高层建筑结构减震设计的几点体会.pdf

梅冰辉等 高层建筑结 构减震 设计的几点体会 5 5 高层建筑结构减震设计的几点体会 梅冰辉 ， 王拮 ， 陈树华。 1 ． 哈尔滨市建筑设计院 ， 哈尔滨1 5 0 0 1 0； 2 ． 哈尔滨市城乡规划设计研究院 ． 哈尔滨1 5 0 0 0 1 ； 3． 哈尔滨工程大学 。 哈尔滨1 5 0 0 0 1 【 摘要】 文中根据近几年来国内外的结构振动控制研究的成果并结合结构振动控制理论， 从减震措施方 面对高层建筑抗震提出一些以柔克刚的见解， 初步提出了高层建筑结构的减震概念设计。 【 关键词】 减震； 高层 ； 结构 I 中图分类号】 T U 9 7 3 【 文献标识码】 B f 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 f 2 0 1 0 1 2 0 0 5 5 0 2 0前言 目前我国的高层建筑往往设计成具有一定抗震 能力 的结构体 系 ， 这 是 一种 “ 以刚克 刚 ” 的思 想 ， 抗 震 设计 的概念 设计 也是 基 于 此提 出并 得 到不 断 的发展 和完善 。 近几年来 ， 结构 振动控 制的理 论 和技术 日益 引人 注 目。特别是在高层建筑的结构设计中， 一种 以减震 为手段 的设 计 已在 国 内外一 些地 震 多发 地 区得 到 了 应用 ， 这是一种新 的“ 以柔克刚 ” 的抗震 设计思 想。从 长远看， 它更具有生命力 ．本文结合近几年国内外的 结构振动控制研究成果， 初步提出了高层建筑结构的 减震概念设计 。 1 结构的振动控制 结构的振动控制是研究在动力荷载的作用下， 控 制结构状态的反 应 速度 、 加速 度 、 能量反 应 等 的理 论和方法。它以结构的减振为研究 目的， 可以划分成 主动控制和被动控制两种 。主动控制是通过控制器向 结构施加控制能量 。被动控制是通过采用隔振吸能器 等结构措施来减少结构 的动力反应 。主动控制可 以对 结构进行合理的控制， 但它需要外界输人能量， 故要求 技术条件高， 费用大， 目前尚应用不多。虽然被动控制 对控制结构的动力反应有一定的局限性， 但它不需要 外部提供能量， 造价低， 因此被大量地应用， 并一直受 到人们 的重视 。此外 ， 还有人提 出了以被动控制 为主 ， 主动控制为辅的混合控制 ， 这可能是近期最有发展 的 理论 与之相连的腹 板上 部 温度 的 迅速 升高 和腹 板 上 部承 载能力的降低， 而工字钢梁腹板的强度是决定其强度 的重要 因素 ， 腹板上部 承载能 力 的降 低则直 接导 致 了 工字梁承载能力的 降低 ， 这就使 得 四面受火 梁 的上翼 缘 y 方 向位 移 始终 大 于 三面 受火 梁 ， 并 且 在 7 9 1 ． 9 6 s 时出现了平 面外的 失稳 ， 即达 到 了极 限承载状 态。三 面受火梁由于腹板上部升温较慢， 故其承载力降低的 速度 也随之 减慢 ， 所 以其极 限温 度较之 于 四面受火 梁 提高了 3 0 ℃ ， 而耐火时间较之 于四面受火梁 也延 长 了 1 1 0 ． 2 2s 。 4结语 1 不 管是 三 面受火 还是 四 面受火 ， 钢梁 的最 大等效应力总会出现在梁端部附近或是梁跨中。而这 些区域往往也是弯矩较大的区域。 2 在火 灾的前期 阶段 1 3 0～1 4 0 s 之前 ， 钢梁 的应 力随时间急剧 增大 ， 在 1 3 0～1 4 0 s 左 右钢 梁上 下 翼缘跨中及端部节点都达到了峰值 ， 但是随着火灾的 发展 ， 钢粱温度的不断升高其应力也不断降低， 这是由 于钢梁在高温下的力学性能受到了破坏， 使其逐渐失 去 了承载能力 。 3 由图 5可 以观察 到 ， 在 四面受 火过程 中 ， 当 跨 中节点应力有 一个减小 的突变 时 ， 其端 部 的节 点应 力也 出现 了一个相 反的突 变 ， 笔者认 为原 因是梁发 生 了内力重分布 。由于此 时梁跨 中的承载力 急剧 下降 ， 而承载荷载 的部位就相应 的向两端转移 。从而导致 了 梁端应力的增加。同样的情况也出现在图4的三面受 火过程 中。 参考文献 [ 1 ] 马道贞 ，李引擎 ． 火灾下粗 截面型钢的材 料性 能[ j ] ．工业建 筑 ，1 9 9 0 ， 3 3 73 8 ． 2 ] 莫鲁．钢结构 的耐火设 计 汁算 [ J ] ．建筑 结构 ，1 9 8 9 ， 6 1 5 一 l 8． [ 3 ] 胡克旭， 朱伯龙． 结构受火灾作用的全过程分析方法[ J ] ．四 川 I 建筑科学研究 ， 1 9 9 6 ， 5 1 1 2 9 3 4． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 0～0 81 9 [ 作者简介] 王健民 1 9 6 0一 ， 男， 山东荣城人， 高级工程师， 从事建筑防火审核工作 。 5 6 低温建筑技术 2 0 1 0年第 l 2期 总第 1 5 o期 目前 ， 国内对结构的振动控制理论研究高度重视， 但应用研究重视不够 。