传统抗震技术体系及其存在的问题在 18 世纪工业革命时期, 以英国为中心, 发展了现代科学技术但英国等欧洲国家处于非地震区域, 致使防震技术在第一次工业革命未被启动至世纪, 技术革命向存在地震危险的美国日本等国家扩展, 防震技术有了长足发展, 先建立了强度抗震体系 (20 世纪

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丙佃常
7 years ago
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1 周福霖隔震消能减震与结构控制体系终止我国城乡地震灾难的必然技术选择中国不断重复的地震灾难我国地处世界两大地震带环太平洋地震带和地中海 - 喜马拉雅地震带的交汇区域, 是世界上地震活动最频繁的国家之一自从我国有地震记录以来, 死亡人数在 20 万以上的灾难性大地震有 :1303 年山西洪洞大地震 1556 年陕西华县大地震 1920 年宁夏海原大地震 1976 年唐山大地震等 20 世纪, 全世界由于地震死亡的人数中, 中国人约占 60% 近几十年来, 我国高震级地震频发, 如邢台地震海城地震唐山地震汶川地震玉树地震芦山地震鲁甸地震等, 均造成了大量人员伤亡和巨大经济损失我国陆地面积约占全世界的 1/14, 而大陆破坏性地震却占了全世界的 1/3 我国是世界上地震风险最高的国家, 平均每 5 年发生 1 次 7.5 级以上地震, 每 10 年发生 1 次 8 级以上地震历史上, 我国各省直辖市和自治区均发生过 5 级以上的破坏性地震我国地震主要有以下几方面的特点 :(1) 多为浅源地震, 震级高破坏性大 ;(2) 震级和烈度远高于原预期值, 造成大灾难 ;(3) 我国城乡人口集中, 房屋密集, 地震时伤亡惨重 ;(4) 地震时人员伤亡有 90% 是由于房屋破坏倒塌以及伴随的次生灾害造成的, 而我国城乡大量房屋设防标准偏低, 房屋抗震能力普遍不足, 小震大灾中震巨灾的现象在我国频频发生, 给人民生命财产带来巨大损失, 也给国家社会稳定造成巨大影响一次 6~7 级地震, 在发达国家仅造成几人至几十人死亡, 而在我国可能造成数千人乃至数万数十万人伤亡, 导致地震大灾难这迫使我们要从一次次地震灾难中吸取教训, 对原有的抗震设防要求和抗震技术体系, 进行反思和创新我国正处于建设小康社会步入以人为本的时期, 我们这一代人有责任, 在中国这片国土上, 终止地震造成的一次次重复的大灾难! 周福霖, 中国工程院院士, 广州大学工程抗震研究中心主任教授曾任联合国工业发展组织 (UNIDO) 隔震技术顾问, 现任国际隔震减震控制学会 (ASSISI) 主席中国建筑学会抗震防灾分会结构减震控制委员会主任委员中国土木学会减震防灾技术推广委员会主任委员湖南大学土木工程工民建本科毕业, 加拿大不列颠哥伦比亚大学 (UBC) 结构与抗震研究生毕业长期从事土木结构工程结构抗震隔震和减震控制的研究曾主持国家 973 项目国家 12.5 项目国家自然科学基金重点项目联合国科技开发项目中外隔震减震国际合作项目曾获国家科技进步奖建设部教育部科技进步奖等十多项曾出版中英文著作 4 部, 文章 150 多篇 1

