丁洁民大师:减隔震技术的发展与应用

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减隔震技术的发展与应用

文/丁洁民

摘  要

中国地震区域分布广且地震灾害严重。对建筑结构来说,抗震结构主要有传统刚性结构、延性结构及减隔震结构。传统刚性结构采用“硬抗”思路,需耗费大量建筑材料;延性结构虽然能够实现大震下结构安全的设防目标,但依然存在震后损伤严重、难以修复的问题。减隔震结构已经承受住大地震的考验,表现出良好的抗震性能。现阶段,中国的减震、隔震技术以单一应用为主,应用形式创新性不足。日本已经开始采用组合减隔震技术,并取得了良好的抗震效果。组合减隔震技术包括减震组合技术、减震与隔震组合技术。首先简要介绍减隔震技术的分类、发展及其工程应用情况。然后结合笔者设计的4个典型工程实例的特点,深入地介绍组合减隔震技术的设计思路、应用方式、耗能效果。可以看出,合理地组合运用减震与隔震技术,可充分发挥减隔震装置的耗能能力,进一步提高建筑结构的抗震性能。

01

我国抗震及组合减隔震概述

1.1 中国地震作用分布

中国地处环太平洋火山地震带和欧亚地震带之间,是世界上地震灾害最严重的国家之一。中国的地震活动主要分布在五个地区的23条地震带上。其中,将7度(0.15g)及其以上地区称为高烈度地震区,我国主要城市在高烈度地震区的分布比例约为31%(图1)。可见,中国城市化发展面临严峻的抗震设防工作。

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△ 图1 中国主要城市在不同烈度区分布比例

不同抗震设防烈度的代表城市见表1。从表1可以看出,中国高烈度地震区主要位于西南地区、西北地区和中部地区。位于1~3等级地区及场地条件差的7度区的项目(比如上海地区,场地特征周期Tg=0.9s)对抗震技术有高标准的要求。

中国抗震等级划分 表1

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1.2 抗震结构类型

我国抗震结构主要包括刚性抗震结构、延性抗震结构、消能减震结构及隔震结构四种结构形式[1],如图2所示。

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△ 图2 中国主要抗震结构体系

刚性抗震结构采取“硬抗”思路,通过加强结构强度和刚度提升抗震性能,因此需耗费大量建筑材料。延性抗震结构采取“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的设计理念,使得结构在地震作用下保持一定的延性,达到“三水准、两阶段”的设计目标。减震、隔震结构是通过在主体结构中设置耗能装置或隔震装置,以耗散或隔离输入结构中的地震能量,从而改善结构的抗震性能。

1.3 减隔震技术分类

常用的减震装置有金属阻尼器和黏滞阻尼器[2],如图3所示。其中,金属阻尼器属于位移相关型阻尼器,在地震往复作用下通过金属材料屈服时产生的弹塑性滞回变形耗散地震能量,如软钢阻尼器和屈曲约束支撑;黏滞阻尼器属于速度相关型阻尼器,在地震往复作用下利用其黏滞材料的阻尼特性来耗散地震能量,如杆式黏滞阻尼器和黏滞阻尼墙。

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△ 图3 减震装置

常用的隔震装置有叠层橡胶支座(图4(a),(b))和滑动支座(图4(c),(d)),两者均具有较大的竖向刚度,以便承受巨大的上部结构重量,水平刚度则相对小很多,以隔离输入结构的地震能量。

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△ 图4 隔震装置

1.4 组合减隔震技术概述

组合减隔震技术是减隔震技术的一种创新应用形式,主要包括减震组合技术、减震与隔震组合技术两种。

1.4.1 减震组合技术

减震组合技术[3]是指根据结构的变形特点以及结构抗震性能化设计要求,合理组合应用多种减震装置,充分发挥各种减震装置耗能效果,减小地震作用,改善结构的抗震性能,其分类如图5所示。

