基于减震隔震混合技术的高层建筑抗震分析

基于减震隔震混合技术的高层建筑抗震分析
发布时间：2022-07-27T02:24:33.897Z 来源：《中国建设信息化》2022年3月6期作者：田锦阳
[导读] 随着国家经济实力的提升，居民对高品质房屋建筑的需求也逐渐提高
田锦阳
（锦鸿建设有限公司丽水缙云 321400）
摘要：随着国家经济实力的提升，居民对高品质房屋建筑的需求也逐渐提高，受城市区域的限制在地震带上高烈度的地区高层建筑也逐渐增多，因此对高层建筑进行相关抗震设计已经成为了一个十分重要的问题。

目前结构抗震设计中主要采用减震方法、隔震方法、传统抗震方法与减震隔震混合应用技术等。

建筑结构的抗震设计与消能减震设计也取得了一定的成果，而减震隔震混合应用技术仍需要进一步研究。

本文根据某高层建筑结构设计为研究对象，探究在实际的建筑工程中采用减震隔震混合技术的适用性。

拟采用YJK软件构建传统抗震结构与减震隔震混合应用结构模型，分析了其模态与动力特性；并分析了两种结构进行中震下的弹性时程，将两种结构在地震作用下的位移与层间剪力进行了比较，分析减震隔震混合应用技术对结构抗震性的影响。

结合我国建筑结构设计规范，对比两种结构特性，并分析其经济性。

阐明减震隔震混合技术的优点与其在实际工程中的适用性。

关键词：高层建筑；结构设计；抗震设计；减震隔震混合技术
Seismic Analysis of High-rise Building Based on
Hybrid Technology of Damping and Isolation
Abatract：With the improvement of national economic strength, residents' demand for high-quality housing construction has gradually increased. Due to the restrictions of urban areas, high-rise buildings in high-intensity areas on seismic belts have gradually increased. Therefore, the seismic design of high-rise buildings has become a very important problem. At present, the seismic design of structures mainly adopts seismic damping methods, seismic isolation methods, traditional seismic methods and hybrid application technology of seismic damping and isolation. The seismic design and energy dissipation design of the building structure have also achieved certain results, and the hybrid application technology of seismic and seismic isolation still needs further research. Based on the structural design of a high-rise building as the research object, this paper explores the applicability of the hybrid technology of shock absorption and isolation in actual construction projects. It is planned to use YJK software to construct a hybrid application structure model of traditional seismic structure and seismic isolation and isolation, and analyze its modalities and dynamic characteristics; analyze the elastic time history of the two structures under moderate earthquakes, and compare the two structures Interlayer shear and displacement under earthquake action, analyze the influence of hybrid application technology of seismic reduction and isolation on the seismic performance of structures. Combining with our country's building structure design code, compare the characteristics of the two structures and analyze their economics. To clarify the advantages of hybrid technology for shock absorption and isolation and its applicability in practical engineering.
Keyword：High-rise Buildings;Structural Design;Seismic Design;Hybrid Technology for Shock Absorption and Isolation 地震会导致地面坍塌、裂缝、山体滑坡、山体破裂等灾害。

地震还会导致地面建筑物的破坏，如房屋倒塌、路面开裂等。

据统计，地球每年约爆发510万次地震，其中5级以上的破坏性地震约1200次[1]。

全国有近70%的城市属于地震区，而人口密集的中大型城市的80%都在地震区。

地震对建筑物的威胁巨大，所以对高层建筑进行抗震设计已经成为了一个十分重要的问题，尤其是对于高层建筑来说结构抗震设计要求更为严格。

2020年底，国内建成超过200米以上的高层建筑近达到290多幢[2]。

已建成的高层建筑主要分布在6度至8度的地区，而处在8度及以上的高烈度地区的比例明显增多，占比17%。

目前，结构抗震设计方法分为传统抗震设计方法与结构振动控制方法。

其中传统抗震方法是通过对结构本体自身采取加固的措施，加强自身承载力与变形力抵抗地震的作用，但存在安全度较低，适应性有限等缺点；结构振动控制方法主要是在建筑结构上布置好难或减震装置减轻或抑制结构的动力响应，应用最广泛的是隔震技术和被动消能减震技术。

