(55)--超高层建筑结构的减震控制技术与抗震设计要点.pdf

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1、超高层建筑结构的减震控制技术与抗震设计要点 摘要：文章阐述了超高层建筑结构的减震控制技术与设计方法等方面的设计研究最新进展；详细的论述减 震控制技术与应用、抗震设计和结构设计要求、层间位移限值等设计问题；并指出超高层建筑结构中一些设计 问题的解决方法和在超高层建筑结构设计研究领域中的新课题。关键词：超高层建筑结构；减震控制技术；设计方法；状态空问法 中图分类号：TU3 1 1 3 文献标识码：A 文章编 号：1 0 0 3 5 0 6 0(2 0 0 6)0 3 0 3 3 4 0 5 Da mpi ng c o nt r o l t e c h no l o g y me t ho d o

2、f s u p e r-h i a n d a n t i s e i s mi c d e s i g n b u i l di n g s t r u c t u r e WANG Yu a n-h a o ，S HEN Xi a o p u ，WANG J i a n-g u o。(1 De p t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Anh u i I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e a n d I n d u s t r y，He f e i 2 3 0 0 2 2，Chi n a 2 S c h

3、o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g，He f e i Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y，He f e i 2 3 0 0 0 9，Ch i n a)Ab s t r a c t：Th e d a mp i n g c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d d e s i g n me t h o d o f s u p e r-h i g h b u i l d i n g s t r u c t u r e a n d t h e l a t e s t p r

4、o g r e s s a r e i n t r o d u c e d S o me p r o b l e ms t h a t a r e i n v o l v e d i n d a mp i n g c o n t r o l t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o n，a n t i s e i s mi c d e s i g n a n d i t s r e q u i r e me n t i n s t r u c t u r e d e s i g n，a n d t h e l i mi t v a

5、l u e o f i n t e r l a y e r d i s p l a c e me n t a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l Th e s o l v i n g me t h o d s a r e d e s c r i b e d S o me n e w p r o b l e ms i n S U p e r-h i g h b u i l d i n g d e s i g n a r e p o i n t e d o u t Ke y wo r d s：s u p e r-h i g h b u i l d i n g

6、 s t r u c t u r e；d a mp i n g c o n t r o l t e c h n o l o g y；d e s i g n me t h o d；s t a t e-s p a c e me t h o d 1 超高层建筑结构中减震控制技术 1 1 减震技术的发展 我国是一个多发地震 的国家，在地震 中建 筑 物的大量破坏或倒塌，是造成严重地震灾害的直 接原因，如何建造在突发强地震 中确保安全 的建 筑物，采用一种更加安全、有效、合理、经济的结构 新体系，是工程领域的重要课题_ 1 。目 前，我国和世界各国普遍采用的抗震体系 和方法是传统的抗震体系和方法，即对基

7、础固结 于地面的建筑结构物适当调整其结构的刚度，允 许结构构件(如梁、柱、墙、节点等)在地震时进入 非弹性状态，并具有较大的延性，使结构物”裂而 不倒”。这种抗震设计原则，在很多情况下是有效 的，但 也还存 一 问题和局限性。因此在实施抗 震设防时，必须寻找一种既安全(在突发的超烈度 地震中不破 坏、不倒 塌)，又适用(适用于不 同烈 度、不同建筑结构类型，既保护建筑结构，又保护 建筑物内部的仪器设备)，又经济(不增加建筑造 收稿日期：2 0 0 5 0 8 2 0 基金项目：安徽省 自然科学基金资助项 目(0 1 0 4 4 5 0 4)作者简介：汪源浩(1 9 6 3-)，男，安徽肥东人，

8、安徽建筑_T业学院讲师；沈小璞(1 9 5 7)，男，安徽合肥人。安徽建筑工业学院教授，领土生导师；王建国(1 9 5 5 一)，男，安徽怀宁人，博 十，合肥工业大学教授 博士生导师 第3 期 汪源浩，等：超高层建筑结构的减震控制技术与抗震设计要点 3 3 5 价)的新的抗震新体系，这就是建筑结构减震控制 新体系“j。这样，隔震 体系、消能减震体 系、结 构被动及主动控制体系就应运 而生了。而由于隔 震、消能和各种减震控制体系具有传统抗震体系 所难以比拟的优越性，即明显有效减震(能使结构 地震反应衰减至 4 O 1 O 或更低)、安全、简 单、经济及适应性广等，它将作为一种崭新的抗震 体系和理

