高層建筑混合被動控制系統的應用與分析研究

李正勝

（中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450000）

1 背景介紹

《2030年前碳達峰行動方案》（國發〔2021〕23號）中對“城鄉建設碳達峰行動”提出了明確的要求。在城市更新建設中，采用被動控制（減隔震）技術的建筑，在地震發生后少量維修甚至不需維修即可投入使用，進而降低建筑材料的使用，推動建材行業、鋼鐵行業的碳達峰，促進工業領域綠色低碳發展及城鄉建設綠色低碳轉型，加快提升建筑能效水平。《建設工程抗震管理條例》（中華人民共和國國務院令第744號）也提到，位于高烈度設防地區、地震重點監視防御區的新建學校、幼兒園、醫院、養老機構、兒童福利機構、應急指揮中心、應急避難場所、廣播電視等建筑，應當按照國家有關規定采用隔震、減震等技術，保證發生本區域設防地震時能夠滿足正常使用要求，并且鼓勵除上述以外的建設工程采用隔震減震等技術[1]。

隨著經濟的高速發展，建筑體型和功能日趨復雜，業主或甲方對建筑的使用功能及其舒適性要求越來越高，單一的抗震技術在兼顧減震效果和建筑使用功能需求上存在一定的困難。采用混合被動控制（減隔震）技術能極大地提高建筑的抗震性能，在適度提高設計標準的前提下，用很小的經濟代價就能達到遠高于傳統抗震加固技術的目標，符合全社會積極倡導的簡約適度、綠色低碳的生活方式。

2 抗震技術的發展

地震作用是地震導致地面運動而引起建筑結構產生的動力效應，是一種整體性作用。地震的發生具有極大的隨機性和不確定性，乃至不可預見性。傳統結構的抗震是以結構構件的損壞實現地震能量的耗散[2]。

2.1 抗震結構

傳統的抗震立足于“抗”：通過提高混凝土標號、增加墻厚和鋼筋數量提升結構自身抗震能力，最終由主體結構自身吸收地震波能量。而消能減震立足于“減”：地震波到達時，由減震裝置耗散地震作用減輕地震波對建筑造成的影響，最終由設置的隔震裝置和結構主體共同吸收地震波能量。隔震技術立足于“隔”：設置隔震裝置使建筑物與地基基礎分隔，最終由隔震裝置吸收能量。

2.2 減、隔震技術

隔震技術是在建筑的基礎和上部結構之間（基礎隔震）或下部結構與上部結構之間（層間隔震）設置隔震裝置（疊層橡膠支座、滑板支座、摩擦擺支座等）來延長上部結構的自震周期，削弱地震作用下上部結構的地震響應。消能減震技術是在結構中設置消能阻尼器（屈曲約束支撐、黏滯阻尼器、黏彈阻尼器、摩擦阻尼器、剪切或彎曲型金屬阻尼器等）裝置或機構，阻尼器在地震作用下首先耗能，從而降低主體結構的地震作用，進而減少主體結構構件的損傷（見圖1～圖3）。

圖1 屈曲約束支撐

圖2 黏滯消能器

圖3 阻尼器布置及構造

2.3 混合被動控制系統

混合被動控制系統無外加能源的控制，其控制力是由控制裝置隨著結構一起振動變形而被動產生的，是指在結構的適當部位附加兩種及以上耗能裝置或子結構系統，對結構自身的某些構件做構造上的處理，以改變結構體系的動力特性，將被動控制系統設計成“可犧牲”構件并在地震中集中耗能，震后只對“可犧牲”構件進行更換，從而達到控制主體結構損傷的目的。地震后只需更換損壞的控制系統而建筑的使用功能不會中斷，地震后的維修費用也將大大降低[3]。