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△ 图5 常用组合减震技术分类示意图

减震组合技术目前已广泛应用于许多重大工程中,并取得了良好的抗震效果,比如云南滇池会展中心[3]西藏某加固改造项目[4]。日建设计东京总部大楼[5]、日本仙石山森大厦[6]等。日建设计东京总部大楼位于日本东京千代田区坂田桥(图6),为框架结构,建筑高度为60m,地下1层,地上14层,总建筑面积为20 581m2。大楼采用黏滞阻尼墙+屈曲约束支撑的组合减震技术,减震装置及布置如图7~9所示。黏滞阻尼墙在小震、中震和风荷载作用下发挥作用,屈曲约束支撑则在中震和大震作用下发挥作用。混合应用两种减震装置,中震下结构阻尼比可以达到小震下的2倍。大楼在2011年3月11日经历东日本大地震时,黏滞阻尼墙和屈曲约束支撑有效发挥了耗能减震作用,大楼主体结构完好无损。日本仙石山森大厦总建筑高度为206.69m,采用黏滞阻尼墙+摩擦阻尼器的组合减震技术,其中黏滞阻尼墙在小震和大震作用下发挥作用,摩擦阻尼器只在大震作用下发挥作用。
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△ 图6 日建设计东京总部大楼建筑

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△ 图7 黏滞阻尼器

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△ 图8 屈曲约束支撑

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△ 图9 日建设计东京总部大楼减震装置布置

1.4.2 减震与隔震组合技术

减震与隔震组合技术[7]是指结构在采用隔震技术的基础上,在隔震层内或隔震层外楼层布置减震装置以进一步减小地震作用,改善结构抗震性能,其分类如图10所示。

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△ 图10 常用组合减隔震技术分类示意图

减震与隔震组合技术应用更为广泛。江苏宿迁苏豪银座[8]为框架-剪力墙结构,建筑高度为80m,地下2层,地上20层,总建筑面积为67 000m2,建筑效果图如图11所示。大楼采用层间隔震+层内减震(黏滞阻尼器)的组合减隔震方案,隔震层内设置天然橡胶支座铅芯橡胶支座和黏滞阻尼器,隔震层位置如图12所示。混合应用减震、隔震装置后,结构自振周期从1.64s延长为3.74s,X向减震系数达0.35,Y向减震系数达0.36,达到地震烈度降低一度的设计目标,减震效果良好。

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△ 图11 江苏宿迁苏豪银座建筑效果图

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△ 图12 江苏宿迁苏豪银座隔震层位置示意图

此外,日本东京清水总部大楼[9]采用基础隔震+层内减震(黏滞阻尼器)设计方案;东京日本桥大楼[10]采用层间隔震+下部结构减震(黏滞阻尼墙)设计方案;日本大阪中之岛音乐厅大楼[11]采用层间隔震+上部结构减震(黏滞阻尼器)设计方案,均取得了良好耗能效果。

02

减震组合案例分析

本节挑选笔者设计的两个减震组合案例,结合项目特点,简单介绍组合减震结构的设计思路及方法,并对比分析有无减震装置情况下结构的耗能能力、减震效果,供工程设计人员参考。

2.1 昆明滇池会展中心S2

2.1.1 工程概况

昆明滇池会展中心S2[12]建筑高度为250m,总建筑面积为13万m2,其建筑外观如图13所示。

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△ 图13 昆明滇池会展中心S2建筑效果图

昆明滇池会展中心S2采用型钢混凝土框架+混凝土核心筒+环带桁架的结构体系。环带桁架布置在22,33,42层,如图14所示。

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△ 图14 昆明滇池会展中心S2结构体系示意图

2.1.2 消能减震方案

云南省隔震减震建筑工程促进规定》〔云南省人民政府令202号〕要求“抗震设防烈度8度以上区域内单体建筑面积1 000m2以上的重点设防类、特殊设防类建筑工程应该采用隔震减震技术”,且“采用减震设计时,应使建筑抗震性能明显提高,罕遇地震作用下减震结构与非减震结构的水平位移之比应小于0.75”。

昆明滇池会展中心S2位于8度(0.2g)高烈度地震区,应采用消能减震技术改善结构的抗震性能。为达到大震下25%的减震效果,创新地采用4种消能减震装置:黏滞阻尼伸臂、黏滞阻尼墙、金属耗能连梁、屈曲约束支撑,如图15所示。其中,黏滞阻尼伸臂布置在22,33层;黏滞阻尼墙布置在26~40层;金属耗能连梁X向布置在26~40层,Y向布置在6~19层、31~40层;屈曲约束支撑布置在22,33,42层。