2 传统抗震技术体系及其存在的问题在 18 世纪工业革命时期, 以英国为中心, 发展了现代科学技术但英国等欧洲国家处于非地震区域, 致使防震技术在第一次工业革命未被启动至世纪, 技术革命向存在地震危险的美国日本等国家扩展, 防震技术有了长足发展, 先建立了强度抗震体系 (20 世纪 30 年代 ), 后又发展了强度 - 延性抗震体系 (20 世纪 70 年代 ), 即现在的传统抗震体系我国近二百年, 闭关自守, 内忧外患, 贫穷落后, 近代防震技术几乎处于空白, 直至新中国成立, 先后从前苏联美国日本等引进防震技术, 经过不断发展完善, 建立了与世界各国类似的强度 - 延性抗震体系, 即传统抗震技术体系这个抗震体系, 为我国减轻地震灾害, 做出了重要贡献但由于我国国情, 这个抗震体系仍未能终止我国一次次重复的地震大灾难传统抗震技术体系一般建筑结构, 在地震发生时, 强地面运动引起结构的地震反应, 结构固接于基础之上, 尤如一个地面地震反应放大器, 结构的地震反应随着高度将逐级被放大至 2 倍以上 ( 图 1a) 中小地震发生时, 虽然主体结构可能还未破坏, 但建筑饰面装修吊顶等非结构构件可能破坏而造成严重损失, 室内的贵重仪器设备可能毁坏而使用功能中断, 甚至导致更严重次生灾害当大地震发生时, 主体结构可能破坏乃至倒塌, 导致地震灾难为了减轻地震灾害, 人们先后发展了下述抗震技术体系 : (1) 抗震强度体系 : 通过加大结构断面和配筋, 增大结构的强度和刚度, 把结构做得很刚强, 以此来抗御地震, 即硬抗地震 ( 图 1b) 这种体系, 由于结构刚度增大, 也将引起地震作用的增大, 从而可能在结构件薄弱部位发生破坏而导致整体破坏在很多情况下, 这样硬抗地震很不经济, 有时也较难实现 (2) 抗震延性体系 : 容许结构构件在地震时被损坏, 利用结构构件损坏后的延性, 结构进入非弹性状态, 出现塑性铰, 降低地震作用, 使结构裂而不倒 ( 图 1c) 对比强度体系, 结构延性体系仅需要较小的断面和配筋, 更为经济延性体系从 20 世纪 70 年代建立, 已成为我国和世界很多国家采用的传统抗震体系它的设计水准是 : 在设定设计地震烈度下, 小地震时不坏, 中等地震时可能损坏但可修复, 大地震时明显破坏但还不致倒塌但超大地震时就无法控制了传统抗震技术体系存在的问题及对策传统抗震技术体系长期存在下述难以解决的问题 : (1) 结构安全性问题在设计烈度内, 这种传统抗震体系能避免结构倒塌, 但当遭遇超过设计烈度的地震时, 将可能导致成片建筑结构倒塌, 引发地震灾难如 2008 年我国 5 12 汶川地震, 地震前的汶川是一个美丽的县城, 地震后成为一片废墟 (2) 建筑破坏问题在地震作用下, 传统抗震结构钢筋屈服和混凝土裂缝, 结构出现延性, 国内外专家早就指出延性就是破坏, 导致建筑物结构在震后难以修复, 虽未倒塌但又不能使用, 成为站立着的废墟 (a) 一般结构 (b) 强度设计体系 (c) 延性设计体系图 1 传统抗震体系 2

3 2008 年汶川地震后, 宜宾县隆兴乡震后援建的博爱学校, 使用仅 4 年, 在 2013 年芦山地震中破坏严重, 其塔楼及结构底层柱有明显破坏, 震后修复非常困难 ( 图 2) (3) 建筑功能丧失问题在地震作用下, 传统抗震结构的非弹性变形和强烈振动, 引起建筑中的非结构构件及装修吊顶等的破坏, 以及室内设备仪器瓶罐等的掉落破坏, 必然导致建筑使用功能图年新建的隆兴乡博爱学校在 2013 年芦山地震中塔楼及结构柱破坏情况甚至城市功能的丧失, 引起直接或间接的人员伤亡或灾难例如, 地震时医院学校指挥中心网络试验室电台机场车站电站等的破坏, 会导致现代城市瘫痪或社会灾难, 后果是难以想象的! 