淺談消能減震技術在超高層建筑中的應用

趙維玲

中建中原建筑設計院有限公司 河南 鄭州 450000

隨著經濟發展，建筑行業技術不斷發展與創新，超高層建筑在全球范圍內得到了迅速的發展，這樣就對建筑抗震性能提出更高的要求，使抗震技術也在不斷的創新發展。消能減震結構是一種在建筑主體結構的某部分設置一定數量的消能裝置，吸收結構的地震能量，減小結構地震效應，達到抗震減震的目的，來保障建筑的抗震性。

1 超高層建筑減震結構設計分析

1.1 荷載概念設計

超高層建筑消能減震結構設計是一種由不確定到精確、由模糊到清晰、由抽象到具象而不斷深化的過程。通過對超高層建筑結構進行部分拆分，實現結構性能的重組和控制作用，以此來提升超高層建筑整體的消能減震能力。在設計中主要對荷載概念設計進行闡述，通過結構體系中各構件對其性能相對應地調整，保障其設計結果能夠符合超高層建筑結構設計和性能要求。荷載概念設計主要是應對風力和地震對高層建筑的影響。在荷載的設計中,傳至基礎或承臺底面的作用效應參照正常使用下極限狀態作用的標準組合，荷載中的風荷載與地震荷載相同屬水平荷載，所以，在建筑結構設計中主要考慮荷載對建筑的水平作用，把風載荷與地震荷載看作是變荷載的組合。

1.2 消能減震設計與傳統設計的對比優勢

傳統的抗震設計方式是通過加強結構的強度、剛度來達到建筑結構抗震的作用，其缺點是沒有考慮到結構的動力特性，通過結構體本身來抗擊地震傳輸的能量，其設計依據主要是預定烈度，適用于耐震性能較強的超高層建筑，在大震作用下，結構主體會產生不可修復的破壞，對目前人們對于建筑結構性能的需求和經濟環保要求來說，實用性比較有限，不是最佳選擇的方法。相比傳統抗震設計的不安全、不經濟的特性，消能減震技術能夠很好地補足傳統抗震設計的劣勢。新的抗震技術是基于結構動力理論基礎，對不同烈度和結構類型實現減震的方法，在部分剛度節點設置效能裝置，可以在建筑結構遭受地震作用時，能夠利用自身結構剛度與地震能量相抗衡，利用結構剛度來抵御部分地震壓力，此時的消能裝置會產生較大的阻尼，降低結構動力反應，防止結構因為地震壓力而導致的結構破壞性影響繼續擴大。消能減震設計方法主要是通過調整結構動力特性、增加阻尼的抗震的方式，其設計依據是根據場地動力特征和結構物特征，這種抗震結構設計方法能夠對結構體本身以及內部附屬設備起到很好的保護作用，滿足建筑抗震的需求，具有安全、經濟、環保的優點。例如:華東總院減震工程對其技術應用于各種減震項目中，其技術涵蓋了幾乎所有耗能類型，工程建設主要是用于抗震、抗風以及質量阻尼器為主。所以在傳統抗震設計上設置消能構件結構，有如下幾點總結：首先，結構中的消能裝置隨著樓層升高，結構的地震反應逐漸擴大，從而為結構提供了阻尼，由此降低地震作用，有效保護內部結構和建筑主體受到損害；其次，在高層建筑設置消能裝置并不作為主體承重結構，主要是為了形成抗震第一防線，削弱地震作用的；最后，遇到較強地震時，會對建筑結構主體剛度和阻尼都有影響，導致兩者發生不同程度變化，通過實驗或者其他方式將其參數控制在合理范圍之內，以便能夠合理確定消能支撐。

2 超高層建筑結構結構選型及性能

2.1 超高層建筑結構選型

超高層建筑結構高度是指高于100m以上的民用建筑，而超高層建筑的高度也決定了建筑結構的復雜程度，因此，就需要對建筑結構在設計上科學控制建筑高度與寬度的比例，建筑高度越高，則軸向壓力越大，荷載也越大，設計重點主要是針對水平作用方面的設計，圍繞著抗水平力的結構特性為中心。主要結構有剪力墻結構、框架-剪力墻結構、框架-核心筒結構以及筒中筒結構。不同結構在性能上、剛度上、適用范圍上都有所不同，綜合各方面可知，選擇合適且科學的結構體系是進行抗震設計的第一步。常用的筒中筒結構，是巨型框架進行建設，利用中央核心筒結構加以穩固，目前中央核心筒在超高層建筑機構中能夠實現抗震效果震效果。

