浅谈消能减震技术在超高层建筑中的应用

赵维玲

中建中原建筑设计院有限公司 河南 郑州 450000

随着经济发展，建筑行业技术不断发展与创新，超高层建筑在全球范围内得到了迅速的发展，这样就对建筑抗震性能提出更高的要求，使抗震技术也在不断的创新发展。消能减震结构是一种在建筑主体结构的某部分设置一定数量的消能装置，吸收结构的地震能量，减小结构地震效应，达到抗震减震的目的，来保障建筑的抗震性。

1 超高层建筑减震结构设计分析

1.1 荷载概念设计

超高层建筑消能减震结构设计是一种由不确定到精确、由模糊到清晰、由抽象到具象而不断深化的过程。通过对超高层建筑结构进行部分拆分，实现结构性能的重组和控制作用，以此来提升超高层建筑整体的消能减震能力。在设计中主要对荷载概念设计进行阐述，通过结构体系中各构件对其性能相对应地调整，保障其设计结果能够符合超高层建筑结构设计和性能要求。荷载概念设计主要是应对风力和地震对高层建筑的影响。在荷载的设计中,传至基础或承台底面的作用效应参照正常使用下极限状态作用的标准组合，荷载中的风荷载与地震荷载相同属水平荷载，所以，在建筑结构设计中主要考虑荷载对建筑的水平作用，把风载荷与地震荷载看作是变荷载的组合。

1.2 消能减震设计与传统设计的对比优势

传统的抗震设计方式是通过加强结构的强度、刚度来达到建筑结构抗震的作用，其缺点是没有考虑到结构的动力特性，通过结构体本身来抗击地震传输的能量，其设计依据主要是预定烈度，适用于耐震性能较强的超高层建筑，在大震作用下，结构主体会产生不可修复的破坏，对目前人们对于建筑结构性能的需求和经济环保要求来说，实用性比较有限，不是最佳选择的方法。相比传统抗震设计的不安全、不经济的特性，消能减震技术能够很好地补足传统抗震设计的劣势。新的抗震技术是基于结构动力理论基础，对不同烈度和结构类型实现减震的方法，在部分刚度节点设置效能装置，可以在建筑结构遭受地震作用时，能够利用自身结构刚度与地震能量相抗衡，利用结构刚度来抵御部分地震压力，此时的消能装置会产生较大的阻尼，降低结构动力反应，防止结构因为地震压力而导致的结构破坏性影响继续扩大。消能减震设计方法主要是通过调整结构动力特性、增加阻尼的抗震的方式，其设计依据是根据场地动力特征和结构物特征，这种抗震结构设计方法能够对结构体本身以及内部附属设备起到很好的保护作用，满足建筑抗震的需求，具有安全、经济、环保的优点。例如:华东总院减震工程对其技术应用于各种减震项目中，其技术涵盖了几乎所有耗能类型，工程建设主要是用于抗震、抗风以及质量阻尼器为主。所以在传统抗震设计上设置消能构件结构，有如下几点总结：首先，结构中的消能装置随着楼层升高，结构的地震反应逐渐扩大，从而为结构提供了阻尼，由此降低地震作用，有效保护内部结构和建筑主体受到损害；其次，在高层建筑设置消能装置并不作为主体承重结构，主要是为了形成抗震第一防线，削弱地震作用的；最后，遇到较强地震时，会对建筑结构主体刚度和阻尼都有影响，导致两者发生不同程度变化，通过实验或者其他方式将其参数控制在合理范围之内，以便能够合理确定消能支撑。

2 超高层建筑结构结构选型及性能

2.1 超高层建筑结构选型

超高层建筑结构高度是指高于100m以上的民用建筑，而超高层建筑的高度也决定了建筑结构的复杂程度，因此，就需要对建筑结构在设计上科学控制建筑高度与宽度的比例，建筑高度越高，则轴向压力越大，荷载也越大，设计重点主要是针对水平作用方面的设计，围绕着抗水平力的结构特性为中心。主要结构有剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架-核心筒结构以及筒中筒结构。不同结构在性能上、刚度上、适用范围上都有所不同，综合各方面可知，选择合适且科学的结构体系是进行抗震设计的第一步。常用的筒中筒结构，是巨型框架进行建设，利用中央核心筒结构加以稳固，目前中央核心筒在超高层建筑机构中能够实现抗震效果震效果。

