黃 爽

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震與結(jié)構(gòu)控制研究及其應(yīng)用

黃 爽

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

結(jié)構(gòu)抗震性能研究包括鋼筋混凝土核心筒墻抗震偽靜力試驗(yàn)、復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)分析、用于指導(dǎo)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各種復(fù)雜高層和塔式建筑的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究。結(jié)構(gòu)控制方面包括一種新的組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)、一種新的組合耗能減震系統(tǒng)和采用流體阻尼器連接雙塔結(jié)構(gòu)減震研究。這些研究成果大多數(shù)已應(yīng)用于工程實(shí)踐，該文對(duì)一些成功例子作了介紹。

結(jié)構(gòu)抗震；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；消能減震；組合隔震；工程應(yīng)用；高層建筑；結(jié)構(gòu)控制

0 引言

由于社會(huì)需求的多樣性、土地有限使用和集約化服務(wù)，高層建筑越來(lái)越多，外形也變得越來(lái)越復(fù)雜，從而導(dǎo)致抗震分析和抗震設(shè)計(jì)變得越來(lái)越困難。中國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，高層建筑的抗震安全性受到廣泛注意，許多研究人員和工程師都對(duì)高層建筑的抗震性能進(jìn)行了深入研究。在過(guò)去的20年里，同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相當(dāng)數(shù)量的高層建筑抗震性態(tài)和結(jié)構(gòu)控制的研究項(xiàng)目。在這篇文章里，筆者就該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的模型試驗(yàn)、理論分析和工程應(yīng)用的最新進(jìn)展作些介紹。

1 高層建筑的抗震性能研究

1.1 鋼骨混凝土核心筒墻試驗(yàn)研究

由外部鋼框架、內(nèi)部鋼筋混凝土核心筒墻構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)體系在中國(guó)的高層建筑和高塔建筑中得到廣泛應(yīng)用。這種組合結(jié)構(gòu)中的核心筒墻一般采用鋼骨混凝土（SRC），它具有較高的強(qiáng)度和較好的延性。但是至今這種SRC核心筒墻的試驗(yàn)研究還很少。為了為動(dòng)力試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)和參考，進(jìn)行了兩組分別為三個(gè)聯(lián)肢SRC剪力墻的模型和三個(gè)SRC核心筒剪力墻偽靜力試驗(yàn)[1]。對(duì)于三個(gè)聯(lián)肢SRC剪力墻模型，水平循環(huán)加載點(diǎn)靠近在模型頂端，同時(shí)恒定的垂直壓力由千斤頂施加在模型的頂端，以模擬剪力墻的軸向受力狀態(tài)；各模型的垂直壓力各不相同，以對(duì)應(yīng)不同的軸壓比情況。但是對(duì)于SRC核心筒剪力墻模型，由于加載設(shè)備的原因，僅有頂端水平循環(huán)加載。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 聯(lián)肢SRC剪力墻模型試驗(yàn)裝置

應(yīng)變、荷載和位移數(shù)據(jù)由儀器自動(dòng)采集，破壞過(guò)程和破壞模態(tài)也被記錄下來(lái)。所有聯(lián)肢剪力墻模型的剪壓破壞模態(tài)都與圖2中的形態(tài)類似。而對(duì)所有核心筒剪力墻的破壞模態(tài)如圖3所示。剪壓破壞發(fā)生在腹板墻上，水平彎曲裂縫僅出現(xiàn)在翼墻上，嚴(yán)重的垂直裂縫出現(xiàn)在SRC邊柱的混凝土與鋼骨的內(nèi)接合面上。這些構(gòu)件的抗震性能通過(guò)其強(qiáng)度、變形、耗能能力和其滯回特性來(lái)評(píng)估。與普通的核心墻比較，雖然一般的破壞模態(tài)沒(méi)有改變，但是其承載能力和延性得到了很大改善?？辜魪?qiáng)度主要由腹板墻提供，翼緣墻對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小。在混凝土開(kāi)裂后，抗剪強(qiáng)度就在鋼骨與混凝土之間進(jìn)行重新分配。鋼骨承擔(dān)的剪力明顯增加了。隨著軸壓比的增加，承載力得到提高，但是其延性和耗能能力卻降低了。

圖2 聯(lián)肢SRC剪力墻模型破壞形態(tài)