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△ 图15 昆明滇池会展中心S2减震装置构造示意图

2.1.3 减震效果

项目中消能装置数量及发挥耗能情况如表2所示。其中,黏滞阻尼伸臂和黏滞阻尼墙在小、中、大震作用下均发生耗能作用;金属耗能连梁和屈曲约束支撑在小震作用下仅提供刚度,在中、大震作用下进入屈服耗能,保证结构在中、大震作用下的抗震性能;随着地震烈度的增加,钢连梁和屈曲约束支撑陆续参与耗能(图16),结构附加阻尼比随之增大,有效地保证了结构的抗震性能。

消能装置发挥耗能工况 表2

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△ 图16 昆明滇池会展中心S2在各地震工况下耗能情况

2.2 上海博物馆东馆

2.2.1 工程概况

上海博物馆东馆[13]建筑高度为45m,地下2层,地上6层,总建筑面积为10.4万m2,平面尺寸为105m×182m,其建筑外观如图17所示。

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△ 图17 上海博物馆东馆建筑效果图

基于博物馆建筑的特点,初步阶段提出采用“型钢混凝土柱+钢梁+钢支撑”的刚性结构体系,满足灵活的建筑布置,典型结构平面布置如图18所示。

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△ 图18 刚性结构方案典型结构平面布置

2.2.2 消能减震方案

项目具有以下特点:1)上海博物馆东馆为特大型博物馆,设计使用年限为100年,地震作用需放大1.3~1.4倍;2)博物馆馆藏文物珍贵,应采用有效措施保护藏品在地震作用下不受损坏;3)博物馆内部空间丰富,结构存在多处无柱大空间,竖向贯通柱较少,角部存在大跨度空间及大悬挑桁架。

为保证结构在地震作用下具备良好的抗震性能,考虑引入减震技术,形成“型钢混凝土柱+钢梁+黏滞阻尼墙+屈曲约束支撑”的组合减震结构体系,其中黏滞阻尼墙在小、中、大震作用下均发挥耗能作用,耗散地震能量,减小主体结构所受地震作用;屈曲约束支撑在小、中震作用下提供刚度,保证结构侧向刚度需求,在大震下屈服耗能。通过黏滞阻尼墙与屈曲约束支撑的组合使用,保证结构具有足够的整体刚度以及良好的耗能机制。消能减震方案结构典型平面布置如图19所示。

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△ 图19 消能减震方案典型结构平面布置

消能减震方案在刚性结构体系的基础上,将抗侧钢支撑替换为屈曲约束支撑,并结合建筑功能设计,在合适位置增设黏滞阻尼墙。

2.2.3 减震效果

表3所示为抗震结构与减震结构对比分析结果,与“型钢混凝土柱+钢梁+钢支撑”抗震结构体系相比,消能减震方案具有明显的优势,主要表现在以下方面。

抗震结构与减震结构对比 表3

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(1)基底剪力

设置黏滞阻尼墙和屈曲约束支撑后,基底剪力降低约20%。

(2)周期与阻尼比

消能减震方案周期较刚性方案有一定程度的增大,同时多遇地震结构阻尼比由4%提高到6.3%。

(3)结构耗能

消能减震方案的结构耗能能力显著增强,且大震下减震装置耗能约占一半,能有效减轻结构构件的损伤。图20为小、中、大震情况下结构耗能情况。

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△ 图20 上海博物馆东馆在各地震工况下的耗能情况

03

减震与隔震组合技术案例分析

选择笔者设计的2个减震与隔震组合案例,结合项目特点,简单介绍减隔震组合结构的设计思路,并对比分析有无减隔震装置情况下结构的自振周期、减震效率和耗能能力,以供工程设计人员进行参考。

3.1 喀什农商银行总部大楼

3.1.1 工程概况

喀什农商银行总部大楼[14]一期建筑高度为86m,地下1层,地上19层,总建筑面积为3.5万m2,裙房与主塔楼设缝脱开,其建筑外观如图21所示。项目主塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,如图22所示。

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△ 图21 喀什农商银行总部大楼建筑效果图

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△ 图22 喀什农商银行总部大楼结构体系

3.1.2 减震与隔震组合方案

喀什农商银行总部大楼的结构设计特点:1)项目拟建地区抗震设防烈度为8度(0.3g),属于高烈度地震区,结构抗震性能要求高;2)建筑立面要求尽量通透,不能设置周边剪力墙。