2.2 超高層建筑性能

建筑結構抗震性能是工程建設的重要衡量指標，對于超高層建筑來說，抗風性能也是考慮的重要因素。超高層建筑的高度在達到一定程度時，如果橫向受力就會造成建筑輕微擺動，由于超高層建筑結構的復雜性和特殊性，因風力原因出現的擺動對建筑有著很大的危險性，在發生地震災害時，超高層建筑會因為擺動而造成地基不穩，從而發生樓體斷裂，尤其是建筑中間位置最容易發生斷裂情況。所以，超高層建筑在性能要求上必須兼顧抗震性和抗風性。例如：在昆明春之眼副塔減震技術工程實踐中，其副塔建筑高度有300m，一共有71層，作為超高層建筑，需要增加建筑的抗震性能和抗風性能，減緩地震加速度，提高減震技術的使用率。鋼筋混凝土結構是容易受到破壞的，在建筑物遭受地震時，會使建筑本身的承載力都由墻體鋼筋混凝土承受。因此，為了能夠更好地穩固建筑結構，提高超高層建筑的抗震性能，需要利用搭建工藝，采取外圍鋼架密柱的方式，增加抗側性剛度，提高建筑的剪應力和壓應力。除此之外，中央核心筒結構在超高層建筑應用上，會進行多方面的搭建，減少地震作用帶來的剪力，中央核心筒結構對于超高層建筑來說是非常重要的結構，對于提到建筑抗震性能上起著關鍵作用。基于對結構緩沖地震剪力和消能作用的闡述，超高層在針對地震災害進行設計時，還會運用減少地震時能量輸入處理，保障其建筑結構位移在抗震指標合理范圍內。

3 屈曲約束支撐作用與消能減震器的利用

3.1 屈曲約束支撐的作用

通常抗震方法可以根據地震振幅較小情況進行合理運用，但是除傳統方法之外，還可以運用消能減震技術，其技術顛覆了傳統建筑設計理念，運用新型的方法，促使建筑結構的抗震性能、風荷載適應度、災害防護能力等均大大提升，其中在消能減震裝置應用上，防屈曲支撐是最佳代表，可以在地震作用力下，避免發生屈曲，解決了剛度和承載力急劇降低的問題；與此同時，還具備類似阻尼器的耗能作用，一般在地震振幅小的時候，不會發生屈曲情況，如果是地震振幅較大的情況，就會進入屈服狀態并耗散地震能量，與此減少建筑結構的受地震作用的影響力，保護建筑結構主體的穩定，減少樓體受損程度。對于防屈曲支撐工程應用上，以云南省減震建筑工程為例，該工程副塔位于抗震設防8度去，而且10層以下為重點設防類別，按照工程實施規定，副塔需要采用隔振或減震技術，并在第二避難層，即23樓以下再用防屈曲支撐，針對工程技術實施標準，合理布置，達到消能減震效果。

3.2 消能減震器的利用

消能減震器在不同地震強度影響時充分發揮其預期的作用，在各類結構構件中均有所運用，本文僅選部分的運用，消能伸臂是在建筑結構加強層的伸臂桁架中所設置的消能器，是通過設置伸臂桁架來平衡框架與核心筒之間的受力作用的，能夠起到增加抗側剛度，減小結構側移的作用。對于伸臂桁架設計成消能伸臂，能夠提升阻尼，增強耗能性能。主要是利用核心筒與外框架的豎向變形，來實現消能減震的目的。某超高層建筑結構伸臂桁架采用不同的設計方案，一種是普通支撐，一種是防屈曲支撐，其建筑高度在222.7m，地上層數一共有50層，在第16層、28層、40層分別進行設置伸臂桁架，并且外層框架設置環形腰桁架，根據實驗及計算來確定消能伸臂桁架架應用優勢。經計算數據比較，消能伸臂桁架對提高結構整體側向剛度，減小水平荷載作用的位移，取得了良好的效果。

4 結論

綜合上述對于消能減震技術于超高層建筑結構設計的應用分析，在進行結構設計過程中，需要對建筑結構類型、設置、受力特點、剛度、抗震性能等層面進行綜合考量，通過對傳統、常規抗震方法的闡述，防屈曲耗能支撐就是比較有效成熟的消能減震技術，有效抵抗地震作用帶來的破壞性影響，有著鮮明的實用性和優勢。