圖3 SRC核心筒模型的破壞模態(tài)

1.2 復(fù)雜高層建筑的結(jié)構(gòu)分析

為了滿足復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)分析要求，提出了幾種分析模型，包括梁－柱單元模型和單片墻模型模擬剪力墻，筒體墻單元模型模擬筒體，三節(jié)點(diǎn)帶有轉(zhuǎn)角自由度的三角形單元模擬樓板[2]。在梁－柱單元模型中使用了精度更高的線積分方法，該方法能夠計(jì)及橫截面上所有點(diǎn)上的非線性行為。高層建筑的P-Δ效應(yīng)是通過(guò)在幾何方程中引入二次項(xiàng)而考慮的。因?yàn)榉蔷€性行為是沿著單元長(zhǎng)度變化的，子結(jié)構(gòu)概念被引入單元內(nèi)部以改善計(jì)算速度。單片墻單元是通過(guò)疊加非線性剪切彈簧到梁－墻單元模型中來(lái)獲得，這種模型同時(shí)考慮了軸壓、彎曲和剪切變形。筒體墻模型是由幾片單片剪力墻而構(gòu)成，并在這些剪力墻片的邊界上約束它們的位移一致。為了獲得結(jié)構(gòu)的軟化階段情況，Newton-Raphson和弧長(zhǎng)法被結(jié)合起來(lái)求解非線性方程。

圖4 結(jié)構(gòu)構(gòu)架的透視圖

高層建筑地震響應(yīng)分析既使用了三維推覆法也使用了時(shí)程法。幾個(gè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)體形的實(shí)際高層建筑經(jīng)過(guò)這些程序檢驗(yàn)，分析模型的精度也到驗(yàn)證。分析表明如果僅按彈性分析結(jié)果設(shè)計(jì)是不能保證復(fù)雜高層建筑的抗震安全性的，用推覆方法和非線性時(shí)程分析找出結(jié)構(gòu)的薄弱層是非常必要的。由于受篇幅所限，此處僅列舉一個(gè)上海金融中心分析的例子。該超高建筑有101層高達(dá)492m。它是一個(gè)復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)，由巨型框架、核心墻和外伸桁架組成。結(jié)構(gòu)構(gòu)架和主要結(jié)構(gòu)桿件的透視圖見(jiàn)圖4和圖5。對(duì)應(yīng)于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒘艘粋€(gè)14層的簡(jiǎn)化模型，計(jì)算其振動(dòng)特征和非線性時(shí)程響應(yīng)[3]。分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，見(jiàn)圖6。原型的非線性時(shí)程分析和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震能力評(píng)估表明該結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，滿足抗震規(guī)范的要求。

圖5 主要結(jié)構(gòu)桿件

圖6 SHW2時(shí)程輸入下頂部位移響應(yīng)比較（7度的罕遇地震）

1.3 用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的各種復(fù)雜高層建筑的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)工程中很重要，因?yàn)樗兄趯?duì)結(jié)構(gòu)行為和破壞機(jī)制的基本理解。結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)通常有助于結(jié)構(gòu)工程師直接獲得原型的性能了解，尤其在復(fù)雜高層建筑中，數(shù)值模擬分析不足以解決問(wèn)題時(shí)，模型試驗(yàn)更有必要。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)、精度高和實(shí)踐上可行的一種評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能的方法。為了保證模型能展示原型的力學(xué)行為，模型設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足動(dòng)力相似要求。毫無(wú)疑問(wèn)，動(dòng)力相似理論是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中最重要的基礎(chǔ)。為了證明振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中動(dòng)力相似理論的有效性，兩個(gè)6層的鋼筋混凝土框架模型，其中一個(gè)為原型的1/4比例，一個(gè)為原型1/8比例設(shè)計(jì)，置于振動(dòng)臺(tái)上試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)模型之間的固有頻率、破壞機(jī)制和恢復(fù)力特性等存在較好的相似性。

