复杂高层建筑结构抗震与结构控制研究及其应用

黄 爽

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

复杂高层建筑结构抗震与结构控制研究及其应用

黄 爽

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

结构抗震性能研究包括钢筋混凝土核心筒墙抗震伪静力试验、复杂高层建筑结构分析、用于指导工程结构设计的各种复杂高层和塔式建筑的振动台模型试验研究。结构控制方面包括一种新的组合基础隔震系统、一种新的组合耗能减震系统和采用流体阻尼器连接双塔结构减震研究。这些研究成果大多数已应用于工程实践，该文对一些成功例子作了介绍。

结构抗震；振动台试验；消能减震；组合隔震；工程应用；高层建筑；结构控制

0 引言

由于社会需求的多样性、土地有限使用和集约化服务，高层建筑越来越多，外形也变得越来越复杂，从而导致抗震分析和抗震设计变得越来越困难。中国是一个多地震国家，高层建筑的抗震安全性受到广泛注意，许多研究人员和工程师都对高层建筑的抗震性能进行了深入研究。在过去的20年里，同济大学土木工程防灾国家实验室进行了相当数量的高层建筑抗震性态和结构控制的研究项目。在这篇文章里，笔者就该实验室开展的模型试验、理论分析和工程应用的最新进展作些介绍。

1 高层建筑的抗震性能研究

1.1 钢骨混凝土核心筒墙试验研究

由外部钢框架、内部钢筋混凝土核心筒墙构成的组合结构体系在中国的高层建筑和高塔建筑中得到广泛应用。这种组合结构中的核心筒墙一般采用钢骨混凝土（SRC），它具有较高的强度和较好的延性。但是至今这种SRC核心筒墙的试验研究还很少。为了为动力试验、结构分析和设计提供基础和参考，进行了两组分别为三个联肢SRC剪力墙的模型和三个SRC核心筒剪力墙伪静力试验[1]。对于三个联肢SRC剪力墙模型，水平循环加载点靠近在模型顶端，同时恒定的垂直压力由千斤顶施加在模型的顶端，以模拟剪力墙的轴向受力状态；各模型的垂直压力各不相同，以对应不同的轴压比情况。但是对于SRC核心筒剪力墙模型，由于加载设备的原因，仅有顶端水平循环加载。试验装置见图1。

图1 联肢SRC剪力墙模型试验装置

应变、荷载和位移数据由仪器自动采集，破坏过程和破坏模态也被记录下来。所有联肢剪力墙模型的剪压破坏模态都与图2中的形态类似。而对所有核心筒剪力墙的破坏模态如图3所示。剪压破坏发生在腹板墙上，水平弯曲裂缝仅出现在翼墙上，严重的垂直裂缝出现在SRC边柱的混凝土与钢骨的内接合面上。这些构件的抗震性能通过其强度、变形、耗能能力和其滞回特性来评估。与普通的核心墙比较，虽然一般的破坏模态没有改变，但是其承载能力和延性得到了很大改善。抗剪强度主要由腹板墙提供，翼缘墙对抗剪强度的贡献很小。在混凝土开裂后，抗剪强度就在钢骨与混凝土之间进行重新分配。钢骨承担的剪力明显增加了。随着轴压比的增加，承载力得到提高，但是其延性和耗能能力却降低了。

图2 联肢SRC剪力墙模型破坏形态

图3 SRC核心筒模型的破坏模态

1.2 复杂高层建筑的结构分析

为了满足复杂高层建筑结构分析要求，提出了几种分析模型，包括梁－柱单元模型和单片墙模型模拟剪力墙，筒体墙单元模型模拟筒体，三节点带有转角自由度的三角形单元模拟楼板[2]。在梁－柱单元模型中使用了精度更高的线积分方法，该方法能够计及横截面上所有点上的非线性行为。高层建筑的P-Δ效应是通过在几何方程中引入二次项而考虑的。因为非线性行为是沿着单元长度变化的，子结构概念被引入单元内部以改善计算速度。单片墙单元是通过叠加非线性剪切弹簧到梁－墙单元模型中来获得，这种模型同时考虑了轴压、弯曲和剪切变形。筒体墙模型是由几片单片剪力墙而构成，并在这些剪力墙片的边界上约束它们的位移一致。为了获得结构的软化阶段情况，Newton-Raphson和弧长法被结合起来求解非线性方程。

