復雜高層建筑結構抗震與結構控制研究及其應用

黃 爽

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

復雜高層建筑結構抗震與結構控制研究及其應用

黃 爽

（中機中聯工程有限公司，重慶400039）

結構抗震性能研究包括鋼筋混凝土核心筒墻抗震偽靜力試驗、復雜高層建筑結構分析、用于指導工程結構設計的各種復雜高層和塔式建筑的振動臺模型試驗研究。結構控制方面包括一種新的組合基礎隔震系統、一種新的組合耗能減震系統和采用流體阻尼器連接雙塔結構減震研究。這些研究成果大多數已應用于工程實踐，該文對一些成功例子作了介紹。

結構抗震；振動臺試驗；消能減震；組合隔震；工程應用；高層建筑；結構控制

0 引言

由于社會需求的多樣性、土地有限使用和集約化服務，高層建筑越來越多，外形也變得越來越復雜，從而導致抗震分析和抗震設計變得越來越困難。中國是一個多地震國家，高層建筑的抗震安全性受到廣泛注意，許多研究人員和工程師都對高層建筑的抗震性能進行了深入研究。在過去的20年里，同濟大學土木工程防災國家實驗室進行了相當數量的高層建筑抗震性態和結構控制的研究項目。在這篇文章里，筆者就該實驗室開展的模型試驗、理論分析和工程應用的最新進展作些介紹。

1 高層建筑的抗震性能研究

1.1 鋼骨混凝土核心筒墻試驗研究

由外部鋼框架、內部鋼筋混凝土核心筒墻構成的組合結構體系在中國的高層建筑和高塔建筑中得到廣泛應用。這種組合結構中的核心筒墻一般采用鋼骨混凝土（SRC），它具有較高的強度和較好的延性。但是至今這種SRC核心筒墻的試驗研究還很少。為了為動力試驗、結構分析和設計提供基礎和參考，進行了兩組分別為三個聯肢SRC剪力墻的模型和三個SRC核心筒剪力墻偽靜力試驗[1]。對于三個聯肢SRC剪力墻模型，水平循環加載點靠近在模型頂端，同時恒定的垂直壓力由千斤頂施加在模型的頂端，以模擬剪力墻的軸向受力狀態；各模型的垂直壓力各不相同，以對應不同的軸壓比情況。但是對于SRC核心筒剪力墻模型，由于加載設備的原因，僅有頂端水平循環加載。試驗裝置見圖1。

圖1 聯肢SRC剪力墻模型試驗裝置

應變、荷載和位移數據由儀器自動采集，破壞過程和破壞模態也被記錄下來。所有聯肢剪力墻模型的剪壓破壞模態都與圖2中的形態類似。而對所有核心筒剪力墻的破壞模態如圖3所示。剪壓破壞發生在腹板墻上，水平彎曲裂縫僅出現在翼墻上，嚴重的垂直裂縫出現在SRC邊柱的混凝土與鋼骨的內接合面上。這些構件的抗震性能通過其強度、變形、耗能能力和其滯回特性來評估。與普通的核心墻比較，雖然一般的破壞模態沒有改變，但是其承載能力和延性得到了很大改善。抗剪強度主要由腹板墻提供，翼緣墻對抗剪強度的貢獻很小。在混凝土開裂后，抗剪強度就在鋼骨與混凝土之間進行重新分配。鋼骨承擔的剪力明顯增加了。隨著軸壓比的增加，承載力得到提高，但是其延性和耗能能力卻降低了。

圖2 聯肢SRC剪力墻模型破壞形態

圖3 SRC核心筒模型的破壞模態

1.2 復雜高層建筑的結構分析

為了滿足復雜高層建筑結構分析要求，提出了幾種分析模型，包括梁－柱單元模型和單片墻模型模擬剪力墻，筒體墻單元模型模擬筒體，三節點帶有轉角自由度的三角形單元模擬樓板[2]。在梁－柱單元模型中使用了精度更高的線積分方法，該方法能夠計及橫截面上所有點上的非線性行為。高層建筑的P-Δ效應是通過在幾何方程中引入二次項而考慮的。因為非線性行為是沿著單元長度變化的，子結構概念被引入單元內部以改善計算速度。單片墻單元是通過疊加非線性剪切彈簧到梁－墻單元模型中來獲得，這種模型同時考慮了軸壓、彎曲和剪切變形。筒體墻模型是由幾片單片剪力墻而構成，并在這些剪力墻片的邊界上約束它們的位移一致。為了獲得結構的軟化階段情況，Newton-Raphson和弧長法被結合起來求解非線性方程。

