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浅谈减振技术在高层建筑中的应用 黄明芯 （烟台大学）摘要：近几十年来, 高层建筑结构的减振技术有了很大的发展。在突发的、强度大的地震中，怎样保证建筑物的稳定和安全以及如何使结构体系变得更加安全、有效和合理对有效减轻由地震导致的灾害有着举足轻重的现实意义。本文介绍了消能减震体系、隔震体系、结构被动体系以及结构主动体系的建筑结构减震控制新体系，并列举了各种体系在工程中的应用，为工程结构的抗震减振设计提供参考。关键词：消能减震体系 隔震体系 结构被动体系 结构主动体系1.前言 我国处于全球两大地震带交汇处，地震突发频繁。在地震中，建筑物大量破坏和倒塌，造成了严重的地震灾害1。在突发的、强度大的地震中，怎样保证建筑物的稳定和安全以及如何使结构体系变得更加安全、有效和合理对有效减轻由地震导致的灾害有着举足轻重的现实意义。此外，我国也是多台风的国家，超高层建筑的兴建对风力作用下的振动控制也提出了新的要求。 在高层建筑结构设计中，风和地震荷载是起控制作用的主要因素，按常规设计方法，为了抵御飓风和强震的袭击，常要强化结构的抗侧力系统，这样必导致建筑造价的增加2。据我国国情，要在较大范围内实施抗震设防，必须寻找一种既安全、适用，又经济的建筑结构减震控制新体系，随着高层建筑的越来越普遍，消能减震体系（图1.1）、隔震体系（图1.2），结构被动体系（图1.3）及主动控制体系（图1.4）也在结构抗振体系中得到广泛应用1。 图1.1 消能减震体系 图1.2隔震体系 图1.3 被动控制体系 图1.4 主动控制体系 抗震设计、隔震设计和制振设计的结构特征可归纳为表1所示1： 表1 抗震设计、隔震设计和制振设计的结构特点2 结构消能减震体系2.1 结构消能减震体系简介 结构消能减震体系的原理是通过迅速减缓结构的地震反应，与此同时使主体结构不能进入明显的非弹性状态，这样便可确保主体结构在强震中的稳定和安全。在结构消能减震体系中，起重要作用的是效能构件以及消能装置，一般效能构件由结构物的某些非承重构件设计而成，消能装置则设置在结构物的某些部位，在强震突发时，结构受力从而发生较大变形，这时，设置在结构中的消能装置率先进入消能状态，产生较大的阻尼从而大量消耗了输入结构中的地震能量，是结构得到保护。从策略上讲，结构消能减震是将地震输入结构的能量引向特别设置的机构和元件加以吸收和耗散，以保护主体结构的安全6。消能减震体系被广泛应用于高层建筑的抗震以及高耸构筑物（塔、架等）的抗震或抗风1。2.2 工程应用1首都规划大厦首都规划大厦建于北京城市，是我国 至今为止自行设计的最高的全钢结构超高层建筑，是一座有50层的全钢结构超高层建筑，高205米，由北京市建筑设计研究院设计。该结构的结构平面为缺角的正方形，整个结构由钢框架和人字形支撑组成的钢核芯筒加外圈四片钢框架所构成。在结构设计时，在结构的14层、30层和47层设置了三个刚性层，这样便提高了结构的抗侧刚度。该结构本着不增加或减小结构造价的原则，采用粘弹性阻尼器来保证在大震烈度下不超过我国高层钢结构技术规程中舒适度的设计界限具体做法如下：(1) 除第一三层和三个刚性层处外，将所有其余结构层内的人字形钢支撑改为人字型粘弹性阻尼器支撑。(2) 粘弹性阻尼器的钢支撑必须保持与原人字型支撑有相同的抗侧刚度，以保证结构整体抗侧刚度不变。(3) 粘弹性阻尼器支撑必须是具有足够的耗能能力，以减少结构的地震和风振反应。依据上述做法，设计了首都规划大厦结构内筒上的人字型粘弹性阻尼器支撑，详见图所示： 图2.1 结构内筒上的粘弹性阻尼器支撑 3 隔震体系3.1 隔震体系简介 在结构物底部与基础面之间设置某些隔震消能装置而构成的结构体系为抗震体系1。