘇海勇 吳章熙 金銘功

1. 中國建筑股份有限公司阿爾及利亞公司 北京 100125；2. 中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074

1 抗震技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 研究背景

阿爾及利亞大清真寺項目位于地中海南岸，歐亞板塊和非洲板塊的結(jié)合帶，為地震多發(fā)區(qū)域，在項目方圓50 km內(nèi)有8個活躍或可能活躍的斷層和6個地震帶（震源區(qū)），歷史上該地區(qū)發(fā)生的震級為5～7級的地震約有10次。

依據(jù)本項目的安評報告，清真寺項目處于地震高烈度的區(qū)域，其烈度值介于7度和8度間，場地巖石地震加速度為0.65g，重現(xiàn)期1 000 a，50 a超越概率為4.877%，與我國7度（0.30g）接近。

項目由德國Ksp（Jürgel Engel Architekten）和Kuk（Krebs und Kiefer）兩大設(shè)計院聯(lián)合設(shè)計，其中Ksp負責(zé)建筑設(shè)計，Kuk負責(zé)結(jié)構(gòu)設(shè)計。本項目在建筑、結(jié)構(gòu)及機電領(lǐng)域都采用了眾多大膽新穎的設(shè)計方法及思路，特別是在抗震隔震方面的設(shè)計和應(yīng)用最為突出。本文針對核心建筑祈禱大廳結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取的抗震方法進行介紹。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

為實現(xiàn)地震作用下的設(shè)防目標，傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)通過增強結(jié)構(gòu)強度來抵抗地震，同時容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時進入非彈性狀態(tài)，具有一定的延性，以結(jié)構(gòu)本身的損壞為代價消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，做到“大震不倒，中震可修，小震不壞”。但是靠增強結(jié)構(gòu)強度的辦法費用較高，即使房屋沒有倒塌，由于承重構(gòu)件損傷較重，經(jīng)濟損失亦很大。因此，單純強調(diào)工程結(jié)構(gòu)在地震下的不嚴重破壞和不倒塌，已不能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)抗震需求。

為尋找更好的解決方案，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量研究，提出了建筑隔震技術(shù)[1-4]。建筑隔震技術(shù)是在建筑物基礎(chǔ)或下部與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置由隔震器（橡膠隔震支座、滑移支座、FPS摩擦擺滑動支座）、阻尼裝置等組成的隔震層，隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳遞，減少輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震能量，同時延長上部結(jié)構(gòu)的自振周期，降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達到保護建筑結(jié)構(gòu)的要求。

20世紀60年代中后期，新西蘭、日本、美國等多地震國家對隔震技術(shù)開展了深入、系統(tǒng)的理論和試驗研究，取得了較好的成果。早期隔震系統(tǒng)是由天然橡膠支座加阻尼器或鉛芯橡膠支座組成；近期，使用高阻尼天然橡膠支座的隔震建筑越來越多。我國從20世紀80年代后期開始重點關(guān)注橡膠支座隔震技術(shù)。到目前為止，我國已建成隔震建筑3 000多棟。

2 祈禱大廳抗震設(shè)計

阿爾及利亞大清真寺項目建筑物場地類型B類，地震響應(yīng)譜依據(jù)RAP99-2003確定，地震荷載、動態(tài)計算，以及之后的構(gòu)件計算則按照Eurocode 8來確定。

位于項目最東部的祈禱大廳，結(jié)構(gòu)使用分組為1A類，建筑物長、寬均約150 m，平面上幾乎是對稱布局，高約70 m，由下到上逐次收縮，為平面規(guī)則而立面不規(guī)則的建筑物，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。地下室主要由混凝土剪力墻構(gòu)成，地上大廳主要由離心混凝土柱及周邊剪力墻構(gòu)成，柱帽及穹頂則由鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成，是一個由多種受力形式組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖1、圖2）。

圖1 祈禱大廳3D示意

圖2 祈禱大廳剖面示意

地震作用是一種慣性力，其公式為F=a×m，想降低力F就得降低響應(yīng)加速度或自身質(zhì)量，祈禱大廳則采用了既降低響應(yīng)加速度又減少自身質(zhì)量的雙減法來降低地震時的慣性力，完成地震設(shè)防目標。

依據(jù)建筑物響應(yīng)譜（圖3）可知，通過延長結(jié)構(gòu)的周期并給予較大的阻尼，就可使結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)加速度大大降低，因此祈禱大廳在建筑物基礎(chǔ)與上層建筑之間設(shè)置284個抗震支座和80個抗震阻尼器形成隔震體系，隔震后建筑物的周期約是3 s。

上層建筑通過抗震支座托起，同時通過使用空心預(yù)制混凝土八角柱和鋼結(jié)構(gòu)達到減小上部結(jié)構(gòu)自重的作用。地震發(fā)生時，通過抗震支座和阻尼器在水平面形成可以吸收能量的彈簧體系，吸收大量地震能量，在地震作用被大量減弱后再傳遞至抗震支座上部的建筑物（圖4）。

圖3 祈禱大廳設(shè)計響應(yīng)譜

圖4 隔震體系原理模型

抗震支座可以使地震引起的頻率與建筑物固有頻率之間的潛在共振錯開，使得建筑物所受地震力減弱，且建筑物內(nèi)部的水平變形也相應(yīng)減小。地震結(jié)束后，建筑物又可借助抗震支座的返回作用力回到其初始位置。