圖4 結構構架的透視圖

高層建筑地震響應分析既使用了三維推覆法也使用了時程法。幾個具有復雜結構體形的實際高層建筑經過這些程序檢驗，分析模型的精度也到驗證。分析表明如果僅按彈性分析結果設計是不能保證復雜高層建筑的抗震安全性的，用推覆方法和非線性時程分析找出結構的薄弱層是非常必要的。由于受篇幅所限，此處僅列舉一個上海金融中心分析的例子。該超高建筑有101層高達492m。它是一個復雜的組合結構，由巨型框架、核心墻和外伸桁架組成。結構構架和主要結構桿件的透視圖見圖4和圖5。對應于振動臺試驗模型，建立了一個14層的簡化模型，計算其振動特征和非線性時程響應[3]。分析結果與試驗結果非常接近，見圖6。原型的非線性時程分析和相應的結構抗震能力評估表明該結構具有較好的抗震性能，滿足抗震規范的要求。

圖5 主要結構桿件

圖6 SHW2時程輸入下頂部位移響應比較（7度的罕遇地震）

1.3 用于指導工程設計的各種復雜高層建筑的振動臺模型試驗

物理模型試驗在結構工程中很重要，因為它有助于對結構行為和破壞機制的基本理解。結構模型試驗通常有助于結構工程師直接獲得原型的性能了解，尤其在復雜高層建筑中，數值模擬分析不足以解決問題時，模型試驗更有必要。振動臺試驗被認為是經濟、精度高和實踐上可行的一種評估結構抗震性能的方法。為了保證模型能展示原型的力學行為，模型設計應該滿足動力相似要求。毫無疑問，動力相似理論是振動臺試驗中最重要的基礎。為了證明振動臺試驗中動力相似理論的有效性，兩個6層的鋼筋混凝土框架模型，其中一個為原型的1/4比例，一個為原型1/8比例設計，置于振動臺上試驗。試驗結果表明，兩個模型之間的固有頻率、破壞機制和恢復力特性等存在較好的相似性。

基于以上的基礎研究，在過去的20年里里，30多個復雜高層建筑和電視塔，例如上海世茂濱江花園2號塔、北京LG塔、上海環球金融中心等（見圖7-圖9），都做過振動臺試驗[4]。模型設計、制作方法、試驗、分析過程和測量技術都發展得相當成熟。通過這些振動臺試驗，模型的地震響應和動力特征都可獲得，就能了解結構破壞過程、破壞機制和發現薄弱點，然后就可估計原型結構的整體抗震性能。由此就可提出改進結構設計和改善原型抗震性能的建議。某些試驗結果也被結構竣工后的現場振動測試所證實。

圖7 上海世茂濱江花園2號樓

圖8 北京LG大廈

圖9 上海環球金融中心塔樓

2 高層建筑的結構控制應用研究

2.1 一種新的組合隔震體系的開發

我們開發了一種帶有復位功能的滑移組合基礎隔震系統。這種隔震系統由耗散大部分輸入地震能量的摩擦滑移裝置和能彈性復位的橡膠支座構成。為了驗證這種由滑板－橡膠支座組合而成的隔震系統的有效性，一個1/12比例的三層鋼框架模型在固定支座和隔震支座情況下分別在振動臺上試驗[5]。隔震系統由四個疊層橡膠支座（RB）和兩個摩擦滑移支座（SLD）構成。隔震系統的平面圖和上部結構見圖10和圖11所示。

