超高层建筑的抗风抗震设计下

超高层建筑的抗风抗震设计下第1页/共60页2023/4/3023.1地震作用的特点地震波传播产生地面运动，通过基础影响上部结构，上部结构产生的振动称为结构的地震反应，包括加速度、速度和位移反应。由于地震作用是间接施加在结构上的，不应称为地震荷载。地震波可以分解为6个振动分量：两个水平分量，一个竖向分量和3个转动分量。（1）大多数结构的设计计算主要考虑水平地震作用。（2）8度、9度抗震设计时，高层建筑中的大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用。（3）9度抗震设计时应计算竖向地震作用。第2页/共60页2023/4/303建筑本身的动力特性对建筑物是否发生破坏以及破坏程度也有很大的影响。建筑物动力特性是指建筑物自振周期、振型与阻尼，它们与建筑物的质量和结构的刚度有关。质量大、刚度大、周期短的建筑物在地震作用下惯性力较大；刚度小、周期长的建筑物位移较大，但惯性力较小。特别是当地震波的卓越周期与建筑物的自振周期相近时，会引起类共振，导致结构的地震反应加剧。第3页/共60页2023/4/304自振周期:是结构本身的动力特性。与结构的高度H,宽度B有关。当自振周期与地

震作用的周期接近时,共振发生,对建筑造成很大影响，加大震害。

特征周期：是建筑场地自身的周期，抗震规范中是通过地震分组和地震烈度查表确定的。”第4页/共60页2023/4/3053.2抗震设防准则及基本方法1．抗震设防的3水准目标我国房屋建筑采用3水准设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。小震指该地区50年内超越概率约为63%的地震烈度，即众值烈度，又称多遇地震；中震是指该地区50年内超越概率为10%的地震烈度，又称基本烈度或设防烈度；大震是指该地区50年内超越概率为2%~3%的地震烈度，又称罕遇地震。第5页/共60页2023/4/3062．抗震设计的两阶段方法第一阶段为结构设计阶段。在初步设计及技术设计时，就要按有利于抗震的做法去确定结构方案和结构布置，然后进行抗震计算及抗震构造设计。在此阶段，用相应于该地区设防烈度的小震作用计算结构的弹性位移和构件的内力，并进行结构变形验算，用极限状态方法进行截面承载力验算，按延性和耗能要求进行截面配筋及构造设计，采取相应的抗震构造措施。第二阶段为验算阶段。一些重要的或特殊的结构，经过第一阶段的设计后，要求用与该地区设防烈度相应的大震作用进行弹塑性变形验算，以检验是否达到了大震不倒的目标。第6页/共60页2023/4/3073．抗震设防范围我国现行的《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）规定，在基本烈度为6度及6度以上地区内的建筑结构，应当抗震设防。现行《抗震规范》适用于设防烈度为6~9度地区的建筑抗震设计。10度地区建筑的抗震设计，按专门规定执行。我国设防烈度为6度和6度以上的地区约占全国总面积的60%。第7页/共60页2023/4/3083.3抗震计算理论计算地震作用的方法可分为静力法、反应谱方法（拟静力法）和时程分析法（直接动力法）3大类。我国《抗震规范》要求在设计阶段按照反应谱方法计算地震作用，少数情况下需要时程分析法进行补充计算。规范要求进行第二阶段验算的建筑也是少数，第二阶段采用弹塑性静力分析或弹塑性时程分析方法。第8页/共60页2023/4/3091．反应谱理论反应谱理论是采用反应谱确定地震作用的理论。反应谱是通过单自由度弹性体系的地震反应计算得到谱曲线。如图3－5所示的单自由度弹性体系在地面加速度运动作用下，质点的运动方程如下：第9页/共60页2023/4/3010第10页/共60页2023/4/30112．直接动力理论（时程分析法）时程分析法是一种动力计算方法，用地震波（加速度时程）作为地面运动输入，直接计算并输出结构随时间而变化的地震反应。它既考虑了地震的振幅、频率和持续时间3要素，又考虑了结构的动力特性。计算结果可以得到结构地震反应的全过程，包括每一时刻的内力、位移、屈服位置、塑性变形等，也可以得到反应的最大值，是一种先进的直接动力计算方法。第11页/共60页2023/4/30123.4设计反应谱1．反应谱曲线我国制定《抗震规范》规定的反应谱时，收集了国内外不同场地上255条7度以上（包括少部分6度）的地震加速度记录，计算得到了不同场地的谱曲线，经过处理得到标准谱曲线，计入值后形成谱曲线，即规范给出的地震影响系数曲线，如图3－7所示。由图可见，确定结构地震作用大小的地震影响系数值分为4个线段，其直接变量为结构自振周期，由计算值，代入下计算地震作用。第12页/共60页2023/4/3013α——地震影响系数；αmax——地震影响系数最大值；γ——衰减指数；η1——直线下降段的下降斜率调整系数；η2——阻尼调整系数；T——结构自振周期；Tg——场地特征周期。第13页/共60页2023/4/3014α为地震影响系数，是多次地震作用下不同周期T，相同阻尼比ζ的理想简化的单质点体系的结构加速度反应与重力加速度之比，是多次地震反应的包络线，是所谓标准反应谱或平均反应谱。它是两项的乘积即地震系数k（地震动峰值加速度与重力加速度之比）和结构物加速度的放大倍数β（结构反应加速度反应谱与地震动最大加速度之比）。α：地震影响系数，α（T）=Sa（T）=K×β（T），Sa（T）为加速度设计反应谱，K为地震系数K=a/g，β（T）为放大系数谱。第14页/共60页2023/4/30152．影响地震反应系数的因素场地特征周期Tg，与场地类型（土的软硬及覆盖层厚度）及地震分组（震中距的影响）有关。结构自振周期T由三种方法确定。其中经验法的确定如下图。结构的阻尼比：

