大型公建阻尼隔震和减轻自重法综合抗震技术应用

苏海勇 吴章熙 金铭功

1. 中国建筑股份有限公司阿尔及利亚公司 北京 100125；2. 中建三局第三建设工程有限责任公司 湖北 武汉 430074

1 抗震技术研究现状

1.1 研究背景

阿尔及利亚大清真寺项目位于地中海南岸，欧亚板块和非洲板块的结合带，为地震多发区域，在项目方圆50 km内有8个活跃或可能活跃的断层和6个地震带（震源区），历史上该地区发生的震级为5～7级的地震约有10次。

依据本项目的安评报告，清真寺项目处于地震高烈度的区域，其烈度值介于7度和8度间，场地岩石地震加速度为0.65g，重现期1 000 a，50 a超越概率为4.877%，与我国7度（0.30g）接近。

项目由德国Ksp（Jürgel Engel Architekten）和Kuk（Krebs und Kiefer）两大设计院联合设计，其中Ksp负责建筑设计，Kuk负责结构设计。本项目在建筑、结构及机电领域都采用了众多大胆新颖的设计方法及思路，特别是在抗震隔震方面的设计和应用最为突出。本文针对核心建筑祈祷大厅结构设计中采取的抗震方法进行介绍。

1.2 国内外发展现状

为实现地震作用下的设防目标，传统抗震结构通过增强结构强度来抵抗地震，同时容许结构构件在地震时进入非弹性状态，具有一定的延性，以结构本身的损坏为代价消耗地震能量，减轻地震反应，做到“大震不倒，中震可修，小震不坏”。但是靠增强结构强度的办法费用较高，即使房屋没有倒塌，由于承重构件损伤较重，经济损失亦很大。因此，单纯强调工程结构在地震下的不严重破坏和不倒塌，已不能适应现代工程结构抗震需求。

为寻找更好的解决方案，国内外学者经过大量研究，提出了建筑隔震技术[1-4]。建筑隔震技术是在建筑物基础或下部与上部结构之间设置由隔震器（橡胶隔震支座、滑移支座、FPS摩擦摆滑动支座）、阻尼装置等组成的隔震层，隔离地震能量向上部结构传递，减少输入到上部结构的地震能量，同时延长上部结构的自振周期，降低上部结构的地震反应，达到保护建筑结构的要求。

20世纪60年代中后期，新西兰、日本、美国等多地震国家对隔震技术开展了深入、系统的理论和试验研究，取得了较好的成果。早期隔震系统是由天然橡胶支座加阻尼器或铅芯橡胶支座组成；近期，使用高阻尼天然橡胶支座的隔震建筑越来越多。我国从20世纪80年代后期开始重点关注橡胶支座隔震技术。到目前为止，我国已建成隔震建筑3 000多栋。

2 祈祷大厅抗震设计

阿尔及利亚大清真寺项目建筑物场地类型B类，地震响应谱依据RAP99-2003确定，地震荷载、动态计算，以及之后的构件计算则按照Eurocode 8来确定。

位于项目最东部的祈祷大厅，结构使用分组为1A类，建筑物长、宽均约150 m，平面上几乎是对称布局，高约70 m，由下到上逐次收缩，为平面规则而立面不规则的建筑物，结构形式复杂。地下室主要由混凝土剪力墙构成，地上大厅主要由离心混凝土柱及周边剪力墙构成，柱帽及穹顶则由钢结构构件组成，是一个由多种受力形式组成的复杂结构（图1、图2）。

图1 祈祷大厅3D示意

图2 祈祷大厅剖面示意

地震作用是一种惯性力，其公式为F=a×m，想降低力F就得降低响应加速度或自身质量，祈祷大厅则采用了既降低响应加速度又减少自身质量的双减法来降低地震时的惯性力，完成地震设防目标。

依据建筑物响应谱（图3）可知，通过延长结构的周期并给予较大的阻尼，就可使结构上的响应加速度大大降低，因此祈祷大厅在建筑物基础与上层建筑之间设置284个抗震支座和80个抗震阻尼器形成隔震体系，隔震后建筑物的周期约是3 s。

上层建筑通过抗震支座托起，同时通过使用空心预制混凝土八角柱和钢结构达到减小上部结构自重的作用。地震发生时，通过抗震支座和阻尼器在水平面形成可以吸收能量的弹簧体系，吸收大量地震能量，在地震作用被大量减弱后再传递至抗震支座上部的建筑物（图4）。

图3 祈祷大厅设计响应谱

图4 隔震体系原理模型

抗震支座可以使地震引起的频率与建筑物固有频率之间的潜在共振错开，使得建筑物所受地震力减弱，且建筑物内部的水平变形也相应减小。地震结束后，建筑物又可借助抗震支座的返回作用力回到其初始位置。