图4 结构构架的透视图

高层建筑地震响应分析既使用了三维推覆法也使用了时程法。几个具有复杂结构体形的实际高层建筑经过这些程序检验，分析模型的精度也到验证。分析表明如果仅按弹性分析结果设计是不能保证复杂高层建筑的抗震安全性的，用推覆方法和非线性时程分析找出结构的薄弱层是非常必要的。由于受篇幅所限，此处仅列举一个上海金融中心分析的例子。该超高建筑有101层高达492m。它是一个复杂的组合结构，由巨型框架、核心墙和外伸桁架组成。结构构架和主要结构杆件的透视图见图4和图5。对应于振动台试验模型，建立了一个14层的简化模型，计算其振动特征和非线性时程响应[3]。分析结果与试验结果非常接近，见图6。原型的非线性时程分析和相应的结构抗震能力评估表明该结构具有较好的抗震性能，满足抗震规范的要求。

图5 主要结构杆件

图6 SHW2时程输入下顶部位移响应比较（7度的罕遇地震）

1.3 用于指导工程设计的各种复杂高层建筑的振动台模型试验

物理模型试验在结构工程中很重要，因为它有助于对结构行为和破坏机制的基本理解。结构模型试验通常有助于结构工程师直接获得原型的性能了解，尤其在复杂高层建筑中，数值模拟分析不足以解决问题时，模型试验更有必要。振动台试验被认为是经济、精度高和实践上可行的一种评估结构抗震性能的方法。为了保证模型能展示原型的力学行为，模型设计应该满足动力相似要求。毫无疑问，动力相似理论是振动台试验中最重要的基础。为了证明振动台试验中动力相似理论的有效性，两个6层的钢筋混凝土框架模型，其中一个为原型的1/4比例，一个为原型1/8比例设计，置于振动台上试验。试验结果表明，两个模型之间的固有频率、破坏机制和恢复力特性等存在较好的相似性。

基于以上的基础研究，在过去的20年里里，30多个复杂高层建筑和电视塔，例如上海世茂滨江花园2号塔、北京LG塔、上海环球金融中心等（见图7-图9），都做过振动台试验[4]。模型设计、制作方法、试验、分析过程和测量技术都发展得相当成熟。通过这些振动台试验，模型的地震响应和动力特征都可获得，就能了解结构破坏过程、破坏机制和发现薄弱点，然后就可估计原型结构的整体抗震性能。由此就可提出改进结构设计和改善原型抗震性能的建议。某些试验结果也被结构竣工后的现场振动测试所证实。

图7 上海世茂滨江花园2号楼

图8 北京LG大厦

图9 上海环球金融中心塔楼

2 高层建筑的结构控制应用研究

2.1 一种新的组合隔震体系的开发

我们开发了一种带有复位功能的滑移组合基础隔震系统。这种隔震系统由耗散大部分输入地震能量的摩擦滑移装置和能弹性复位的橡胶支座构成。为了验证这种由滑板－橡胶支座组合而成的隔震系统的有效性，一个1/12比例的三层钢框架模型在固定支座和隔震支座情况下分别在振动台上试验[5]。隔震系统由四个叠层橡胶支座（RB）和两个摩擦滑移支座（SLD）构成。隔震系统的平面图和上部结构见图10和图11所示。

图10 基层隔震平面图

图11 振动台上的基础隔震结构模型

基础固定模型（FIX）首先用比较低的地运动输入，以保证上部结构处于弹性状态。然后进行带有基础隔震（SLD）的模型振动台试验。FIX和SLD模型的基频分别为3.58Hz和1.79Hz，粘滞阻尼比分别为0.03和0.19。除了隔震系统在高强度的地运动输入下的位移较大外，几乎所有的响应都被减小了。另外，隔震系统在各不同强度输入水平下有较好的复位能力，残余位移不到1mm。在三向输入下隔震系统的加速度响应和滞回性能与那些单向输入和双向输入的响应有很大的不同。地运动垂直分量对隔震支座和隔震轴向荷载性质有重要影响。对每次这样的输入，总输入能量和构成能量的分量均通过积分计算获得。得到的结果表明，在FIX模型里，总输入能量的大多数被上部结构所耗散，而在SLD模型中是由滑移隔震器所耗散。

根据试验结果，提出了一个用于试验模型的新的简化分析模型，模型的上部结构和橡胶支座被假定是弹性的，滑板上的摩擦力是用库仑摩擦力来模拟，橡胶支座和滑板的阻尼被认为是粘滞阻尼。采用这样一个模型用Ansys软件进行有限元分析，计算结果与试验结果比较接近，证明了该模型的有效性[6]。

组合隔震支座已经被成功用于减轻上海F1国际赛场新闻中心巨型桁架结构的地震响应和释放其温度应力。这个隔震系统由一个中心放置的滑板支座和周边放置的4个叠层橡胶支座构成，分析结果表明，使用该支座可以大大减轻结构地震响应和巨型钢桁架温度应力。

图12 组合隔震支座构造(mm)