具体来说，在隔震层设计时，要满足以下要求5：隔震层应具有足够的竖向刚度和竖向承载力，能稳定的承载上部结构；具有足够的水平刚度，能保证将建筑物基本周期延长，减小地震作用；隔震层要有一定的阻尼，能起到衰减振动、限制结构位移的作用，同时减小结构在强风和小震作用下的晃动；选用的隔震支座要具有足够的耐久性，至少要大于建筑物设计基准周期；隔震建筑的构造措施应满足规范要求。 隔震装置按类型划分有1：夹层橡胶垫隔震、摆式隔震、滑移隔震、滚轴隔震及混合隔震。其中夹层橡胶隔震垫是目前应用最广泛的一种，其隔震原理是利用橡胶较大的竖向刚度来承受上部结构的荷载，通过其水平柔性来隔离水平地震作用向上部结构传递，而铅芯部分可以增大装置阻尼，改善隔震垫的力学性能。3.2 工程应用 汕头博物馆 汕头博物馆位于汕头中山公司的西端，馆高42米，为十层高的高层建筑。占地总面积为16600平方米，平面形状复杂，是一幢与古朴的中山公园相融合的塔形建筑。它是我国第一栋采用隔震设计的较高大型公共建筑。 由于隔震垫设在第一层柱顶，所以电梯井、楼梯、进门大台阶以及非主要柱均悬吊在二层结构上，与一层结构脱离。汕头是我国隔震垫应用较早的城市，但实践证明隔震垫对于结构抗震能起到明显的作用。4 震动控制技术4.1 结构被动控制减震体系简介1,2结构被动控制体系的原理是使原结构体系的动力特性得到改变。被动控制体系中的主要构件是附属子结构，当强震突发时，原结构因地震作用而发生剧烈的震动，这时阻尼器开始发挥消能作用，与此同时，附属子结构质量块由于惯性的作用，向原结构施加反向的作用力，从而减缓原结构的地震反应，这个附属子结构称为“调频质量阻尼器”TMD1 （也称为TMD控制体系）。 被动TMD控制体系按子结构的不同构成有三种，即支撑式、悬吊式和锤击式（图4.1）1，当采用的质量物为液体时，体系成为减振水槽，即TLD. 图4.1 被动减震系统 4.2结构主动控制减震体系简介 结构主动控制减震体系是通过衰减结构反应以及迅速改变结构动力特性为目的的控制体系。（主动控制系统的流程如图4.2所示1）这种依靠外加能量抵消结构动态反应的主动控制方法3,4为各种自控结构物的研究设计开辟了广阔的前景.目前，开发用于结构抗震的主动控制体系按子结构的不同构成也分为两种：主动调频 质量阻尼器和主动拉索控制体系。 图4.2 主动控制系统的流程 4.3 工程应用1上海东方明珠广播电视塔上海东方明珠广播电视塔（简称上海电视塔）塔高463.8m，该电视塔为预应力钢筋混凝土结构，由桩基、地下室、塔身、钢筋混凝土桅杆、钢桅杆和三个球体组成，塔身为三根直径为9m的筒体，成三角形分布。上海电视塔所在场地为典型的软土地基，抗震设防烈度为7度，地震是该塔主要荷载之一，在地震作用下，太空舱和钢桅杆顶部的反应很大，因此提出用被动TMD控制太空舱和钢桅杆顶。 5 结束语近年来, 一种以减振控振为手段, 采取积极防御的设计思想在一些地震多发国家取得了较快的发展。 特别是近十余年来发展的结构控制方法, 将人们多年来的实践升华到理论的高度。在抗震减振的结构设计中，随着高层建筑的普及，对抗震减振的要求不断增加，我们要吸取国内外经验，对结构振动控制的研究和应用需要将传统的建造技术与高新技术相结合，使结构的安全保障系统成为智能结构的重要组成部分，为人类营造一个更加安全舒适的工作和生活环境7.参考文献：1 赵西安，现代高层建筑设计，科学出版社，1999. 2 张耀春，何若全，高层建筑结构的减振系统，1990. 3 J.N.Yang,T.T.Soong,Recent Advancement in Active Control of Civil Engineering Structures.J.Frobabilistic Eng