2006年，付伟庆对磁流变阻尼器进行了研究，分析了其在隔震设计中的减震效果，采用两种电压对结构模型进行实验，表明磁流变阻尼器与橡胶垫共同作用能够对结构的隔震进行控制[3]。

2011年，常伏德等人对竹材模型设置底部滚球和顶部水箱的设计方案，并对其进行了运动方程公式推导，其结论对其他结构的减震分析具有指导意义[4]。

2011年，Mehrparvar 对地震作用下主动及被动控制方法对隔震结构动力的影响进行研究。

表明两种控制方法各有优越性，需要控制隔震层位移的方案可以选择在隔震层附加阻尼消能器，需要限制上部结构层间位移和加速度的方案可以采用主动控制技术[5]。

2017年，Felice Carlo Ponzo等人基于相同单向地震作用，分别对高、中、低三种摩擦系数的隔震结构进行振动试验，分析了残余位移累积。

研究了双凹面摩擦摆轴承简化的设计，建议用于估计目前使用摩擦摆的最大期望残余位移，然后对系统进行验证[6]。

本文以某高层建筑为例，分析了拥有下部减震隔震体系的高层建筑结构抗震性能，并探讨减震隔震体系在实际工程中的适用性。

1 减震隔震装置
1.1减震隔震装置的介绍
一般来说，在建筑结构中设计消能构建来达到减震消能的效果，能在受到小震的作用时，先进入弹塑性阶段提供较大的阻尼，消耗因震动传输的能量，以此保证主体结构稳定性。

隔震装置一般有隔震器和阻尼器，来保证隔震装置能够拥有一定的竖向刚度，支撑其上部结构的重量且具有一定的阻尼，保证结构具有恢复力，其中在工程中应用广泛的是传统被动消能器，包括速度相关型和位移相关型阻尼器，主要如图1、图2所示。

图1 铅阻尼器
图2 粘滞阻尼器
具体布置方式如图3所示：
图3 阻尼器布置图
1.2减震隔震装置的具体参数
本文对于减震隔震的混合设计结构中，应用粘滞阻尼器在消能减震装置中，应用铅芯橡胶支座与天然橡胶支座在隔震装置中。

（1）粘滞阻尼器参数，如下式1.1
（1.1）
式中：F是阻尼力（kN）；C是阻尼系数（kN/（mm/s）α）；α是速度指数。

（2）铅芯橡胶支座参数
铅芯橡胶制作的力学性质包括形状系数、竖向刚度、水平刚度、粘滞阻尼等。

形状系数中第一形状系数S1与第二形状系数S2，如下式1.2。

(1.2)
有效阻尼比与有效水平刚度可按照下式计算：
式中：分别表示：水平剪切应变硬化比、隔震支座的水平位移延性系数水平位移设计值、水平屈服位移、屈服后的水平刚度、屈服前的水平刚度、水平有效刚度、有效阻尼比。

2 高层建筑抗震设计结构方案
利用某高层建筑结构工程，在结构初设阶段考虑了两种结构方案，方案一采用传统抗震设计，方案二采用减震隔震混合结构设计，将上述两种方案的上部结构动力响应进行对比，分析其减震效果。

2.1传统抗震设计方案
依照传统抗震设计方法设计结构，主体结构为框架核心筒结构，在结构的核心位置布置抗震墙，在高层建筑电梯四周，方案一结构的
主要构件参数，如表1。