圖10 基層隔震平面圖

圖11 振動臺上的基礎隔震結構模型

基礎固定模型（FIX）首先用比較低的地運動輸入，以保證上部結構處于彈性狀態。然后進行帶有基礎隔震（SLD）的模型振動臺試驗。FIX和SLD模型的基頻分別為3.58Hz和1.79Hz，粘滯阻尼比分別為0.03和0.19。除了隔震系統在高強度的地運動輸入下的位移較大外，幾乎所有的響應都被減小了。另外，隔震系統在各不同強度輸入水平下有較好的復位能力，殘余位移不到1mm。在三向輸入下隔震系統的加速度響應和滯回性能與那些單向輸入和雙向輸入的響應有很大的不同。地運動垂直分量對隔震支座和隔震軸向荷載性質有重要影響。對每次這樣的輸入，總輸入能量和構成能量的分量均通過積分計算獲得。得到的結果表明，在FIX模型里，總輸入能量的大多數被上部結構所耗散，而在SLD模型中是由滑移隔震器所耗散。

根據試驗結果，提出了一個用于試驗模型的新的簡化分析模型，模型的上部結構和橡膠支座被假定是彈性的，滑板上的摩擦力是用庫侖摩擦力來模擬，橡膠支座和滑板的阻尼被認為是粘滯阻尼。采用這樣一個模型用Ansys軟件進行有限元分析，計算結果與試驗結果比較接近，證明了該模型的有效性[6]。

組合隔震支座已經被成功用于減輕上海F1國際賽場新聞中心巨型桁架結構的地震響應和釋放其溫度應力。這個隔震系統由一個中心放置的滑板支座和周邊放置的4個疊層橡膠支座構成，分析結果表明，使用該支座可以大大減輕結構地震響應和巨型鋼桁架溫度應力。

圖12 組合隔震支座構造(mm)

圖13 工程中安裝的隔震支座照片

2.2 新型組合耗能系統的開發

采用能量耗散系統是減輕結構地震響應最有效的手段之一，在近20年里，這一技術越來越受到重視。盡管各種各樣的簡單耗能裝置已經研究得很多，例如粘彈性阻尼器、粘滯流體阻尼器、摩擦阻尼器和彈塑性阻尼器。當這些阻尼器都具有各自的特點和適用范圍，當某單種阻尼器應用于工程中時，在有些情況下還是存在局限性的。例如粘滯流體阻尼器的動剛度較小，當應用于抗震時具有其特有優點，但是對于抗風效果卻要差些。還有當采用人字型支撐粘滯阻尼器時，支撐保證出平面剛度也是設計者要關注的事情。此處我們提出一種組合消能減震裝置，它用人字型鋼支撐作為阻尼器的反力支撐，用位移型和速度型阻尼器并聯成組合耗能器相連支撐和結構。如這里的位移型阻尼器可以是鉛芯橡膠支座，具體裝置如圖14所示。該組合裝置在風荷載和小震情況下，位移型阻尼器基本上只提供彈性，流體阻尼器提供小阻尼力。但是在大震作用下，位移型阻尼器進入彈塑性變形狀態，剛度退化并耗能；而流體阻尼器提供大的阻尼力和很小的剛度。其結果是結構所受到的地震作用減小，地震反應降低。這種裝置的兩種阻尼力的大小匹配可以根據結構的力學特征和地運動特征進行合理優化配置。

圖14 框架中的組合消能系統裝置

圖15 3層鋼框架振動臺試驗

圖15 表示了一個三層鋼框架每層裝有這種組合耗能裝置的振動臺試驗照片[7]。為了比較該裝置的減震效果，對結構在三種狀態下分別進行試驗。即無支撐框架（UF）、有鉛芯橡膠支座的耗能支撐（LRD）和裝有鉛芯橡膠支座和油阻尼器的組合消能支撐（LRD+OD）。試驗表明組合耗能系統能增加整個結構的阻尼比和剛度，故對結構地震響應具有較好的控制效果。這個系統的分析模型可簡化為如圖16所示。