上述传统抗震技术体系存在的问题, 在我国凸显严重, 原因是 : (1) 我国建筑物的抗震设防标准偏低除少数地区外, 我国大部分地区的设计地震动加速度为 0.10 g; 而日本智利为 0.30 g, 土耳其为 g, 伊朗也已提高为 0.35 g 也即, 我国建筑物地震设防标准 ( 地震动加速度 ) 仅为世界其他多地震国家设防标准的 1/2 1/4 如果同样的地震发生在我国, 建筑物的破坏和人员伤亡, 要比其他国家要严重得多! (2) 我国很多灾难性地震发生在中低设防烈度区, 或频繁发生超设防烈度的大地震, 引发大灾难唐山的设防烈度为 Ⅵ 度 ( 地震动加速度 0.05 g),1976 年唐山大地震震中烈度达 Ⅺ 度 ( 地震动加速度估计为 0.90 g); 汶川的设防烈度为 Ⅶ 度 ( 地震动加速度 0.10 g),2008 年 5 12 地震震中烈度达 Ⅺ 度 ( 地震动加速度 0.90 g); 青海玉树的设防烈度为 Ⅶ 度 ( 地震动加速度 0.10 g),2010 年玉树地震烈度达 Ⅸ Ⅹ 度 ( 地震动加速度 g ); 的 6 18 倍! 按照传统抗震技术建造的结构, 哪能防御这种超级大地震? 大灾难不可避免! 目前, 我国大面积大幅度提高设计标准, 还不现实, 再加上传统抗震技术体系长期存在难以解决的问题, 在中国这片国土上, 要终止地震造成的一次次重复的大灾难, 必须在原来采用传统抗震技术体系的基础上, 大力推广采用创新的防震技术新体系隔震消能减震结构控制技术体系四十年来世界地震工程最重要的创新成果之一! 隔震技术及其应用隔震技术体系隔震体系是指在结构底部或某层间设置由柔性隔震装置 ( 如叠层橡胶隔震支座 ) 组成的隔震层, 形成水平刚度很小的柔性结构体系 ( 图 3a) 地震时, 上部结构悬浮在柔性的隔震层上, 只做缓慢的水平整体平动, 从而隔离从地面传至上部结构的震动, 使上部结构的震动反应大幅降低, 从而保护建筑结构室内装修非结构构件室内设备仪器等不受任何损坏, 使隔震结构在大地震中成为安全岛隔震体系把传统抗震体系通过加大结构断面和配筋的硬抗概念和途径, 改四川芦山的设防烈度为 Ⅶ 度 ( 地震动加速度 0.10 g),2013 年芦山大地震破坏烈度达 Ⅸ Ⅹ 度 ( 地震动加速度 g); 云南鲁甸的设防烈度为 Ⅶ 度 ( 地震动加速度 0.10 g), 2014 年 8 3 鲁甸大地震破坏烈度为 Ⅸ Ⅹ 度 ( 地震动加速度 g) 即实际地震的地震动加速度值为设计值 (a) 柔性隔震层图 3 建筑结构桥梁隔震原理 (b) 结构加速度反应随结构自振周期延长而降低 3

4 橡胶隔震支座 (a) 传统抗震体系 (b) 隔震体系图 4 隔震体系与传统抗震体系的对比为以柔克刚的减震概念和途径, 是中华文化以柔克刚哲学思想在结构防震工程中的成功运用从结构动力学分析, 隔震结构是把结构的自振周期大大延长 ( 即柔性结构 ), 从 T S1 延长至 T S2, 则结构加速度反应将从 Ẍ S1 降为 Ẍ S2, 降为原来传统抗震结构加速度反应的 1/4 1/8( 图 3b), 结构抗震性能大幅提高 ( 图 4) 早在一二千年前, 我们祖先就成功地应用隔震减震的概念和技术建成了遍布全国各地的宫殿寺庙楼塔等建筑, 经历多次地震而成功保存下来现代隔震技术是 20 世纪 80 年代出现的一项新技术, 多年来, 世界各国学者对此项技术开展了广泛深入的研究, 并已在工程中推广应用我国近代隔震技术与国际基本同时起步, 但发展较快我国首幢砂垫层隔震建筑由李立教授主持于 1980 年建成 ; 由刘德馨曾国林主持的石墨砂浆滑移层隔震房屋于 1986 年建成 ; 我国最初建成的这几幢隔震房屋至今尚未经历地震考验, 而由于砂垫层或砂浆滑移层在地震后没有复位功能, 故未能推广应用由本文作者主持, 于年在汕头市建成的我国第一幢夹层橡胶垫隔震房屋, 在 1994 年 9 月 6 日中国台湾海峡 7.3 级地震中经受了考验此后, 相继在云南河南新疆四川山西北京福建等地建成了多幢夹层橡胶支座隔震房屋, 有些还成功经历地震考验目前, 隔震房屋已逐渐在我国推广应用, 至 2015 年年底, 已建成隔震建筑超过 6000 