9、论，必将引起专家们的关注。1 2 减震控制技术与应用 隔震和减震体系类型主要有：隔震、摩擦耗能体系、被动控制体系、主动控 制体系和混合控制体系，如图 1 所示，设计的特点 见表 1 所列。传统抗震体系与减震抗震体系的对 比见表 2 所列。r隔震装置 l f 滞回耗能(耗能构 件)l 阻尼耗能体系 粘性和粘弹性阻尼器 l【摩擦阻尼器 控 制 被 动 控 制 体 系 盖 。I D U O X I混 合 控 制 体 系 主 动 可 调 质 量 控 制 器 系 统T M D+A M D I lTRI GON I f 受 控 加 力 型(A M D)自 动 变 刚 度(A V S)蛐 制 i 篡 i自

10、动 调 蛐 尼 c l 混 合 质 量 阻 尼(m D)一 ”图 1 隔震、减震体系类型 表 1 抗震、隔震、减震结构设计 表2传 统 抗 震 体系 与 减 震 控 制 体 系 优 缺 点 对比 从表 1、表 2 中可以看出，结构减震控制体系 比传统抗震体系更合理、安全、适用和经济。2 超高层建筑结构设计要点 抗震设计、隔震设计和减震设计的结构特征，以及工程结构减震控制技术 的应用和成熟程度，见表 3、表 4 所列。2 1 抗震设计要求(1)抗震设防烈度。超高层建筑抗震设计考 虑在 6 9 度范围内设防。其地震作用应按下列规 定计算嘲：甲类建筑应按专门研究的地震动参 维普资讯 http:/ 3

11、 3 6 合肥工业大学学报(自然科 学版)第 2 9 卷 表 3 抗震、隔震、减震结构设计特点 表 4 结构减震控制技术的应用和成熟程度 数计算；乙类建筑 6 度设防时，I类场地 上的建筑不必计算，类场地上的超高层建筑及 7 9 度设防时应按设防烈度计算。(2)考虑地震作用的方法。超高层建筑结构 考虑地震作用的原则I 5 ：抗侧力结构正交布置 时，可在结构 2个主轴方 向分别考虑水平地震作 用；有斜交抗侧力结构时，应分别考虑各斜交方向 的水平地震作用。质量与刚度明显不对称、不 均匀的结构，应考虑水平地震作用 的扭转影 响。9 度设防时应考虑竖向地震作用与水平地震 作用的不利组合。(3)地震作用

12、计算方法。超高层建筑结构应 根据不同情况，分别采用 以下的地震作用计算方 法：一般情况下，超高层建筑结构应进行振型 组合反应谱法计算和弹性动力时程方法计算。对体系复杂、质量与刚度沿竖 向分布不均匀的超 高层建筑结构，宜补充弹塑性动力时程方法分析 计算。2 2 结构设计要求(1)结构体系与适用范围。超高层建筑结构 适用的最大高度可按表 5所列要求进行设计 。但超高层建筑高度超过表 5 要求时，结构设计应 有可靠依据和采取有效措施。当超高层建筑位于 类场地上或者是不规则的特殊超高层建筑时，表 5 中所列数值应适当降低。表 5 超 高层 建筑结构适用最大高度 m 超高层建筑结构的高宽比在不必进行专门

13、的 可行生 论证时，可按表 6 所列限值控制。表 6 超高屡建筑结构的高宽比限值(2)结构设计原则。结构布置原则：平面 宜对称均匀，体型宜简单，结构刚度、质量沿竖向 应均匀变化，并保证结构有足够的扭转刚度，减小 结构扭转影响。应力求竖向结构在重力荷载 作用下受力均匀，减小结构内应力和竖向构件问 差异变形对建筑结构的不利影响。结构计算分析规定：超高层建筑的荷载效 应，非荷载作用影响可按弹性方法计算。非荷 维普资讯 http:/ 第 3期 汪源浩，等：超 高层建筑结构的减震控制技术与抗震设计要点 3 3 7 载作用影响产生的内力，应计人混凝土徐变的影 响予以折减。超高层建筑结构应采用符合结 构实际