基于以上的基礎(chǔ)研究，在過(guò)去的20年里里，30多個(gè)復(fù)雜高層建筑和電視塔，例如上海世茂濱江花園2號(hào)塔、北京LG塔、上海環(huán)球金融中心等（見(jiàn)圖7-圖9），都做過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)[4]。模型設(shè)計(jì)、制作方法、試驗(yàn)、分析過(guò)程和測(cè)量技術(shù)都發(fā)展得相當(dāng)成熟。通過(guò)這些振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模型的地震響應(yīng)和動(dòng)力特征都可獲得，就能了解結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程、破壞機(jī)制和發(fā)現(xiàn)薄弱點(diǎn)，然后就可估計(jì)原型結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。由此就可提出改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改善原型抗震性能的建議。某些試驗(yàn)結(jié)果也被結(jié)構(gòu)竣工后的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試所證實(shí)。

圖7 上海世茂濱江花園2號(hào)樓

圖8 北京LG大廈

圖9 上海環(huán)球金融中心塔樓

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用研究

2.1 一種新的組合隔震體系的開(kāi)發(fā)

我們開(kāi)發(fā)了一種帶有復(fù)位功能的滑移組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)。這種隔震系統(tǒng)由耗散大部分輸入地震能量的摩擦滑移裝置和能彈性復(fù)位的橡膠支座構(gòu)成。為了驗(yàn)證這種由滑板－橡膠支座組合而成的隔震系統(tǒng)的有效性，一個(gè)1/12比例的三層鋼框架模型在固定支座和隔震支座情況下分別在振動(dòng)臺(tái)上試驗(yàn)[5]。隔震系統(tǒng)由四個(gè)疊層橡膠支座（RB）和兩個(gè)摩擦滑移支座（SLD）構(gòu)成。隔震系統(tǒng)的平面圖和上部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10和圖11所示。

圖10 基層隔震平面圖

圖11 振動(dòng)臺(tái)上的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)模型

基礎(chǔ)固定模型（FIX）首先用比較低的地運(yùn)動(dòng)輸入，以保證上部結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。然后進(jìn)行帶有基礎(chǔ)隔震（SLD）的模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。FIX和SLD模型的基頻分別為3.58Hz和1.79Hz，粘滯阻尼比分別為0.03和0.19。除了隔震系統(tǒng)在高強(qiáng)度的地運(yùn)動(dòng)輸入下的位移較大外，幾乎所有的響應(yīng)都被減小了。另外，隔震系統(tǒng)在各不同強(qiáng)度輸入水平下有較好的復(fù)位能力，殘余位移不到1mm。在三向輸入下隔震系統(tǒng)的加速度響應(yīng)和滯回性能與那些單向輸入和雙向輸入的響應(yīng)有很大的不同。地運(yùn)動(dòng)垂直分量對(duì)隔震支座和隔震軸向荷載性質(zhì)有重要影響。對(duì)每次這樣的輸入，總輸入能量和構(gòu)成能量的分量均通過(guò)積分計(jì)算獲得。得到的結(jié)果表明，在FIX模型里，總輸入能量的大多數(shù)被上部結(jié)構(gòu)所耗散，而在SLD模型中是由滑移隔震器所耗散。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出了一個(gè)用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男碌暮?jiǎn)化分析模型，模型的上部結(jié)構(gòu)和橡膠支座被假定是彈性的，滑板上的摩擦力是用庫(kù)侖摩擦力來(lái)模擬，橡膠支座和滑板的阻尼被認(rèn)為是粘滯阻尼。采用這樣一個(gè)模型用Ansys軟件進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近，證明了該模型的有效性[6]。

組合隔震支座已經(jīng)被成功用于減輕上海F1國(guó)際賽場(chǎng)新聞中心巨型桁架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和釋放其溫度應(yīng)力。這個(gè)隔震系統(tǒng)由一個(gè)中心放置的滑板支座和周邊放置的4個(gè)疊層橡膠支座構(gòu)成，分析結(jié)果表明，使用該支座可以大大減輕結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)和巨型鋼桁架溫度應(yīng)力。

圖12 組合隔震支座構(gòu)造(mm)