栋与传统抗震结构相比, 隔震结构有下述的优越性 : (1) 确保建筑结构在大地震时的安全隔震体系可使结构的地震反应降为传统结构地震反应的 1/4 1/8, 使隔震结构有很宽的防巨震安全极限边界, 在超烈度大地震时成为安全岛, 保护几代人的生命和财产安全! (2) 地震时上部结构保持弹性, 结构在地震中不损坏, 避免震后很困难的修复工作 (3) 可实现性能化防震设计, 实现地震设防的双保护, 即既保护结构安全, 也保护非结构构件室内设备仪器等的使用功能不中断这对于医院学校指挥中心网络实验室广播电视台机场车站电站各种生命线工程等尤为重要, 能避免大地震发生时城市功能陷于瘫痪, 避免大地震发生时的直接灾害或次生灾害 (4) 适用于规则建筑结构, 也适用于非规则建筑结构隔震后的结构地震反应大幅降低, 结构的水平变形 ( 层间变形或扭转变形等 ) 都集中在柔软的隔震层而不发生在建筑结构本身, 从而保护功能要求较高的复杂建筑结构, 在地震中不被损坏这适合于保障学校医院高档住宅办公大楼影剧院机场交通枢纽等的地震安全 (5) 采用隔震技术, 投资增加不多当隔震技术应用于防震性能要求较高或高烈度地区时, 还能降低建筑结构造价 (6) 隔震技术不仅可用于新建建筑, 也可用于对既有结构进行隔震加固, 能大幅提高地震安全性在达到基本相同的要求下, 造价比传统方法更低隔震技术的工程应用中美日意和新西兰等国家已较多采用隔震技术, 表 1 列出了中美日三国隔震工程应用的情况经过 40 余年的发展, 中国的隔震技术已迈入了国际先进行列, 4

5 其应用领域广泛表 1 中国美国日本隔震结构应用统计表 ( 截至 2015 年 ) 应用领域国别数量最大层位中国已建近 6000 幢 31 层建筑结构美国已建近 180 幢 29 层日本已建近 5000 幢 54 层中国已建近 350 座桥梁结构美国已建近 110 座日本已建近 1800 座隔震技术主要应用于住宅学校医院高层建筑复杂或大跨建筑桥梁结构核电站重要设备历史文物与古迹保护和乡镇民房等, 有些隔震工程还成功经受了地震考验举例如下 : (1) 住宅建筑及学校医院等公用建筑实例 1 我国第一栋橡胶支座隔震房屋, 钢筋混凝土框架隔震结构,8 层住宅 ( 图 5), 位于广东省汕头市, 是联合国工业发展组织 (UNIDO) 隔震技术国际示范项目,1989 立项,1993 建成使用, 是当年世界最高的隔震住宅楼 1994 年 9 月 16 日, 发生台湾海峡 7.3 级地震传统抗震房屋晃动激烈, 人站不稳, 青少年跳窗避险, 学校孩子逃跑踩踏, 死亡及受伤共 126 人但隔震房屋内的人毫无震感震后, 从窗外看到马路上挤满惊恐逃跑的人们, 才知道刚才发生了地震, 因此住户普遍认为住在隔震楼内很有安全感实例 2 乌鲁木齐石化厂隔震住宅楼群,2000 年建成, 共 38 栋 18 万平方米, 为当年全球面积最大的隔震住宅群, 采用了基础隔震形式, 结构地震反应降为 1/7 在 7 8 级大地震时也可保障人们生命和财产的安全实例 3 北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼 ( 通惠家园 ), 建于 2001 年, 隔震建筑面积 48 万平方米, 是当年世界面积最大的层间隔震建筑群, 隔震层设在二层平台顶部 ( 图 6), 采用三维隔减震体系, 结构地震反应降为 1/6, 火车引起的振动降为 1/10, 既确保地震安全, 也避免地铁振动干扰 (c) 橡胶隔震支座 (a) 立面图隔离缝 (b) 剖面图图 5 我国第一栋橡胶支座隔震房屋,8 层住宅图 6 北京地铁地面枢纽站大面积平台上隔震住宅楼 5