3 隔震体系的应用

隔震体系的设计主要依据建筑物的抗震设防目标选取支座和阻尼器的类型及参数，本项目支座和阻尼器的类型及参数如下：

1）抗震支座类型为倒摆钟式（双滑移面），摆动半径2.4 m，动态摩擦因数0.03±0.01，摆动周期3 s，行程－655～655 mm，滑移面无损行程50 000 m，理论寿命500 a，主要材料为S355、特制滑移材质MSM。

2）阻尼器类型为黏滞阻尼器，阻尼恒量2 500 kN/（m·s-1），阻尼系数0.4，位移速度0～1 m/s，行程－655～655 mm，滑移面无损行程10 000 m，理论寿命500 a，主要材料为S355、阻尼油。

支座关键设计参数是摆动半径，阻尼器关键设计参数则是阻尼系数。

抗震支座选用德国毛勒产品，采用特制的滑移材质MSM已有欧洲ETA认证，经历50 000 m测试后，无任何磨损，耐久性好。当其受损时（超出设计的强震时）也可对其进行更换（设计时已考虑了将结构轻微顶升几毫米后进行更换的可能）。抗震支座的阻尼性能取决于滑移面的摩擦因数，本项目选择的动态摩擦因数很小，可确保整个建筑物在地震后能够重回中心。

阻尼器同样选择德国毛勒产品，其体系获得欧洲ETA认证，经历10 000 m测试后，无任何损坏，耐久性好，其受损时更换简易，日常维护量小，使用寿命长。

采用阻尼构件的主要目的是使隔震体系获得较大的阻尼，即阻尼器是抗震支座的补充。尤其是在高速时，阻尼器可单方向提供100 000 kN/（m·s-1）的阻尼恒量，可有效减小高速时的位移。支座的静摩擦力也很大，可将风引起的荷载传递至基础而不引起支座本体的变形。

4 减轻自重法综合抗震技术

祈祷大厅在采用隔震体系后，又采用了其他2种方法来有效减小建筑物的地震作用力，一是大厅竖向受力构件采用中空的高强预应力离心混凝土柱，二是屋顶采用轻质的钢结构来减少建筑物质量。这样既能减轻上部结构自重，又能保证大空间建筑的侧向刚度和稳定性。

离心混凝土技术是预应力混凝土管桩的一个延伸，管桩具有强度高、混凝土密实度高、低孔隙率、低吸水率、耐久性好、耐锤击性能好、耐腐蚀能力强的特点；可适合于任何土质，且断面为圆形，波浪力和水流力大大减小，其使用年限长，维修费用低，是一种理想的海工建筑物桩基结构。近年来随着技术的进步，其使用逐渐延伸到地上，其主要优势就是轻质、耐久、美观。祈祷大厅采用的是德国公司Europoles生产的离心柱。

祈祷大厅使用的离心混凝土柱直径分为1.62 m和0.81 m共2种，壁厚均是150 mm，混凝土强度等级C50/C60，外观白色。其中φ1.62 m柱高34 m，质量约100 t，共计32根，每根分为3节，节点采用插榫设计，柱头和柱底均采用法兰式连接，简单实用，便于安装；φ0.81 m柱高17 m，质量约17 t，部分高6.15 m，质量约6 t，共228根。

φ1.62 m空心柱（壁厚15 cm）惯性矩为0.227 7 m4；φ0.81 m空心柱（壁厚15 cm）惯性矩为0.020 2 m4。经计算，能提供相同惯性矩的实心混凝土柱直径为1.47 m和0.796 m，即离心柱可减少柱体质量的47.38%和22.97%。

综合宗教建筑装饰效果及建筑抗震要求，屋面结构采用钢结构三角形排架设计。每根八角柱顶部由8个三角形排架组成一个倒喇叭造型。相互之间形成稳定的支撑结构。在减轻结构自重的同时加强建筑上部的整体刚度。

整个祈祷大厅22 m屋面、44 m屋面、22～44 m之间墙体以及中间穹顶全部为钢结构设计。建筑投影面积22 500 m2，屋面、穹顶及竖向墙钢结构总质量为5 500 t，远小于普通钢筋混凝土结构自重。

屋面防水系统由梯形钢板＋岩棉＋铝板防水层组成，与传统卷材防水屋面相比，其自重更轻、保温隔声性能更好、耐久性更强。

5 结语

阿尔及利亚大清真寺项目作为一个处在地震带上的国家级重要宗教建筑，从建筑结构到机电内装饰各个环节都十分注重建筑的抗震性能。特别是在结构抗震设计上，采取的阻尼隔震＋减轻上部荷载以减小地震力的办法，对我们国内的建筑抗震有很大的借鉴意义。特别是对于大空间的体育场、影剧院等公共建筑，通过采用基础隔震以减小地震加速度、上部结构选用轻质高强材料以减小自身质量的双减法抗震技术，可最大程度地减少地震伤害，保护建筑内人员、设备的安全。