2.2 超高层建筑性能

建筑结构抗震性能是工程建设的重要衡量指标，对于超高层建筑来说，抗风性能也是考虑的重要因素。超高层建筑的高度在达到一定程度时，如果横向受力就会造成建筑轻微摆动，由于超高层建筑结构的复杂性和特殊性，因风力原因出现的摆动对建筑有着很大的危险性，在发生地震灾害时，超高层建筑会因为摆动而造成地基不稳，从而发生楼体断裂，尤其是建筑中间位置最容易发生断裂情况。所以，超高层建筑在性能要求上必须兼顾抗震性和抗风性。例如：在昆明春之眼副塔减震技术工程实践中，其副塔建筑高度有300m，一共有71层，作为超高层建筑，需要增加建筑的抗震性能和抗风性能，减缓地震加速度，提高减震技术的使用率。钢筋混凝土结构是容易受到破坏的，在建筑物遭受地震时，会使建筑本身的承载力都由墙体钢筋混凝土承受。因此，为了能够更好地稳固建筑结构，提高超高层建筑的抗震性能，需要利用搭建工艺，采取外围钢架密柱的方式，增加抗侧性刚度，提高建筑的剪应力和压应力。除此之外，中央核心筒结构在超高层建筑应用上，会进行多方面的搭建，减少地震作用带来的剪力，中央核心筒结构对于超高层建筑来说是非常重要的结构，对于提到建筑抗震性能上起着关键作用。基于对结构缓冲地震剪力和消能作用的阐述，超高层在针对地震灾害进行设计时，还会运用减少地震时能量输入处理，保障其建筑结构位移在抗震指标合理范围内。

3 屈曲约束支撑作用与消能减震器的利用

3.1 屈曲约束支撑的作用

通常抗震方法可以根据地震振幅较小情况进行合理运用，但是除传统方法之外，还可以运用消能减震技术，其技术颠覆了传统建筑设计理念，运用新型的方法，促使建筑结构的抗震性能、风荷载适应度、灾害防护能力等均大大提升，其中在消能减震装置应用上，防屈曲支撑是最佳代表，可以在地震作用力下，避免发生屈曲，解决了刚度和承载力急剧降低的问题；与此同时，还具备类似阻尼器的耗能作用，一般在地震振幅小的时候，不会发生屈曲情况，如果是地震振幅较大的情况，就会进入屈服状态并耗散地震能量，与此减少建筑结构的受地震作用的影响力，保护建筑结构主体的稳定，减少楼体受损程度。对于防屈曲支撑工程应用上，以云南省减震建筑工程为例，该工程副塔位于抗震设防8度去，而且10层以下为重点设防类别，按照工程实施规定，副塔需要采用隔振或减震技术，并在第二避难层，即23楼以下再用防屈曲支撑，针对工程技术实施标准，合理布置，达到消能减震效果。

3.2 消能减震器的利用

消能减震器在不同地震强度影响时充分发挥其预期的作用，在各类结构构件中均有所运用，本文仅选部分的运用，消能伸臂是在建筑结构加强层的伸臂桁架中所设置的消能器，是通过设置伸臂桁架来平衡框架与核心筒之间的受力作用的，能够起到增加抗侧刚度，减小结构侧移的作用。对于伸臂桁架设计成消能伸臂，能够提升阻尼，增强耗能性能。主要是利用核心筒与外框架的竖向变形，来实现消能减震的目的。某超高层建筑结构伸臂桁架采用不同的设计方案，一种是普通支撑，一种是防屈曲支撑，其建筑高度在222.7m，地上层数一共有50层，在第16层、28层、40层分别进行设置伸臂桁架，并且外层框架设置环形腰桁架，根据实验及计算来确定消能伸臂桁架架应用优势。经计算数据比较，消能伸臂桁架对提高结构整体侧向刚度，减小水平荷载作用的位移，取得了良好的效果。

4 结论

综合上述对于消能减震技术于超高层建筑结构设计的应用分析，在进行结构设计过程中，需要对建筑结构类型、设置、受力特点、刚度、抗震性能等层面进行综合考量，通过对传统、常规抗震方法的阐述，防屈曲耗能支撑就是比较有效成熟的消能减震技术，有效抵抗地震作用带来的破坏性影响，有着鲜明的实用性和优势。