图13 工程中安装的隔震支座照片

2.2 新型组合耗能系统的开发

采用能量耗散系统是减轻结构地震响应最有效的手段之一，在近20年里，这一技术越来越受到重视。尽管各种各样的简单耗能装置已经研究得很多，例如粘弹性阻尼器、粘滞流体阻尼器、摩擦阻尼器和弹塑性阻尼器。当这些阻尼器都具有各自的特点和适用范围，当某单种阻尼器应用于工程中时，在有些情况下还是存在局限性的。例如粘滞流体阻尼器的动刚度较小，当应用于抗震时具有其特有优点，但是对于抗风效果却要差些。还有当采用人字型支撑粘滞阻尼器时，支撑保证出平面刚度也是设计者要关注的事情。此处我们提出一种组合消能减震装置，它用人字型钢支撑作为阻尼器的反力支撑，用位移型和速度型阻尼器并联成组合耗能器相连支撑和结构。如这里的位移型阻尼器可以是铅芯橡胶支座，具体装置如图14所示。该组合装置在风荷载和小震情况下，位移型阻尼器基本上只提供弹性，流体阻尼器提供小阻尼力。但是在大震作用下，位移型阻尼器进入弹塑性变形状态，刚度退化并耗能；而流体阻尼器提供大的阻尼力和很小的刚度。其结果是结构所受到的地震作用减小，地震反应降低。这种装置的两种阻尼力的大小匹配可以根据结构的力学特征和地运动特征进行合理优化配置。

图14 框架中的组合消能系统装置

图15 3层钢框架振动台试验

图15 表示了一个三层钢框架每层装有这种组合耗能装置的振动台试验照片[7]。为了比较该装置的减震效果，对结构在三种状态下分别进行试验。即无支撑框架（UF）、有铅芯橡胶支座的耗能支撑（LRD）和装有铅芯橡胶支座和油阻尼器的组合消能支撑（LRD+OD）。试验表明组合耗能系统能增加整个结构的阻尼比和刚度，故对结构地震响应具有较好的控制效果。这个系统的分析模型可简化为如图16所示。

图16 分析模型

图17 结构与消能装置平面布置图

这个新的组合耗能系统在既有建筑的抗震加固和新建工程都得到了成功应用。下面是两个工程应用的例子。一幢9层的早期建造的钢筋混凝土框架结构的平面图见图17[8]。这个结构是一个单向框架结构，预制板横铺，纵向梁为基本不承担垂直荷载的联系梁，对其抗震性能评估后得出其抗震能力不满足抗震要求，尤其是在房屋的长度方向（纵向）结构强度与规范的抗震强度要求相差较大。如果采用增设RC抗震墙的话，墙下基础要加桩加固，房屋在加固期间将无法正常使用。如果对梁柱采用增大截面法加固，则几乎全部的梁柱均要增大截面，同样房屋在加固期间将无法正常使用。该两种方法对建筑周围的环境都将造成破坏。综合比较各种方案的利弊，决定在每层增设了6个组合耗能装置，经验算，结构的地震响应得到有效控制，其抗震能力提高到能满足国家有关抗震设防的规范要求。加固实践证明，加固期间该建筑基本正常使用，加固直接费用也不到抗震墙方案直接费用的80%，取得了较好的综合经济效果。

图18是某新建8层钢结构办公楼平面图，在图示支撑位置，先后设计了两种不同性能的支撑（见图19），一种为普通钢支撑（1～6层布置），另一种为由叠层橡胶支座和粘滞流体阻尼器并联组合而成的组合耗能支撑（1～5层布置）。计算分析表明，在控制楼层水平位移接近的情况下，采用消能减震支撑比普通支撑能减小较多层间剪力、与支撑连接相交柱的轴力，故能给结构增加较大的抗震安全储备[9]。

图18 某8层钢结构框架办公楼平面布置图

图19 某8层钢结构框架两种支撑布置图示

2.3 用阻尼器连接双塔结构系统

因为现代城市用地紧张，同时也为了便于集中化服务，建筑物之间常常靠得很近。在大多数情形中，这些建筑物是分开建造的，结构相互之间不连接。在大震下，两个相邻建筑物的碰撞时有发生。在另外一些情形下，两个相邻建筑物也以不同方式连接为一体以满足建筑功能和形体需要。为了提高这些建筑的抗震性能和防止碰撞发生，对采用流体阻尼器连接相邻建筑物或主楼与连裙房连接问题开展了系列理论和试验研究。我们对一个1/4比例的由6层和5层钢框架的双塔结构进行了振动台试验，如图20所示。两建框架之间采用了3种连接方式：刚性钢杆连接、流体阻尼器连接和完全脱开。在采用流体阻尼器连接情形中，对连接的不同位置、不同的连接方式即平行连接和斜向连接情形都在试验中以不同工况情形予以考虑。试验结果表明，如果连接两建筑的流体阻尼器的参数取得合适，两个建筑的模态阻尼能得到有效提高，它们的地震响应也将大大减小。采用通用有限元软件Ansys建立分析模型，计算试验结构的非线性地震响应，得到的试验和计算结果有很好的一致性[10]。