阻尼是结构的动力特性之一，是描述结构在振动过程中某种能量耗散的术语。钢结构的阻尼比一般在0.01－0.02之间，钢筋混凝土结构的阻尼比一般在0.03－0.08之间。第15页/共60页2023/4/3016场地卓越周期：地震波在某场地土中传播时，由于不同性质界面多次反射的结果，某一周期的地震波强度得到增强，而其余周期的地震波则被削弱。这一被加强的地震波的周期称为该场地土的卓越周期。

结构自振周期：自振周期是结构的动力特性之一。单质点体系在谐波的作用下，都会按一定形状作同频率同相位的简谐运动，其相应的周期就称为自振周期。当建筑物的自振周期与场地土卓越周期接近时，其地震反应就大，反之则小。

设计特征周期Tg：抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值，应根据其所在地的设计地震分组和场地类别确定。当结构的自振周期超过设计特征周期时，地震作用就会随其自振周期的增大而减小。当结构的自振周期小于0.1s时，地震作用会随其自振周期的增大而急剧增大。实际的建筑结构的自振周期大都会大于设计特征周期，但一般不大于6.0s。

第16页/共60页2023/4/3017第17页/共60页2023/4/30183.5水平地震作用计算我国《抗震规范》规定，设防烈度为6度以上的建筑物必须进行抗震设计。而对于7、8、9度以及6度设防的Ⅳ类场地上的较高建筑应计算地震作用。计算时要通过加速度反应谱将地震惯性力处理成等效水平地震荷载，按x、y两个方向分别计算地震作用。具体计算方法又分为反应谱底部剪力法和反应谱振型分解法两种方法。在少数情况下需采用弹性时程分析方法作为补充计算。第18页/共60页2023/4/3019反应谱底部剪力法

结构底部总剪力标准值为：等效地震荷载在各楼层的分布：各楼层剪力第19页/共60页2023/4/30203.6竖向地震作用在设防烈度为8度、9度的大跨度梁及悬臂结构中，应考虑竖向地震作用，它会加大梁内弯矩及剪力；设防烈度为9度的高层建筑，应考虑竖向地震作用，竖向地震作用会引起竖向轴力。竖向地震作用可以用下述方法计算。结构竖向地震作用标准值：第20页/共60页2023/4/30213.7实例—金茂大厦第21页/共60页2023/4/3022第22页/共60页2023/4/3023按《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范》对位移的限值如下：顶点位移＝H/700层间位移＝h/650该限值是针对钢筋混凝土高层建筑所提出的要求，而金茂大厦是一幢钢筋混凝土和钢的组合结构，限值应放宽要求。由表3－14可见，在常遇地震情况下，即使按等效静力法，其位移也已经满足要求，即：顶点位移：H/845<H/700层间位移：h/750<h/650如按地震反应谱法或时程分析法，则实际位移大大低于中国规范所规定的限值。第23页/共60页2023/4/3024广州新电视塔振动台试验:高610米，由高450米的主塔和高160米的天线桅杆构成。塔体由椭圆型钢结构外筒和混凝土核芯筒以及连接这两者的钢-混凝土组合结构楼面组成。钢结构外筒由24条斜向立柱、水平斜向环和斜撑组成。底层长短轴尺寸分别为80米和60米，顶部为50米和45米，中部“纤纤细腰”为27.5米和20.65米。底部和顶部轴心位置不重合，中轴线倾斜。桅杆天线为钢结构。建成后将是世界第一高塔。第24页/共60页2023/4/3025第四节（超）高层建筑的抗风减震装置

随着结构抗震技术的不断发展，以隔震、减震、制振技术为特色的结构控制设计理论与实践不断发展起来。隔震，是通过某种隔离装置将地震动与结构隔开，以达到减小结构振动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震等类型。减震(吸振），是通过采用一定的耗能装置或附加子结构吸收或消耗地震传递给主体结构的能量，从而减轻结构的振动。减震方法主要有耗能减震、吸振减震、冲击减震等类型。狭义的制振技术又称结构主动控制。它是通过自动控制系统主动地给结构施加控制力，以期达到减小结构振动的目的。第25页/共60页2023/4/30264.1隔振原理与技术建筑物隔震主要采用基底隔震方法（baseisolationsystem）。基底隔震的基本思想是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，使之与固结于地基中的基础顶面分离开，从而限制地震动向结构物的传递。原理：