因此考虑采用隔震技术,同时在隔震层设置黏滞阻尼器,以减小上部结构的地震作用,保证上部结构具有良好的抗震性能,实现上部结构降一度的设计目标。

隔震层位于地下室底板以下,基础顶板以上。隔震层共布置隔震支座34个(铅芯橡胶支座(LRB)23个、天然橡胶支座(LNR)11个),黏滞阻尼器(VFD)16个,布置如图23,24所示。

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△ 图23 隔震支座平面布置

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△ 图24 隔震层三维示意图

3.1.3 减震与隔震组合效果

(1)周期

有无隔震装置的结构周期对比如表4所示,隔震方案通过设置隔震层,将结构周期延长2.5倍左右,进而有效降低了地震作用。

有无隔震装置的结构周期对比 表4

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(2)减震系数

经过计算,设防地震下层剪力最大减震系数为0.34,层倾覆力矩最大减震系数为0.35,均小于《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[15](简称抗震规范)规定的0.38(设置阻尼器),按照抗震规范规定可按降一度进行设计。

(3)结构耗能

隔震层各部分在罕遇地震下能量耗散情况如图25所示。罕遇地震作用下能量时程分析结果表明,隔震支座耗能占比63%,阻尼器耗能占比9%,隔震层总耗能占结构整体耗能的72%,大大减小了输入到上部结构的地震能量。

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△ 图25 罕遇地震下能量耗散情况

3.2 西安丝路国际会议中心

3.2.1 工程概况

西安丝路国际会议中心[16]建筑高度为60m,地下2层,地上3层,总建筑面积为20.7万m2,其建筑外观如图26所示。

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△ 图26 西安丝路国际会议中心建筑效果图

塔楼上部结构采用巨型钢框架结构体系。巨型柱由20个竖向支撑筒体构成,巨型梁由4m高的钢桁架楼盖和4.5m高的钢桁架屋盖构成,如图27,28所示。

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△ 图27 整体结构剖面图

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△ 图28 竖向交通筒(20个)

3.2.2 组合隔震方案

西安丝路国际会议中心的结构设计特点:1)项目位于8度(0.2g)高烈度地震区,结构抗震性能要求高;2)结构采用巨型钢框架结构体系,建筑存在较多大跨、大悬挑空间,需采用有效措施保证巨型框架的抗震性能;3)结构跨度大,楼面荷载重,重力荷载对构件尺寸影响较大,同时整体结构高宽比很小(0.32),因此导致上部结构水平刚度较大。

基于以上项目特点,采用地下室一层柱顶隔震方案。隔震层混合使用天然橡胶支座+铅芯橡胶支座+滑板支座+黏滞阻尼器,上部结构实现降一度设计目标,大幅减小巨型框架所受地震作用。

隔震层共布置铅芯橡胶支座(LRB)74个、天然橡胶支座(LNR)96个、滑板支座(SB)356个、黏滞阻尼器(VFD)32个,具体布置如图29所示。

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△ 图29 隔震支座平面布置

3.2.3 组合隔震效果

(1)周期

有无隔震装置的结构周期对比如表5所示,隔震结构周期较非隔震结构延长了3.7~4.2倍,有利于结构远离场地特征周期,减小地震作用。

有无隔震装置的结构周期对比 表5

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(2)减震系数

经过计算,设防地震下层剪力最大减震系数为0.35,层倾覆力矩最大减震系数为0.35,均小于抗震规范规定的0.38(设置阻尼器),按照抗震规范规定可按降一度进行设计。

(3)结构耗能

隔震层各部分在罕遇地震下能量耗散情况如图30所示,罕遇地震作用下能量时程分析结果表明,输入给隔震结构的地震能量大部分由隔震支座和阻尼器耗散,其中隔震支座耗能占比68%,阻尼器耗能占比17%,隔震层总耗能占结构整体耗能的85%,大大减小了输入到上部结构的地震能量。

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△ 图30 罕遇地震下能量耗散情况

04

结论与展望

(1)中国高烈度地震区分布广泛,且中国城市化发展迅速,必须采用有效的抗震措施,提高建筑的抗震性能以及使用品质。

(2)减隔震技术已经成熟并广泛应用于建筑结构(高层建筑、大跨度建筑等)中,可有效降低地震作用,改善结构的抗震性能。

(3)通过2个减震组合技术应用案例和2个减震与隔震组合技术应用案例可以看出,根据项目特点,合理地组合、运用减震与隔震技术,可进一步提高建筑的结构性能,实现“适用、经济、绿色、美观”的八字建筑方针。减隔震技术组合应用必将成为抗震设计发展的一种趋势。

参考文献

[1] 丁洁民,吴宏磊.减隔震建筑结构设计指南与工程应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2018.