圖13 工程中安裝的隔震支座照片

2.2 新型組合耗能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

采用能量耗散系統(tǒng)是減輕結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)最有效的手段之一，在近20年里，這一技術(shù)越來(lái)越受到重視。盡管各種各樣的簡(jiǎn)單耗能裝置已經(jīng)研究得很多，例如粘彈性阻尼器、粘滯流體阻尼器、摩擦阻尼器和彈塑性阻尼器。當(dāng)這些阻尼器都具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，當(dāng)某單種阻尼器應(yīng)用于工程中時(shí)，在有些情況下還是存在局限性的。例如粘滯流體阻尼器的動(dòng)剛度較小，當(dāng)應(yīng)用于抗震時(shí)具有其特有優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于抗風(fēng)效果卻要差些。還有當(dāng)采用人字型支撐粘滯阻尼器時(shí)，支撐保證出平面剛度也是設(shè)計(jì)者要關(guān)注的事情。此處我們提出一種組合消能減震裝置，它用人字型鋼支撐作為阻尼器的反力支撐，用位移型和速度型阻尼器并聯(lián)成組合耗能器相連支撐和結(jié)構(gòu)。如這里的位移型阻尼器可以是鉛芯橡膠支座，具體裝置如圖14所示。該組合裝置在風(fēng)荷載和小震情況下，位移型阻尼器基本上只提供彈性，流體阻尼器提供小阻尼力。但是在大震作用下，位移型阻尼器進(jìn)入彈塑性變形狀態(tài)，剛度退化并耗能；而流體阻尼器提供大的阻尼力和很小的剛度。其結(jié)果是結(jié)構(gòu)所受到的地震作用減小，地震反應(yīng)降低。這種裝置的兩種阻尼力的大小匹配可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征和地運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行合理優(yōu)化配置。

圖14 框架中的組合消能系統(tǒng)裝置

圖15 3層鋼框架振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

圖15 表示了一個(gè)三層鋼框架每層裝有這種組合耗能裝置的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)照片[7]。為了比較該裝置的減震效果，對(duì)結(jié)構(gòu)在三種狀態(tài)下分別進(jìn)行試驗(yàn)。即無(wú)支撐框架（UF）、有鉛芯橡膠支座的耗能支撐（LRD）和裝有鉛芯橡膠支座和油阻尼器的組合消能支撐（LRD+OD）。試驗(yàn)表明組合耗能系統(tǒng)能增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的阻尼比和剛度，故對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)具有較好的控制效果。這個(gè)系統(tǒng)的分析模型可簡(jiǎn)化為如圖16所示。

圖16 分析模型

圖17 結(jié)構(gòu)與消能裝置平面布置圖

這個(gè)新的組合耗能系統(tǒng)在既有建筑的抗震加固和新建工程都得到了成功應(yīng)用。下面是兩個(gè)工程應(yīng)用的例子。一幢9層的早期建造的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的平面圖見(jiàn)圖17[8]。這個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)單向框架結(jié)構(gòu)，預(yù)制板橫鋪，縱向梁為基本不承擔(dān)垂直荷載的聯(lián)系梁，對(duì)其抗震性能評(píng)估后得出其抗震能力不滿足抗震要求，尤其是在房屋的長(zhǎng)度方向（縱向）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與規(guī)范的抗震強(qiáng)度要求相差較大。如果采用增設(shè)RC抗震墻的話，墻下基礎(chǔ)要加樁加固，房屋在加固期間將無(wú)法正常使用。如果對(duì)梁柱采用增大截面法加固，則幾乎全部的梁柱均要增大截面，同樣房屋在加固期間將無(wú)法正常使用。該兩種方法對(duì)建筑周圍的環(huán)境都將造成破壞。綜合比較各種方案的利弊，決定在每層增設(shè)了6個(gè)組合耗能裝置，經(jīng)驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)得到有效控制，其抗震能力提高到能滿足國(guó)家有關(guān)抗震設(shè)防的規(guī)范要求。加固實(shí)踐證明，加固期間該建筑基本正常使用，加固直接費(fèi)用也不到抗震墻方案直接費(fèi)用的80%，取得了較好的綜合經(jīng)濟(jì)效果。

圖18是某新建8層鋼結(jié)構(gòu)辦公樓平面圖，在圖示支撐位置，先后設(shè)計(jì)了兩種不同性能的支撐（見(jiàn)圖19），一種為普通鋼支撐（1～6層布置），另一種為由疊層橡膠支座和粘滯流體阻尼器并聯(lián)組合而成的組合耗能支撐（1～5層布置）。計(jì)算分析表明，在控制樓層水平位移接近的情況下，采用消能減震支撐比普通支撐能減小較多層間剪力、與支撐連接相交柱的軸力，故能給結(jié)構(gòu)增加較大的抗震安全儲(chǔ)備[9]。