圖16 分析模型

圖17 結構與消能裝置平面布置圖

這個新的組合耗能系統在既有建筑的抗震加固和新建工程都得到了成功應用。下面是兩個工程應用的例子。一幢9層的早期建造的鋼筋混凝土框架結構的平面圖見圖17[8]。這個結構是一個單向框架結構，預制板橫鋪，縱向梁為基本不承擔垂直荷載的聯系梁，對其抗震性能評估后得出其抗震能力不滿足抗震要求，尤其是在房屋的長度方向（縱向）結構強度與規范的抗震強度要求相差較大。如果采用增設RC抗震墻的話，墻下基礎要加樁加固，房屋在加固期間將無法正常使用。如果對梁柱采用增大截面法加固，則幾乎全部的梁柱均要增大截面，同樣房屋在加固期間將無法正常使用。該兩種方法對建筑周圍的環境都將造成破壞。綜合比較各種方案的利弊，決定在每層增設了6個組合耗能裝置，經驗算，結構的地震響應得到有效控制，其抗震能力提高到能滿足國家有關抗震設防的規范要求。加固實踐證明，加固期間該建筑基本正常使用，加固直接費用也不到抗震墻方案直接費用的80%，取得了較好的綜合經濟效果。

圖18是某新建8層鋼結構辦公樓平面圖，在圖示支撐位置，先后設計了兩種不同性能的支撐（見圖19），一種為普通鋼支撐（1～6層布置），另一種為由疊層橡膠支座和粘滯流體阻尼器并聯組合而成的組合耗能支撐（1～5層布置）。計算分析表明，在控制樓層水平位移接近的情況下，采用消能減震支撐比普通支撐能減小較多層間剪力、與支撐連接相交柱的軸力，故能給結構增加較大的抗震安全儲備[9]。

圖18 某8層鋼結構框架辦公樓平面布置圖

圖19 某8層鋼結構框架兩種支撐布置圖示

2.3 用阻尼器連接雙塔結構系統

因為現代城市用地緊張，同時也為了便于集中化服務，建筑物之間常常靠得很近。在大多數情形中，這些建筑物是分開建造的，結構相互之間不連接。在大震下，兩個相鄰建筑物的碰撞時有發生。在另外一些情形下，兩個相鄰建筑物也以不同方式連接為一體以滿足建筑功能和形體需要。為了提高這些建筑的抗震性能和防止碰撞發生，對采用流體阻尼器連接相鄰建筑物或主樓與連裙房連接問題開展了系列理論和試驗研究。我們對一個1/4比例的由6層和5層鋼框架的雙塔結構進行了振動臺試驗，如圖20所示。兩建框架之間采用了3種連接方式：剛性鋼桿連接、流體阻尼器連接和完全脫開。在采用流體阻尼器連接情形中，對連接的不同位置、不同的連接方式即平行連接和斜向連接情形都在試驗中以不同工況情形予以考慮。試驗結果表明，如果連接兩建筑的流體阻尼器的參數取得合適，兩個建筑的模態阻尼能得到有效提高，它們的地震響應也將大大減小。采用通用有限元軟件Ansys建立分析模型，計算試驗結構的非線性地震響應，得到的試驗和計算結果有很好的一致性[10]。

圖20 采用流體阻尼器相連的相鄰建筑試驗裝置

圖21 結構和流體阻尼器排列布置圖

圖22 建筑外型照片

作為進一步的研究，雙塔建筑控制的概念再擴展其應用范圍。一個工程綜合應用研究是對上海世茂廣場裙房在地震作用下扭轉振動控制。該建筑由一幢超高層建筑（60層，高度333m）和環繞它的很大的裙房結構（10層，高度49m）組成，其中裙房的剛度與質心嚴重偏離[11]。該建筑的平面圖和立面外景圖見圖21和圖22。在計算該結構的減震效果時，建立了一個可以考慮所有梁柱剛度和強度貢獻的三維層串拐把子模型，該模型的前三個動力性態與空間有限元模型基本一致，地震響應結果也與有限元模型接近，其精度足以滿足工程需要，但是計算耗時與有限元模型相比，前者所花時間幾乎可以忽略。采用該模型的優點是可以快速優化連接阻尼器的力學性能。圖21表示了阻尼器的平面布置，從第7層至第10層，每層布置10個，共計40個阻尼器。粘滯流體阻尼器設計參數如下：最大阻尼力約為Fd-max=±600kN；Cd=250kN/ (mm/s)α，α=0.15。計算表明該樓采用這樣的連接方式，基本消除了裙房的扭轉振動，阻尼器耗能效果明顯。該工程實施耗能連接方案之前，在振動臺上實施了小比例尺模型試驗，采用的是鋼桿連接，試驗中鋼桿全部斷裂，原因是連接兩樓的鋼桿太短，應變太大（連接桿內力大）而斷裂。采用阻尼器連接，分析表明小震下最大阻尼力約為設計最大阻尼力600kN的60%～80%左右，大震下最大阻尼力約為500～680kN，阻尼器活塞桿相對位移達200mm左右。最初的鋼桿連接方案分析表明，小震下單根鋼桿內力就達1800kN，故阻尼器連接方案大大減小了連接處的集中力，降低了連接部件設計難度，也增強了結構的安全。