6 实例 4 芦山县人民医院门诊楼, 为 2008 年汶川地震后澳门援建的医院建筑 ( 图 7), 包括采用了橡胶支座隔震技术的门诊楼 1 栋, 采用抗震 ( 未隔震 ) 的住院楼 2 栋 2013 年芦山地震中, 抗震的 2 栋住院楼破坏严重, 功能中断和瘫痪, 而隔震的 1 栋门诊楼, 结构和室内设备仪器完好无损, 震后马上投入紧张繁重的医疗抢救工作, 隔震门诊楼成为震后全县急救医院医院曾院长说 : 地震后全县所有医院都瘫痪了, 就剩这栋隔震楼, 成为全县唯一的急救中心, 如果没有这栋隔震楼, 灾后就无法对重伤员进行抢救了, 后果真是不堪设想实例 5 汶川第二小学, 钢筋混凝土多层教学楼, 共 7 栋, 全部采用隔震技术,2010 年建成老师对学生说 : 地震时, 千万不要往外跑! 我们待在隔震楼里, 屋里比屋外更安全在 2013 年 4 月 20 日, 发生 7.0 级芦山地震, 根据安装在几个建筑物 ( 隔震和抗震 ) 中的仪器获得的地震反应记录, 隔震楼的地震反应, 只有相邻的抗震房屋地震反应的 1/6 1/8, 所有隔震楼完好无损, 机场 ( 二期 ), 新航站楼约 30 万平方米, 也采用全隔震技术我国高烈度地区的新建机场, 有采用全隔震技术的趋势这将大大提高我国机场的防御地震的能力, 确保大地震发生时机场航运功能不中断, 大大提高我国城市防震减灾能力, 造福子孙后代! (3) 长大桥梁结构实例 7 港珠澳大桥, 长约 26 km, 桥梁采用隔震技术, 是目前世界最长的隔震桥梁隔震支座设置在桥墩顶部地震时, 把可能发生在桥墩底部出现变形裂缝, 转变为在桥墩顶部的隔震支座的水平变形, 使桥墩保持弹性状态, 避免浸在海水中的桥墩底部出现难以修复的损坏 ( 图 9a), 并把桥梁的地震反应大幅降低广州大学对港珠澳大桥分别做了隔震和抗震的振动台对比试验研究 ( 图 9b), 试验隔震楼就像安全岛 (2) 复杂建筑实例 6 昆明新机场隔震航站楼, 隔震建筑面积 50 万平方米, 是目前世界最大的单体隔震建筑 ( 图 (b) 抗震住院楼震后破坏瘫痪 8) 因为靠近地震断层, 地震危险性较大采用隔震技术, 能够在大地震时保护结构安全保护上部曲线彩带钢柱不损坏保护特大玻璃不破坏保护大面积天花板不掉落, 还要在大地震时保护内部设备仪器 (a) 医院 3 栋建筑不晃倒掉落损坏确保地震后航运功能不中断等要求 2015 年 3 月 9 日, 云南嵩明县发生 4.5 级地震, 昆明新机场隔震航站楼的仪器记录如下 : 地震时, 楼面加速度反应, 降为地面加速度反应的 1/4, 显示非常明显的隔震效果 2015 年开工建设的北京新机场, 航站楼约 70 万平方米, 采用全隔震技术建成后将成为全球最大的单体隔震建筑, 将会是隔震技术在全球范围内的新范例即将建设的海南海口美兰国际图 7 芦山县人民医院隔震与抗震楼 (c) 隔震门诊楼震后完好无损图 8 昆明新机场隔震航站楼 6

7 (a) 抗震桥与隔震桥 ( 桥墩顶隔震 ) (b) 振动台试验模型图 9 港珠澳大桥隔震体系及振动台试验结果表明, 隔震与非隔震的地震反应比为 1/5, 防震安全性大幅提高, 能确保桥梁在大地震时的安全 (4) 核电站地震保护 2007 年日本新潟地震, 引发了核事件 2011 年 3 月 11 日日本东海大地震, 引发福岛核电站 ( 建于 20 世纪 70 年代 ) 第一核电站三号机组爆炸, 震惊了全世界但新建的福岛核电站指挥部大楼采用隔震技术, 在这次地震中表现极为出色, 结构及装修无任何损坏, 内部设备仪器无一掉落, 完好无损, 保证了指挥系统功能照常运行, 成为地震后的指挥中心利用核能, 有人称之为人与魔鬼打交道, 必须做到万无一失采用隔震技术, 被国内外认为是保护核电站地震安全的最有效途经之一经深入研究分析和部分应用得知, 核电站采用整体隔震体系, 可使核电站结构和内部设备仪器的地震反应降为原来的 1/6 1/8, 可使核电站场地的容许地震动加速度从 0.20 g 提高至 0.80 g, 即也意味着, 可在高烈度地震区建设核电站隔震技术也有利于核电站结构与设备设计的标准化, 可以保障核电站地震安全, 展现了光辉的前景! 