圖18 某8層鋼結(jié)構(gòu)框架辦公樓平面布置圖

圖19 某8層鋼結(jié)構(gòu)框架兩種支撐布置圖示

2.3 用阻尼器連接雙塔結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

因?yàn)楝F(xiàn)代城市用地緊張，同時(shí)也為了便于集中化服務(wù)，建筑物之間常?？康煤芙Ｔ诖蠖鄶?shù)情形中，這些建筑物是分開(kāi)建造的，結(jié)構(gòu)相互之間不連接。在大震下，兩個(gè)相鄰建筑物的碰撞時(shí)有發(fā)生。在另外一些情形下，兩個(gè)相鄰建筑物也以不同方式連接為一體以滿足建筑功能和形體需要。為了提高這些建筑的抗震性能和防止碰撞發(fā)生，對(duì)采用流體阻尼器連接相鄰建筑物或主樓與連裙房連接問(wèn)題開(kāi)展了系列理論和試驗(yàn)研究。我們對(duì)一個(gè)1/4比例的由6層和5層鋼框架的雙塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，如圖20所示。兩建框架之間采用了3種連接方式：剛性鋼桿連接、流體阻尼器連接和完全脫開(kāi)。在采用流體阻尼器連接情形中，對(duì)連接的不同位置、不同的連接方式即平行連接和斜向連接情形都在試驗(yàn)中以不同工況情形予以考慮。試驗(yàn)結(jié)果表明，如果連接兩建筑的流體阻尼器的參數(shù)取得合適，兩個(gè)建筑的模態(tài)阻尼能得到有效提高，它們的地震響應(yīng)也將大大減小。采用通用有限元軟件Ansys建立分析模型，計(jì)算試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的非線性地震響應(yīng)，得到的試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果有很好的一致性[10]。

圖20 采用流體阻尼器相連的相鄰建筑試驗(yàn)裝置

圖21 結(jié)構(gòu)和流體阻尼器排列布置圖

圖22 建筑外型照片

作為進(jìn)一步的研究，雙塔建筑控制的概念再擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。一個(gè)工程綜合應(yīng)用研究是對(duì)上海世茂廣場(chǎng)裙房在地震作用下扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制。該建筑由一幢超高層建筑（60層，高度333m）和環(huán)繞它的很大的裙房結(jié)構(gòu)（10層，高度49m）組成，其中裙房的剛度與質(zhì)心嚴(yán)重偏離[11]。該建筑的平面圖和立面外景圖見(jiàn)圖21和圖22。在計(jì)算該結(jié)構(gòu)的減震效果時(shí)，建立了一個(gè)可以考慮所有梁柱剛度和強(qiáng)度貢獻(xiàn)的三維層串拐把子模型，該模型的前三個(gè)動(dòng)力性態(tài)與空間有限元模型基本一致，地震響應(yīng)結(jié)果也與有限元模型接近，其精度足以滿足工程需要，但是計(jì)算耗時(shí)與有限元模型相比，前者所花時(shí)間幾乎可以忽略。采用該模型的優(yōu)點(diǎn)是可以快速優(yōu)化連接阻尼器的力學(xué)性能。圖21表示了阻尼器的平面布置，從第7層至第10層，每層布置10個(gè)，共計(jì)40個(gè)阻尼器。粘滯流體阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最大阻尼力約為Fd-max=±600kN；Cd=250kN/ (mm/s)α，α=0.15。計(jì)算表明該樓采用這樣的連接方式，基本消除了裙房的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，阻尼器耗能效果明顯。該工程實(shí)施耗能連接方案之前，在振動(dòng)臺(tái)上實(shí)施了小比例尺模型試驗(yàn)，采用的是鋼桿連接，試驗(yàn)中鋼桿全部斷裂，原因是連接兩樓的鋼桿太短，應(yīng)變太大（連接桿內(nèi)力大）而斷裂。采用阻尼器連接，分析表明小震下最大阻尼力約為設(shè)計(jì)最大阻尼力600kN的60%～80%左右，大震下最大阻尼力約為500～680kN，阻尼器活塞桿相對(duì)位移達(dá)200mm左右。最初的鋼桿連接方案分析表明，小震下單根鋼桿內(nèi)力就達(dá)1800kN，故阻尼器連接方案大大減小了連接處的集中力，降低了連接部件設(shè)計(jì)難度，也增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全。