14、工作情况的计算简图进行计算，应采用三 维空间分析方法并计人考虑扭转影响的整体计算 分析，且应采用至少 2 个以上不同力学模型的计 算软件进行计算复核。超高层建筑结构重力 荷载作用必须进行比较准确的施工模拟计算，计 算方法应能比较好地反映结构刚度和主要重力荷 载实际形成的过程。超高层建筑结构应进行 整体稳定和抗倾覆验算，其验算要求如下：超高层建筑结构的整体稳定验算公式 GI E J a (1)G 一壶 H (2)其中，G 为顶端等效重力荷载标准值；E J 为一 个主轴方向结构抗倾覆等效刚度；H为建筑总高 度；G 为楼层重力荷载标准值；H 为 楼层距地 面高度。超高层建筑结构的抗倾覆验算公式 Mr

15、 1 3 M()v (3)其中，MO、，为水平风荷载或水平地震作用标准值 计算的倾覆力矩标准值；为结构抗倾覆力矩标 准值，计算时只考虑全部恒载。2 3 层间位移限值 这些高宽比较大的超高层建筑，在风力和地 震作用下，产生的层问位移计算值，往往大于常规 高度结构的位移限值。国外一般对层问位移角 (剪切变形角)加 以限制_ 8 叫。J(见表 7所列)，但 它 不包括建筑物整体弯曲产生的水平位移，而且数 值较宽松。由表 7可知，国外规定的层 问位移限值相对 较松，考虑的因素也较简单，各国所取限值和参数 也不尽相同。我国规定的层问位移限值相对考虑 因素比较复杂。限值的大小与结构的材料、结构 体系、装修

16、标准以及侧向荷载的种类等因素有关，其中钢筋混凝土结构的限值 比钢结 构严格，风荷 载作用下的限值比地震作用下的严格。钢结构 的层 问位移在 1 2 0 0 1 5 0 0；钢一 混 凝土混合结构和钢筋混凝土结构的层间位移在 1 4 o o-1 7 0 0范围内。即钢结构(包括钢框架一 混凝土剪力墙板的结构)层问位移限值为 1 2 o o；混凝土结构(包括型钢混凝土结构、钢框架 混凝 土核心筒混合结构)限值为 1 4 o o。因此，超高层建筑在正常使用条件下应具有 足够的刚度，避免结构在水平荷载作用下产生过 大的位移而影响结构承载力、稳定性和正常使用 条件。按弹性方法计算得到的超高层建筑结构的

17、层间水平位移与层高之比A u h应控制在表 8 所 列的限值内。表 7 部分 国家规定的层 间位移角或剪切变形 限值 注：包扭转的影响；前苏联用剪切变形代替层间位移角；括号内数字适用于主结构变形对建筑物无明显损 伤 的部分；3 0 0 适 用于主结构 与隔墙柔 性连接。表 8 超高层建筑层间水平位移角(A“)限值 结构类型 荷载作用形式 风荷载作用 地震作用 3 超高层建筑结构设计研究的展望 目前工程结构趋向“高、柔、大、复”方向发展，如超高层大楼、高耸电视塔、大跨度桥梁和大空间 结构体育馆等各类新型复杂结构越来越多的被人 们采用。人们借鉴现代控制论中的设计思想，设 计出一种装置即“结构控制器

18、”或称控制机构，安 装在结构上，当结构受到外来动力荷载作用时，控 制器将自动对结构施加反向力量，使结构振动所 引起的位移、变形与动力响应量受到限制，以此来 加强结构抵抗外来荷载的能力。(下转第 3 4 5页)维普资讯 http:/ 第 3期 贾冬云，等：梁柱刚性连接 中柱翼缘补强计算 3 4 5 V 一 0 7 5 A 一 2 0 5 9 1 0。N 4 3 承压型螺栓承载力验算 取 2 列 5 排 M2 0，G R 8 8 镀锌螺栓。经验算 满足要求，验算过程略。螺栓所承受最大拉力_8 为 N 一7 6 k N 4 4 梁端板厚度计算 按文献E 1 中两边支承端板平齐情况的端板 计算公式，计

19、算得 1 8 5 m m，实际取端板厚 2 0 mm。4 5 补强板厚度计算 所需柱翼缘厚度 t 。一2 0 mm，实际翼缘厚 度 t 一1 4 mm，根据(1 2)式得补强板厚度 t b一 2(f 一t f)一 2(2 0 1 4)一 1 2 mm 因此，柱翼缘内侧两边各焊 1 块补强板 P L 1 2。5 结束语 在实际工程中，梁与柱强轴方向的刚性连接 节点均采用高强螺栓端板式刚性连接时，当节点 设计中实际柱翼缘厚度小于所需厚度时，本文 的 公式(1 2)提供了计算柱翼缘补强板厚度的方法，建议在满足限制条件下使用。1 2 3 4 5 6 7 8 参考文献 c E I l 0 2 2 0 O

