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。
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。
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。
《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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
(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。
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。
(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。
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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
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