作為減輕地震作用的附加效果，阻尼器對(duì)于減小主樓風(fēng)振也有明顯效果。分析表明，通過(guò)阻尼器連接主樓、裙房，地震作用下主樓下部的強(qiáng)大抗側(cè)向變形能力可以作為裙房支撐，從而消除裙房非協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。而主樓迎風(fēng)面大，所受風(fēng)荷載可以通過(guò)阻尼器連接，把裙房作為支撐，減小主樓的風(fēng)振響應(yīng)。這些作用效應(yīng)分析表明，具有阻尼器連接的主樓在地震作用下的位移響應(yīng)比其獨(dú)立情況下略微增大，但是裙房的地震扭轉(zhuǎn)振動(dòng)基本消除；風(fēng)荷載下裙房的位移響應(yīng)比其獨(dú)立情況下略微增大，但是主樓的風(fēng)振位移略有減小。在脈動(dòng)風(fēng)作用下，最大阻尼力接近于350kN，約為最大設(shè)計(jì)阻尼力的50%～60%。該工程已經(jīng)全部完工，建筑物已經(jīng)投入使用。

2.4 消能減震結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

消能減震結(jié)構(gòu)是一種組合結(jié)構(gòu)，在我國(guó)工程中實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)還不是很多，尤其是設(shè)計(jì)院的工程師們?cè)诓捎迷摷夹g(shù)時(shí)，對(duì)于一幢建筑物應(yīng)該安裝多少阻尼器，在各種抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)情況下，附加多少阻尼力是合適的，其減震效果如何，以及層間阻尼力與結(jié)構(gòu)層間的屈服剪力的配比等問(wèn)題，還不是很清楚，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也沒(méi)有給出可參考的規(guī)定，實(shí)際工程中往往是采用試算的辦法加于解決。鑒于我們?cè)趲讉€(gè)工程中采用消能減震技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，從能量原理和等效阻尼比的概念出發(fā)，在理論上推導(dǎo)出消能減震結(jié)構(gòu)的合理參數(shù)設(shè)置范圍[12]，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了這些參數(shù)的合理性和可操作性。具體表達(dá)如下，結(jié)構(gòu)層間最大阻尼力與結(jié)構(gòu)層間屈服剪力之比r宜取下值：0.1≤r≤0.6。位移相關(guān)型消能裝置的支撐剛度應(yīng)按其屈服位移與結(jié)構(gòu)層間屈服位移之比λ來(lái)確定，宜取下值：0.1≤λ≤1.0。速度非線性相關(guān)型消能裝置的支撐剛度應(yīng)取Kb≥3|Fdmax|/|u0|為宜。式中：|Fdmax|為阻尼器最大設(shè)計(jì)阻尼力絕對(duì)值，|u0|為阻尼力到達(dá)|Fdmax|值時(shí)相對(duì)應(yīng)的阻尼器相對(duì)位移值。這些參數(shù)建議值可為消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性作參考保證。

3 結(jié)論

本文對(duì)近5年來(lái)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一些有關(guān)高層建筑抗震性能和結(jié)構(gòu)控制的研究，作了簡(jiǎn)單回顧。這些研究工作一般都是與工程應(yīng)用相結(jié)合來(lái)進(jìn)行的，研究成果可以直接應(yīng)用于工程實(shí)踐，實(shí)際上這些研究的大多數(shù)成果已經(jīng)在工程中獲得成功應(yīng)用。

該實(shí)驗(yàn)室與其它的研究單位和公司有著良好的工作聯(lián)系和合作，這使得該領(lǐng)域的研究工作始終保持著前瞻性。

[1]武敏剛，呂西林.鋼骨聯(lián)肢剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2004，20（5）：52-56.

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[3]呂西林，朱杰江，劉捷.上海環(huán)球金融中心結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化彈塑性時(shí)程分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].地震工程與工程振動(dòng)，2005，25（2）：34-42.

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[12]翁大根，呂西林.消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].地震工程與工程振動(dòng)，2004，24（2）：150-157.

責(zé)任編輯：孫蘇

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

黃爽（1986-），男，重慶人，本科，助理工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。