20、 2，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 s G B 5 0 0 1 7，钢结构设计规范 s 陈绍蕃，钢结构设计原理 M 北京：科学 出版社。2 0 0 1 31 8 J L 6 0 6 0 1 2 0 0 1 Ma n u a l o f s t e e l c o n s t r u c ti o n。lo a d r e s i s t a c e f a c t o r d e s i g n，Vo l u me 1 I。C o n n e c t i o n s S1 s a l mo n C G，J o h n s o n J E S t e e l s t r u c t u r e

21、 s：d e s i g n a n d b e h a v io rM Ne w J e r s e y：P r e n t i c e-Ha l l，I n c，1 9 9 6 8 4 8-一 8 4 9 钢结构设计规范 编制组，钢结 勾设计规范 应用讲解 M 北京 中国计划出版社，2 0 0 3 6 3，钢结构设计 规 范 编 制组 钢结 构 设计 规 范 专题 指 南 M，北京；中国计划出版社，2 0 0 3 9 9 陈绍蕃，顾强 钢结构基础 M 北京；中国建筑工业出版 社。2 0 0 3 2 4 7-2 4 8 (责任编辑张淑艳)(上接第 3 3 7页)目前，正在开展 超高层建筑结构

22、分析的状态 空 间 法 与 计 算 可 视 化 研 究 课 题 的 研 究 工 作 1 4 1 6 。建立一种新 型 的计算方法有限元 状态空间法，使计算结构力学、现代控制论和状态 空问理论多门学科交叉、渗透共同发展。使复杂结 构的计算精度与效率提高到一个新的水平，并为 超高层建筑等复杂结构工程，如上部结构与地基 的动力耦合作用、复杂地基、结构非线性、地震动 多输入与多输出等前沿科学技术问题提供应用基 础理论。现代控制论中的状态空间理论在工程结 构静动力反应分析中的应用，作为一种新的理论 体 系，在国内外这方 面的研究 也只是起步阶段。该研究方向有着广阔的发展和应用前景。参考文献 E 5 6

23、7 E 8 E 9 1 o 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 赵西安 现代高层建筑结构设计 M 北京；科学出版社，2 0 0 0 1 6 2 周福霖 工程结构减震控制 M 北京：地震出版社，1 9 9 7 3 周福霖 工程结构减震控制在中国的最新研究发展和应用 A 第 2 届中日建筑结构技术交流会论文集E c ，上海 1 9 9 5 4 周福霖，俞公 骅 多层和高层建筑结构减震控制新体系 A 第 4 届高层建筑抗震技术交流会论文集 c ，西安：l 9 9 5 G B 5 0 0 1 l 2 0 0 1，建筑抗震设计规范 S J q 3 2 0 0 2、J 1 8 6 2 0 0 2，

24、高层 建 筑混 凝土 结 构技 术规 程 E s GB 5 0 0 1 0-2 0 0 2，混凝土结 构设计规 范 s _ Un i f o r m Bu i l d i n g Co de Vo1 2。St r u c t u r a l En g i n e e r i ng De s i g n P r o v i s io n s)，1 9 9 4 S B r i t i s h S t a n d a r d。S t r u c t u r a l U s e o f C o n c r e t e，1 9 8 5 S N a t i o n a l B u i l d i n g

25、Cod e o f C a n a d a，1 9 9 o E s I S O I n t e ma t l o n a l St a n d a r d 4 3 5 6，Ba s e s f o r t h e De s i g n o f S t r u c t u r e s De f o r ma t lon s o f Bu i l d i n g s a t t h e Se r v i c e a b i l i t y L i mi t S t a t e s，1 9 7 7 S 日 本建筑结构抗震设计条例，1 9 8 1 S 苏联国家标准 c Hu2 o 1 0 7-a s

26、E s 沈鹏程 多变量样条有限元法E M 北京：科学出版社，1 9 9 7 Sh e n P C，He P X，Le YVi br a t i o n a n a l y s i s o f p l a t e s u s i n g t h e mu h i v a r i a b l e s p l i n e e l e me n t me t h o d J I n t J S o l i d s&S t r u c t u r e s，1 9 9 2，2 9(2 4)：3 2 8 9 3 2 9 5 沈小璞，肖 卓 高层建筑结构动力时程响应分析的状态 空间迭代法 J 建筑结构学报。1 9 9 8，1 9(5)：8 l 6 (责任编辑杨伯源)维普资讯 http:/