作為減輕地震作用的附加效果，阻尼器對于減小主樓風振也有明顯效果。分析表明，通過阻尼器連接主樓、裙房，地震作用下主樓下部的強大抗側向變形能力可以作為裙房支撐，從而消除裙房非協調扭轉振動。而主樓迎風面大，所受風荷載可以通過阻尼器連接，把裙房作為支撐，減小主樓的風振響應。這些作用效應分析表明，具有阻尼器連接的主樓在地震作用下的位移響應比其獨立情況下略微增大，但是裙房的地震扭轉振動基本消除；風荷載下裙房的位移響應比其獨立情況下略微增大，但是主樓的風振位移略有減小。在脈動風作用下，最大阻尼力接近于350kN，約為最大設計阻尼力的50%～60%。該工程已經全部完工，建筑物已經投入使用。

2.4 消能減震結構參數研究

消能減震結構是一種組合結構，在我國工程中實際應用的經驗還不是很多，尤其是設計院的工程師們在采用該技術時，對于一幢建筑物應該安裝多少阻尼器，在各種抗震設防標準情況下，附加多少阻尼力是合適的，其減震效果如何，以及層間阻尼力與結構層間的屈服剪力的配比等問題，還不是很清楚，抗震設計規范也沒有給出可參考的規定，實際工程中往往是采用試算的辦法加于解決。鑒于我們在幾個工程中采用消能減震技術的經驗，從能量原理和等效阻尼比的概念出發，在理論上推導出消能減震結構的合理參數設置范圍[12]，并通過試驗驗證了這些參數的合理性和可操作性。具體表達如下，結構層間最大阻尼力與結構層間屈服剪力之比r宜取下值：0.1≤r≤0.6。位移相關型消能裝置的支撐剛度應按其屈服位移與結構層間屈服位移之比λ來確定，宜取下值：0.1≤λ≤1.0。速度非線性相關型消能裝置的支撐剛度應取Kb≥3|Fdmax|/|u0|為宜。式中：|Fdmax|為阻尼器最大設計阻尼力絕對值，|u0|為阻尼力到達|Fdmax|值時相對應的阻尼器相對位移值。這些參數建議值可為消能減震結構設計的合理性作參考保證。

3 結論

本文對近5年來在同濟大學土木工程防災國家實驗室進行的一些有關高層建筑抗震性能和結構控制的研究，作了簡單回顧。這些研究工作一般都是與工程應用相結合來進行的，研究成果可以直接應用于工程實踐，實際上這些研究的大多數成果已經在工程中獲得成功應用。

該實驗室與其它的研究單位和公司有著良好的工作聯系和合作，這使得該領域的研究工作始終保持著前瞻性。

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責任編輯：孫蘇

Study and Application of Seismic performance and Structural Control of High-rise Buildings

Study on seismic performance contains experimental study on steel reinforced concrete core walls，structural analysis on complicated high-rise buildings，and shaking table model tests on various complicated tall buildings and towers applied to guide engineering design.Structural control study includes development of a new combined base isolation system,a new combined energy-dissipation system，and a coupling-structure system connected by fluid dampers.Furthermore，most of the research results are applied in engineering practice and some successful examples are also presented in the paper.

structural seismic resistance;shaking table model test;seismic energy dissipation;anti-earthquake combination;engineering application; high-rise building;structural control

TU973+.2

A

1671-9107（2014）11-0059-07

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.11.059

2014-10-16

黃爽（1986-），男，重慶人，本科，助理工程師，主要從事建筑結構設計工作。