因此 ， 根据我 国的情况 ， 笔者认 为有必要在 广大设 计人 员 中推广 结构 被动 控制 的研 究成果 ， 特别是在高层建筑 结构设计 中提倡减震设计 。 2高层建筑的结构减震概念设计 自7 0年代以来， 人们在总结了一些大地震灾害的 基础上 ， 提 出了结构抗震概 念设计 ， 虽然其 中一些已显 露减震的思想 ， 但仍有许 多不足 。例 如以抗震 设计 的 观点 ， 可以利用主体结构 自身的延性来消耗地震能量 ， 然而， 这是以主体结构的破坏为代价的。总而言之， 抗 震概念设汁虽然能保证主体结构在地震的作用下不 倒塌， 却不能保证主体结构的不破坏。经验表明， 震后 主体结构的修复往往很大， 甚至难以修复。为此， 有必 要从 结构振 动控 制的角 度建 立高 层建 筑结 构 的减震 概念设 计。其要点如下 2 ． 1 利用冗余 结构减震 冗余结构在正常荷载的作用下不参与结构的工 作， 只有在地震作用达到一定程度时， 冗余结构开始发 挥吸收地震能量的作用 ， 从 而保证结构的安全。例如 ， 在框架结构中可以设 置冗余 的短柱 ， 利用短柱 的特点 来保护主体结构 。 2 ． 2 在结构的适 当局部设置吸能器 吸能器可 以使 结构 振动转 移 而达 到控 制结 构振 动的目的， 它可以自身吸能来保护主体结构， 它具有如 下几个特点 1 吸能器往往设置在节点或连接处。例如梁 端 ， 抗震缝等处 。 2 吸能器是非 结构构件 。因为 只有 非结构构 件才容易修复和更换， 对主体结构不影响。 3 吸能器允许弹塑性变形 。在轻微 的地震荷 载作用下， 吸能器仍然处在刚弹性状态。强震时， 随着 结构受力和变形的增加， 吸能器先进人非弹性状态， 产 生较大的阻尼 ， 大量地 消耗地 震能量 ， 从 而保 护主体 结构 。 4 吸 能器 的结 构 形式 多 种 多样 。例 如摩 擦 器 ， 粘弹性阻 尼减 震器 ， 支 撑 吸能器 等。吸 能器 的材 料 钢材 ， 钢筋混凝土等 。 2 ． 3 在主体非承重构件中设 置耗能材料 其目的在于消耗地震能量， 保护主体结构。例如， 在框架结构中 ， 在填充墙 中， 可以设置 X型分布的耗能 材料 。在地震往复作用 下 ， 耗能材料 将最大 限度地发 挥作用。 2 ． 4 选择合理的结构布置方案 在抗震结构的概念设计中， 十分重视结构布置方 案 。从减震 的角度看 ， 结构的平 而布置应力求简明 ， 但 适 当的减震措施 亦可使复杂 的结 构得 以实现。此外 ， 抗震概念设计排斥抗震缝。利用抗震缝将结构划分成 若干子结构 ， 通 过给每个子结构施加侧向约束 ， 利用抗 震缝 中的吸能器消耗子结构 的能量 ， 从 而形 成 了结 构 联合振动控制体系， 吸能器为结构提供水平控制作用， 往往可以大幅度地降低结构振幅。 2 ． 5 采用适宜的基础隔震技 术 在上部结构 和基础 之间设 置某些 隔震装置 ， 这些 装置 由各种隔震器组成 ， 它们具有如下几个特点 1 隔震器往 往 和某种 吸能 器共 同工作 ， 这 些 吸能器提供了较 大的阻尼 ， 具有较高的耗能能力 ， 其材 料可以选 用钢梁 、 摩擦阻尼器 、 铅挤阻尼器等。 2 隔震器使结构与基础面产生柔性滑动。从 而使结构自振周期加大， 远离场地的卓越周期 ， 将地面 的振动和建筑 隔开。 3 隔震器应具有足够的 刚度 以满足正 常和使 用要求。 4 是 否设置隔震器取决 于高层 建筑 的结 构类 型， 对多层钢筋混凝土结构较为适宜， 而对高层钢结构 并不适宜 ， 此外 ， 应对场地土的类型和地震 波的特性有 充分的了解才 可以设置隔震装置。 采用质量调频减振 技术 这种 技术 主要是通过 增 加结构质量， 降低结构的 自振频率， 增大阻尼， 从而降 低结构的反应 。例如 ， 在结 构的上 部适 当部位设置质 量块 典型的如结构顶部的水箱问 ， 由它产生的惯性 来达到减振的 目的。特 别地 ， 通过 配制 的阻尼器控 制 结构的某一振 型。又 如 ， 摆式质 量吸能器 往往设 置在 结构的顶部 ， 通过它的水平运动来撞 击结构 ， 恰 当的结 构设计 ， 可以获得较为满意的减振效果 。近年来 ， 质量 泵吸能器减振技术得 到人们 的重视 ， 它利用 细管 中液 体的往复流动所产生的惯性和粘性来消耗地震能量。 质量泵由泵体、 导管和底座组成， 当泵体和底座发生相 对运动时 ， 导管 中的液体也发生相对运 动 ， 从而消耗了 结构的振 动能 量 ， 可能设 想 ， 利 用给水 系 统 可实现 质 量泵的功能 ， 因为对质量泵而言 ， 很少的液体便可能发 挥较大的等效质量和等效阻尼的效果。 3结语 可以预计 ， 随着减震理论和技术的进一步完善 ， 减 震概念设计和抗震概念设计一样， 将不断为人们接受。 其在建筑 结构设计上的应用一定会带来 巨大的效益。 [ 收稿日期] 2 0 1 0一 o 7 2 0 【 作者简介] 梅冰辉 1 9 6 7一 ， 女 ， 黑龙江木兰人， 高级工程 师 ， 从事结构设计 I 作 。