目前, 世界已建成 3 座隔震核电站, 还有多个采用隔震技术的核电站正在施工或设计中 (5) 乡镇农村房屋隔震技术我国广大农村地区的农民住房, 抗震问题非常严重农村建房缺技术, 建材多为砖石木等, 无正规设计和施工, 抗震性能很差小震大灾中震巨灾的现象在我国农村地区频频发生, 广大农民并未分享现代科学技术进步的成果如何把隔震技术应用于我国广大农村地区, 保护农民生命和财产安全, 是我们这代人的重要任务广州大学和相关单位部门合作, 对我国农村房屋隔震技术进行了多年的研究试验和应用, 取得了可喜的进展已开发了适合我国广大农村地区的弹性隔震砖技术体系实例 8 适合农村地区的弹性隔震砖技术体系 ( 图 10) 该体系设计施工简单无需大型建筑机械农民工匠可自建造价低廉地震振动台实验表明, 应用弹性隔震砖的简易砖房, 能经受 Ⅶ Ⅷ 度烈度的影响而完好无损可以预期, 弹性隔震砖技术的推广应用, 将为我国广大农村房屋的地震安全建设美丽并安全的新农村保护广大农民生命和财产终止我国地震造成的一次次重复的大灾难, 展现未来的美景! (a) 弹性隔震砖技术体系 (b) 弹性隔震砖铺设 (c) 弹性隔震砖房屋施工 (d) 弹性隔震砖房屋建成图 10 乡镇农村弹性隔震砖隔震房屋 7

8 消能减震技术及其应用消能减震体系结构消能减震体系, 是把结构的某些非承重构件 ( 如支撑剪力墙等 ) 设计成消能构件, 或在结构的某些部位 ( 节点或联结处 ) 安装耗能装置 ( 阻尼器等 ), 在风荷载或小地震时, 这些消能杆或阻尼器仍处于弹性状态, 结构仍具有足够的侧向刚度, 以满足正常使用要求在中强地震发生时, 随着结构受力和变形的增大, 这些消能构件和阻尼器率先进入非弹性变形状态, 产生较大阻尼, 消耗输入结构的地震能量, 使主体结构避免进入明显的破坏, 并迅速衰减结构地震反应, 从而保护主体结构在强烈地震中免遭过度破坏传统抗震结构是通过梁柱节点等承重构件产生裂缝非线性变形来消耗地震能量的, 而消能减震结构是通过耗能支撑阻尼装置等产生阻尼, 先于承重构件损坏而进行耗能, 衰减结构震动, 从而起到保护主体结构的作用 ( 图 11) (a) 地震输入 (b) 传统抗震结构 (c) 消能减震结构图 11 消能减震体系的减震机理与传统的抗震体系相比较, 消能减震体系有如下的优越性 : (1) 传统抗震结构体系是把结构的主要承重构件 ( 梁柱节点 ) 作为消能构件的, 地震中受损坏的是这些承重构件, 甚至导致房屋倒塌而消能减震体系则是以非承重构件作为消能构件或另设耗能装置, 它们的损坏过程是保护主体结构的过程, 所以是安全可靠的 (2) 消能构件在震后易于修复或更换, 使建筑结构物迅速恢复使用 (3) 可利用结构的抗侧力构件 ( 支撑剪力墙等 ) 作为消能构件, 无须专设 (4) 可衰减结构的地震反应 20% 50% 由于上述的优越性, 消能减震体系已被广泛用于高层建筑大跨度桥梁等结构的地震保护中消能减震体系的工程应用消能减震结构体系按照所采用的减震装置, 可以分为速度相关型和位移相关型速度相关型阻尼器, 主要有粘滞型阻尼器 ( 其耗能能力与速度大小相关 ), 包括油阻尼器, 粘弹性阻尼器等位移相关型阻尼器 ( 其耗能能力与位移大小相关 ), 包括金属屈服型阻尼器 ( 包括软钢阻尼器铅阻尼器, 