（1）延长结构的自振周期（2）增加结构的阻尼

第26页/共60页2023/4/3027周期增大，则地震影响系数减小。阻尼C增大，则地震反应减小。第27页/共60页2023/4/3028第28页/共60页2023/4/3029隔震橡胶支座(Thelaminatedrubberbearing)隔震系统第29页/共60页2023/4/3030图3－12建筑隔震支座施工第30页/共60页2023/4/3031第31页/共60页2023/4/30324.2耗能减震原理与技术耗能减震是利用耗能构件消耗地震传递给结构的能量的减震手段。地震时输入结构一定的能量。耗能装置耗散的能量越多，则结构本身需要消耗的能量就越小，这意味着结构地震反应的降低。另一方面，从动力学的观点看，耗能装置的作用，相当于增大了结构的阻尼，而结构阻尼的增大，必将使结构地震反应减小。在风和小震作用下，耗能装置应具有较大的刚度，以保证结构的使用性能。在强烈地震作用时，耗能装置应率先进入非弹性状态，并大量消耗地震能量。有试验表明，耗能装置可做到消耗地震总输入能量的90%以上。

第32页/共60页2023/4/3033第33页/共60页2023/4/3034第34页/共60页2023/4/3035第35页/共60页2023/4/3036第36页/共60页2023/4/3037第37页/共60页2023/4/3038北京通用时代1#楼，四角采用钢支撑，是结构体系中的主子结构，其抗震设防目标要求在中震下基本处于弹性，但其中的支撑采用UBB耗能阻尼器，采用Q235钢材。作为结构中起耗能作用的次要构件（耗能构件）通常要求先于主体结构屈服（如连梁），可采用低屈服强度和高延性钢材，以保证结构在意外事件作用下塑性滞回耗能作用。实例1第38页/共60页2023/4/3039实例2墨西哥市长大楼

这座塔楼由雷哈曼集团（REICHAMAN）承建，前后花了4年半时间，塔楼高２２５米，共５９层，总投资逾２.５亿美元。该塔楼占地面积超过７.５７万平方米，坐落在墨西哥首都市中心的主要干道一侧。

第39页/共60页2023/4/30402003年1月21日墨西哥地震7.6级地震，引起墨西哥城大面积振动，造成2700个结构倒塌或严重破坏、13000座结构遭到破坏，但安装了泰勒公司阻尼器的Torre市长大厦在震后观测中显示没有任何破坏！第40页/共60页2023/4/3041拉丁美洲的第一高塔是一座写字楼，位于世界上最活跃的一个地震带上,由最新的反地震技术包裹着的主体结构于2003年8月完工，包括混凝土包围的钢柱、抗弯构架和阻尼追加系统，很多都借鉴了解密的军用飞机震动缓冲技术。当地震袭来时，这些系统可以一起来缓冲晃动，让里面的人成功地躲过灾难。这个系统在2003年1月就提前进行了试验，当时墨西哥城遭受了一次7.6级的地震。尽管还没有完全完工，建筑也没有任何损坏。4颗“钻石”传统的建筑用X形主体结构来抗震，但这栋楼的钻石型结构效率更高，它能达到4倍于传统建筑的受压能力，而钢材的用量却有所减少。足够坚固：楼层隔板把建筑外围结构和钢主体结构结合在了一起，这可以使所有建筑单元一起运动。减缓撞击：粘性阻尼器就是个巨型减振器，安装在建筑主体结构与外围结构的斜支柱上。

第41页/共60页2023/4/30424.3被动调谐减振技术（吸振减震）第42页/共60页2023/4/3043第43页/共60页2023/4/3044第44页/共60页2023/4/3045第45页/共60页2023/4/3046第46页/共60页2023/4/3047第47页/共60页2023/4/3048图3－20台北101风阻尼器实物图第48页/共60页2023/4/3049风阻尼系统由8组90mm的高强度钢索透过支架（Gradle）托住球体质量块的下半部，而将660吨的载重悬吊支承于92层结构。支架周围并设置8组主要油压阻尼器（PrimaryViscousDamper）以达到消能减振之目的。直径约5.5m的球体质量块共由41层厚度为125mm的圆形钢板分片吊装至87层后电焊组合而成。各层钢板的直径为配合球体形状约为2.1~5.5m。此外，为避免大风及大地震作用时质量块摆幅过大，87楼夹层楼板上方另外使用缓冲钢环（Bumperring）及8组防撞油压式阻尼器（Slumberdamper）。一旦质量块振幅超过1.0m时，质量块下方的筒状钢棒（BumperPin）则会撞击缓冲钢环以减缓质量块的运动。第49页/共60页2023/4/3050Tunedliquid(sloshing)damper第50页/共60页2023/4/3051TunedliquidcolumndampertobeusedonEurekatowerbuilding,Melbourne,Australia第51页/共60页2