[2] 丁洁民,吴宏磊.黏滞阻尼技术工程设计与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2017.

[3] 吴宏磊,丁洁民,刘博.超高层建筑基于性能的组合消能减震结构设计及其应用[J].建筑结构学报,2020,41(3):14-24.

[4] 王世玉,吴宏磊,吴昊.混合减震技术在某单跨框架加固改造项目中的应用[J].建筑结构,2020,50(S1):405-410.

[5] HIROAKI HARADA,TATSUMI SHINOHARA,KEITA SAKAKIBARA.A study on dynamic behavior of nikken sekkei Tokyo building equipped with energy dissipation systems when struck by the 2011 Great East Japan Earthquake[C]//The Proceeding of The 15th World Conference on Earthquake Engineering.LISBOA,2012.

[6] SHUICHI OTAKA,MASAYUKI YAMANAKA,SHOKICHI GOKAN,et al.Toranomon-Roppongi地区项目 [C]//世界高层都市建筑学会第九届全球会议论文集.上海,2012.

[7] 丁洁民,涂雨,吴宏磊,等.减隔震组合技术在高烈度抗震设防区的应用研究[J].建筑结构学报,2019,40(2):77-87.

[8] 章征涛,夏长春,樊嵘,等.宿迁苏豪银座层间隔震设计[J].建筑结构,2013.43(19):54-59.

[9] DAI SHIMAZAKI,KENTARO NAKAGAWA.Seismic isolation systems incorporating with RC core walls and precast concrete perimeter frames[J].International Journal of High-Rise Buildings,2015,4(3):181-189.

[10] 久次米,曾根,朋久.The structural design of Tokyo Nihombashi Tower[J].Structure:Journal of Japan Structural Consultants Association,2015,48(12):50-51,12.

[11] KEN OKADA,SATOSHI YOSHIDA.Structural design of Nakanoshima Festival Tower[J].International Journal of High-Rise Buildings,2014,3(3):173-183.

[12] 昆明滇池会展中心S2抗震专项审查报告[R].上海:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,2018.

[13] 上海博物馆东馆新建工程超限高层抗震专项审查报告[R].上海:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,2017.

[14] 喀什农商银行总部大楼隔震设计专项分析报告[R].上海:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,2017.

[15] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.

[16] 吴宏磊,丁洁民,陈长嘉.西安丝路国际会议中心隔震技术应用研究[J].建筑结构学报,2020,41(2):13-21.

作者简介

丁洁民大师:减隔震技术的发展与应用-36
丁洁民,同济大学教授、博士生导师,全国工程勘察设计大师,国家一级注册结构工程师,英国皇家资深注册结构工程师,《建筑结构》编委会副主任;现任同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司总工程师。

1990年毕业于同济大学结构工程系,获工学博士学位。长期从事复杂结构的研究与设计咨询工作,在超高层结构和大跨度钢结构等复杂结构方面取得丰富研究成果,荣获建设部科技进步一等奖,国家科技进步二等奖,上海市科技进步特等奖,教育部科技进步一等奖,中国建筑学会科技进步奖特等奖等,并参与编制了《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《空间结构设计规程》(DG/TJ 08-52-2004)等国家和上海市的有关设计规程。已完成高层、超高层、大跨度体育场馆、会展中心、大型影剧院、高铁交通枢纽等百余项工程项目,荣获全国优秀工程勘察设计行业建筑工程一等奖、二等奖,设计银奖,全国优秀建筑结构设计一等奖、二等奖等。2017年11月被结构工程师世界大会(SEWC)授予SEWC终身荣誉会员奖,2018年10月荣获英国结构工程师学会(iStructE)金质奖章,2019年4月荣获世界高层建筑与都市人居学会(CTBUH)杰出贡献奖。

来源:建筑结构

国为减隔震招商
kdmin

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