3 混合被動控制系統的設計

3.1 設計思路

1）建立模型，通過振動臺試驗及參數分析，明確無抗震結構時建筑的地震響應。

2）更換不同抗震裝置組合在同一結構中進行試驗，根據相互影響機理明確不同混合減震技術的適用范圍及條件。

3）確定抗震組合裝置的型式、規格參數、數量和安裝位置等。

4）明確混合被動控制系統的可操作性方法、構造措施、施工措施成套技術。

5）對確定的組合和相關配套技術進行檢驗。

3.2 設計要點

主要包括：

1）考慮阻尼器在不同水準地震作用下的工作狀態。在地震時，黏滯阻尼器的作用是阻尼耗能減小地震作用，減小層間變形；位移型阻尼器的作用是屈服后剛度和塑性耗能，減小層間變形；黏彈性阻尼器的作用是阻尼耗能和剛度。

2）考慮阻尼器與主體結構的連接形式（支撐型、墻體型、支墩型）。

3）考慮技術可靠性。各類抗震裝置的使用壽命周期以及在組合使用時需進行更換的時間，在組合裝置中，某個抗震構件損壞，剩余部分裝置能否滿足抗震要求。

4）考慮經濟性。組合裝置中，各類抗震裝置的價格直接影響此項技術的使用推廣及設計布置，要在充分考慮安全、技術可行、經濟合理的前提下進行設計與施工。

4 混合被動控制系統的應用

結構設計一般是按照X、Y兩個方向分別進行設計，應盡可能分散布置，這樣可以實現阻尼在結構中的均勻分布，使X方向和Y方向的附加阻尼比接近，可以在結構分析中采用統一的阻尼比。

框架結構以剪切變形為主，下部變形大于上部變形，中跨變形大于邊跨變形，消能器一般布置在框架結構下部中跨位置。剪力墻結構以彎曲變形為主，層間剪切變形很小，變形主要集中在連梁處，中部連梁的變形最大，消能器布置在結構中部連梁處效率最高。對于框架剪力墻結構，根據其變形特點，消能器一般布置在與核心筒相連的框架中或者剪力墻的連梁中。如主體結構本身存在相對薄弱的樓層，則應該在薄弱層多設置阻尼器，一方面可減輕結構豎向不規則的程度，另一方面可以更有效地發揮阻尼器的效果。總體來說，隔震層設置消能減震器；基礎隔震結構的上部結構設置消能減震器；層間隔震結構下部加消能減震器；層間隔震結構的上部加消能減震器。

5 混合被動控制系統的優點

5.1 安全性

與傳統結構相比，當地震來臨時，混合系統隔震裝置作為第一道抗震防線，優先抵抗地震作用，再由減震構件作為第二道抗震防線，通過屈服耗能將剩余能量大量消耗掉，可有效減小結構地震反應的20%～40%，保護主體結構，減小地震給結構帶來的破壞。這種方式可有效提升結構的抗震性能，同時克服結構“一次設計”帶來的弊端，更易實現大震不倒，震后修復快捷簡便，充分體現對生命的尊重與呵護。

5.2 經濟性

在相同抗震要求下，混合被動控制系統能在整體上降低混凝土量10%、含鋼量減少30%，減少梁柱構件截面尺寸，甚至取消部分樁基、梁柱剪力墻等，達到節約主體結構材料成本的目標，同時也優化了空間布置、改善了建筑面積利用率，空間體驗感更好，實現了戶型可變。有助于塑造高端定位，節省工期，同時加快產品的去化速度，通常情況下可節省10%～50%的工程造價。

5.3 適用性

混合被動控制系統不受豎向荷載、結構類型、平面形狀、層數、高度、空間等條件的限制，減震產品可采用后安裝的方式，不影響主體結構施工工期，應用范圍更廣，還可根據結構抗震要求和投資需要，靈活調整減震方案（特別是EPC項目），對建筑方案、各項規劃指標做到變動最少。

6 結語

綜上所述，混合被動控制系統的應用將有效提高結構在地震中的穩定性和可靠性，有效減輕地震破壞，減少經濟損失，降低建筑材料的使用，進而推動建材行業、鋼鐵行業的碳達峰，促進工業領域綠色低碳發展及城鄉建設綠色低碳轉型，加快提升建筑能效水平，并有效地實現人們對綠色低碳，民生優先，共建共享的要求和對美好生活的向往。