图20 采用流体阻尼器相连的相邻建筑试验装置

图21 结构和流体阻尼器排列布置图

图22 建筑外型照片

作为进一步的研究，双塔建筑控制的概念再扩展其应用范围。一个工程综合应用研究是对上海世茂广场裙房在地震作用下扭转振动控制。该建筑由一幢超高层建筑（60层，高度333m）和环绕它的很大的裙房结构（10层，高度49m）组成，其中裙房的刚度与质心严重偏离[11]。该建筑的平面图和立面外景图见图21和图22。在计算该结构的减震效果时，建立了一个可以考虑所有梁柱刚度和强度贡献的三维层串拐把子模型，该模型的前三个动力性态与空间有限元模型基本一致，地震响应结果也与有限元模型接近，其精度足以满足工程需要，但是计算耗时与有限元模型相比，前者所花时间几乎可以忽略。采用该模型的优点是可以快速优化连接阻尼器的力学性能。图21表示了阻尼器的平面布置，从第7层至第10层，每层布置10个，共计40个阻尼器。粘滞流体阻尼器设计参数如下：最大阻尼力约为Fd-max=±600kN；Cd=250kN/ (mm/s)α，α=0.15。计算表明该楼采用这样的连接方式，基本消除了裙房的扭转振动，阻尼器耗能效果明显。该工程实施耗能连接方案之前，在振动台上实施了小比例尺模型试验，采用的是钢杆连接，试验中钢杆全部断裂，原因是连接两楼的钢杆太短，应变太大（连接杆内力大）而断裂。采用阻尼器连接，分析表明小震下最大阻尼力约为设计最大阻尼力600kN的60%～80%左右，大震下最大阻尼力约为500～680kN，阻尼器活塞杆相对位移达200mm左右。最初的钢杆连接方案分析表明，小震下单根钢杆内力就达1800kN，故阻尼器连接方案大大减小了连接处的集中力，降低了连接部件设计难度，也增强了结构的安全。

作为减轻地震作用的附加效果，阻尼器对于减小主楼风振也有明显效果。分析表明，通过阻尼器连接主楼、裙房，地震作用下主楼下部的强大抗侧向变形能力可以作为裙房支撑，从而消除裙房非协调扭转振动。而主楼迎风面大，所受风荷载可以通过阻尼器连接，把裙房作为支撑，减小主楼的风振响应。这些作用效应分析表明，具有阻尼器连接的主楼在地震作用下的位移响应比其独立情况下略微增大，但是裙房的地震扭转振动基本消除；风荷载下裙房的位移响应比其独立情况下略微增大，但是主楼的风振位移略有减小。在脉动风作用下，最大阻尼力接近于350kN，约为最大设计阻尼力的50%～60%。该工程已经全部完工，建筑物已经投入使用。

2.4 消能减震结构参数研究

消能减震结构是一种组合结构，在我国工程中实际应用的经验还不是很多，尤其是设计院的工程师们在采用该技术时，对于一幢建筑物应该安装多少阻尼器，在各种抗震设防标准情况下，附加多少阻尼力是合适的，其减震效果如何，以及层间阻尼力与结构层间的屈服剪力的配比等问题，还不是很清楚，抗震设计规范也没有给出可参考的规定，实际工程中往往是采用试算的办法加于解决。鉴于我们在几个工程中采用消能减震技术的经验，从能量原理和等效阻尼比的概念出发，在理论上推导出消能减震结构的合理参数设置范围[12]，并通过试验验证了这些参数的合理性和可操作性。具体表达如下，结构层间最大阻尼力与结构层间屈服剪力之比r宜取下值：0.1≤r≤0.6。位移相关型消能装置的支撑刚度应按其屈服位移与结构层间屈服位移之比λ来确定，宜取下值：0.1≤λ≤1.0。速度非线性相关型消能装置的支撑刚度应取Kb≥3|Fdmax|/|u0|为宜。式中：|Fdmax|为阻尼器最大设计阻尼力绝对值，|u0|为阻尼力到达|Fdmax|值时相对应的阻尼器相对位移值。这些参数建议值可为消能减震结构设计的合理性作参考保证。

3 结论

本文对近5年来在同济大学土木工程防灾国家实验室进行的一些有关高层建筑抗震性能和结构控制的研究，作了简单回顾。这些研究工作一般都是与工程应用相结合来进行的，研究成果可以直接应用于工程实践，实际上这些研究的大多数成果已经在工程中获得成功应用。

该实验室与其它的研究单位和公司有着良好的工作联系和合作，这使得该领域的研究工作始终保持着前瞻性。

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责任编辑：孙苏

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

黄爽（1986-），男，重庆人，本科，助理工程师，主要从事建筑结构设计工作。