结构计算整体指标，如表2，结构设计方案合理，其结构标准层布置图如下图4。

图4 结构平面布置图布置图
2.2减震隔震混合技术设计方案
本方案采用减震隔震混合技术，隔震层布置在了高层结构的第12层，隔震支座的布置位置与方案一相同。

本次研究采用了建筑工程中常用的粘滞液体阻尼器，建筑结构1至10层每层安放8个阻尼器，布置图如下图5所示，粘滞阻尼器采用一字型安装形式。

其中线性特征中的有效阻尼为：1000kN·s/m；非线性特征值中的阻尼类型：Maxwell模型；消能器阻尼力为2000kN；阻尼指
数为0.5；参考速度为1m/s；弹簧的连接刚度为1000000kN/m。

图5 粘滞阻尼器布置图
安装方式如下图6：
图6 粘滞阻尼器的安装方式
3 高层建筑抗震设计方案对比
3.1方案结构体系的模态分析
运用YJK软件分析结构体系，主要是结构的自振周期与振型，以及对两种结构体系的振动特性进行分析。

方案的自振周期对比见表3：
能够看出相较于方案一的传统抗震结构来说，方案二的减震隔震混合结构的自振周期有着极大的提高。

从模态分析下可以看出，减震隔震体系可以增加结构的固有周期，而避开场地的卓越周期，降低地震作用下的动力响应。

3.2结构在中震作用下动力时程分析
采用时程分析对两种方案结构进行中震下的弹性时程分析。

选取Taiwan地震波如图7所示。

图7 Taiwan地震波
两种结构在Taiwan波作用下的层间位移结果中表明，方案一X向最大层间位移角为1/315，方案二加入减震隔震设计后层间最大位移角为1/667，相比传统抗震设计位移角降低了47%。

Y向最大层间位移角1/294，减震和层间隔震体系设计位移角为1/809，降低了64%。

在两种结构的层间剪力计算结果中，由于Taiwan地震波的作用，传统抗震设计与减震隔震混合体系都能够很大程度上减少层间建立，但减震隔震混合体系的效果最好。

方案一结构层底最大剪力为94261kN，方案三结构层底最大剪力为37654kN，可以得出传统基础隔震体系的底部层间剪力减少了62%，而减震隔震混合体系结构的底部层间剪力减少了68.3%。

说明混合抗震体系能够有效的减少结构层的层底剪力。

4 结论
本文通利用YJK软件对传统抗震结构和减震隔震混合体系结构在地震作用下进行了中震弹性时程分析，对比两种结构体系对建筑的减震效果，得出以下结论：
（1）相比传统抗震体系，减震与层间隔震混合体系能够有效增加结构的自振周期，降低地震对结构的影响。

（2）在中震作用时，相比传统抗震设计，减震隔震体系有着更加明显的减震效果，不仅能够使结构的抗震性显著提高，而且相比传统抗震设计的基础隔震能够有效的控制顶层的位移。

说明减震隔震混合应用技术能够为高层建筑结构提供两层保障，增加了其安全性。

（3）采用传统抗震设计的基础隔震体系与减震隔震混合设计体系都能够提高高层建筑结构的稳定性与经济型。

因此，通过对比研究，表明采用下部减震层间隔震的混合技术运用在实际工程中是可行的。

本文中所进行分析研究的成果能够为高层建筑结构的抗震设计与施工提供参考。

参考文献
[1]柳炳康.工程结构抗震设计[M].武汉:武汉理工大学出版社,2010.
[2]丁洁民.我国高度250m以上超高层建筑结构现状与分析进展[J].建筑结构学报,2014,35(3):1-7.
[3]付伟庆.磁流变阻尼器被动隔震振动台试验研究[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2006,22(2):196-198.
[4]常伏德.竹材模型结构底部滚球与顶部TLD联合减震公式推导[J].长春工程学院学报(自然科学版), 2011,12(4):1-3.
[5] Khoshnoudian M F. Efficiency of active systems in controlling base-isolated buildings subjected to near-fault earthquakes [J]. Structural Design of Tall and Special Buildings, 2011,20(8):1019-1034.
[6]Ponzo F C, Cesare A D, Leccese G, et al. Shake table testing on restoring capability of double concavefriction pendulum seismic isolation systems[J]. Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2017,46(14):2337-2353.。