3 隔震體系的應(yīng)用

隔震體系的設(shè)計主要依據(jù)建筑物的抗震設(shè)防目標選取支座和阻尼器的類型及參數(shù)，本項目支座和阻尼器的類型及參數(shù)如下：

1）抗震支座類型為倒擺鐘式（雙滑移面），擺動半徑2.4 m，動態(tài)摩擦因數(shù)0.03±0.01，擺動周期3 s，行程－655～655 mm，滑移面無損行程50 000 m，理論壽命500 a，主要材料為S355、特制滑移材質(zhì)MSM。

2）阻尼器類型為黏滯阻尼器，阻尼恒量2 500 kN/（m·s-1），阻尼系數(shù)0.4，位移速度0～1 m/s，行程－655～655 mm，滑移面無損行程10 000 m，理論壽命500 a，主要材料為S355、阻尼油。

支座關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)是擺動半徑，阻尼器關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)則是阻尼系數(shù)。

抗震支座選用德國毛勒產(chǎn)品，采用特制的滑移材質(zhì)MSM已有歐洲ETA認證，經(jīng)歷50 000 m測試后，無任何磨損，耐久性好。當(dāng)其受損時（超出設(shè)計的強震時）也可對其進行更換（設(shè)計時已考慮了將結(jié)構(gòu)輕微頂升幾毫米后進行更換的可能）。抗震支座的阻尼性能取決于滑移面的摩擦因數(shù)，本項目選擇的動態(tài)摩擦因數(shù)很小，可確保整個建筑物在地震后能夠重回中心。

阻尼器同樣選擇德國毛勒產(chǎn)品，其體系獲得歐洲ETA認證，經(jīng)歷10 000 m測試后，無任何損壞，耐久性好，其受損時更換簡易，日常維護量小，使用壽命長。

采用阻尼構(gòu)件的主要目的是使隔震體系獲得較大的阻尼，即阻尼器是抗震支座的補充。尤其是在高速時，阻尼器可單方向提供100 000 kN/（m·s-1）的阻尼恒量，可有效減小高速時的位移。支座的靜摩擦力也很大，可將風(fēng)引起的荷載傳遞至基礎(chǔ)而不引起支座本體的變形。

4 減輕自重法綜合抗震技術(shù)

祈禱大廳在采用隔震體系后，又采用了其他2種方法來有效減小建筑物的地震作用力，一是大廳豎向受力構(gòu)件采用中空的高強預(yù)應(yīng)力離心混凝土柱，二是屋頂采用輕質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)來減少建筑物質(zhì)量。這樣既能減輕上部結(jié)構(gòu)自重，又能保證大空間建筑的側(cè)向剛度和穩(wěn)定性。

離心混凝土技術(shù)是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的一個延伸，管樁具有強度高、混凝土密實度高、低孔隙率、低吸水率、耐久性好、耐錘擊性能好、耐腐蝕能力強的特點；可適合于任何土質(zhì)，且斷面為圓形，波浪力和水流力大大減小，其使用年限長，維修費用低，是一種理想的海工建筑物樁基結(jié)構(gòu)。近年來隨著技術(shù)的進步，其使用逐漸延伸到地上，其主要優(yōu)勢就是輕質(zhì)、耐久、美觀。祈禱大廳采用的是德國公司Europoles生產(chǎn)的離心柱。

祈禱大廳使用的離心混凝土柱直徑分為1.62 m和0.81 m共2種，壁厚均是150 mm，混凝土強度等級C50/C60，外觀白色。其中φ1.62 m柱高34 m，質(zhì)量約100 t，共計32根，每根分為3節(jié)，節(jié)點采用插榫設(shè)計，柱頭和柱底均采用法蘭式連接，簡單實用，便于安裝；φ0.81 m柱高17 m，質(zhì)量約17 t，部分高6.15 m，質(zhì)量約6 t，共228根。

φ1.62 m空心柱（壁厚15 cm）慣性矩為0.227 7 m4；φ0.81 m空心柱（壁厚15 cm）慣性矩為0.020 2 m4。經(jīng)計算，能提供相同慣性矩的實心混凝土柱直徑為1.47 m和0.796 m，即離心柱可減少柱體質(zhì)量的47.38%和22.97%。

綜合宗教建筑裝飾效果及建筑抗震要求，屋面結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)三角形排架設(shè)計。每根八角柱頂部由8個三角形排架組成一個倒喇叭造型。相互之間形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。在減輕結(jié)構(gòu)自重的同時加強建筑上部的整體剛度。

整個祈禱大廳22 m屋面、44 m屋面、22～44 m之間墻體以及中間穹頂全部為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。建筑投影面積22 500 m2，屋面、穹頂及豎向墻鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為5 500 t，遠小于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重。

屋面防水系統(tǒng)由梯形鋼板＋巖棉＋鋁板防水層組成，與傳統(tǒng)卷材防水屋面相比，其自重更輕、保溫隔聲性能更好、耐久性更強。

5 結(jié)語

阿爾及利亞大清真寺項目作為一個處在地震帶上的國家級重要宗教建筑，從建筑結(jié)構(gòu)到機電內(nèi)裝飾各個環(huán)節(jié)都十分注重建筑的抗震性能。特別是在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計上，采取的阻尼隔震＋減輕上部荷載以減小地震力的辦法，對我們國內(nèi)的建筑抗震有很大的借鑒意義。特別是對于大空間的體育場、影劇院等公共建筑，通過采用基礎(chǔ)隔震以減小地震加速度、上部結(jié)構(gòu)選用輕質(zhì)高強材料以減小自身質(zhì)量的雙減法抗震技術(shù)，可最大程度地減少地震傷害，保護建筑內(nèi)人員、設(shè)備的安全。