屈曲约束支撑 BRB, 形状记忆合金 SMA 等 ), 摩擦阻尼器等近年来, 以陈政清为代表的团队研发了高灵敏高效能高耐久性的电涡流阻尼减震装置, 将是耗能减震领域的革命性突破美国是开展消能减震技术研究较早的国家之一早在 1972 年竣工的纽约世界贸易中心大厦的双塔楼安装了粘弹性阻尼器, 有效地控制了结构的风振动反应, 提高了风载作用下的舒适度日本也是应用消能减震技术较多的国家 31 层的 Sonic 办公大楼共安装了 240 个摩擦阻尼器, 日本航空公司大楼使用了高阻尼性能阻尼器加拿大也较早研究摩擦消能减震支撑并大量应用, 世界各国应用消能减震的工程案例不胜枚举本文作者通过多方面的试验研究, 提出了在高层建筑中设置钢方框消能支撑进行消能减震, 并完成了足尺模型的试验于 1980 年在洛阳市建成我国第一栋设置有钢方框消能支撑的厂房结构我国自 20 世纪 80 年代起, 一直致力于消能减震技术的研究工作和工程应用实践目前已自行研发出了一些消能减震装置, 并提出了与之适应的新型消能减震结构体系, 完成了多项消能装置的力学性能试验和减震结构的模拟振动台试验研究, 获得了大量有学术价值的研究成果消能减震技术在我国结构中的应用范围和形式越来越广泛, 在各种重要建筑及大跨桥梁中均有较多的应用目前全球建成的消能减震房屋和桥梁约有余座实例 9 消能减震支撑在房屋结构减震中的应用 ( 图 12) 实例 10 粘滞阻尼器应用于控制斜拉桥位移量和控制桥梁纵飘反应 ( 图 13) 控制技术的发展和应用随着高强轻质材料的采用, 高层超高层等高柔结构及特大跨度桥梁不断涌现, 如果采用传统的硬抗途径 ( 加强结构断面, 加强刚度等 ) 来解决风振和地震 8

9 (a) 油阻尼器消能减震支撑 (b) 屈曲约束支撑 (BRB 消能支撑 ) 图 12 房屋结构中的消能减震支撑图 13 斜拉桥中的油阻尼器安全问题, 不仅很不经济, 而且效果差, 常常难以解决问题而巧妙的结构控制技术, 为解决超高超长结构的风振和地震安全问题, 提供了一条崭新的途径结构控制是指在结构某个部位设置一些控制装置, 当结构振动时, 被动或主动地施加与结构振动方向相反的质量惯性力或控制力, 迅速减小结构振动反应, 以满足结构安全性和舒适性的要求其研究和应用已有 40 多年的历史结构振动控制, 主要是为了满足高层超高层建筑电视塔等高耸建筑结构的抗风抗震性能按照是否需要外部能量输入, 结构控制可分为被动控制 ( 免外部能量输入 ) 主动控制( 需外部能量输入 ) 半主动控制( 改变结构刚度或阻尼 ) 和混合控制 ( 被动控制加主动控制 ) 等 4 类 : 被动控制系统主要有调谐质量阻尼器 (TMD) 调谐液体阻尼器 (TLD) 等 ; 主动控制系统主要有主动质量阻尼系统 (AMD) 混合质量阻尼器 (HMD) 等 ; 半主动控制系统主要有主动变刚度系统 (AVS) 主动变阻尼系统 (AVD) 等 ; 混合控制是将主动控制和被动控制同时施加在同一结构上的控制形式全球首次将控制技术应用到建筑结构, 建成于 1989 年的日本东京 Kyobashi Center, 采用了 AMD 控制系统之后, 控制技术在全世界及我国得到了广泛的发展和应用实例年建成的广州塔是我国在超高层建筑中成功应用混合控制技术的典范 ( 图 14) 由广州大学哈工大广州市设计院和 ARUP 等单位合作, 为该塔的风振和地震安全控制研发了新型主动加被动的混合控制系统 (HTMD) 广州塔采用混合控制体系, 是经过多方比较分析的如果采用被动控制 ( 免外部能量输入 ) 的调谐质量阻尼器 (TMD) 体系, 技术成熟可靠, 造价低, 但只能减震 AMD TMD TMD HTMD (b) 广州塔塔顶水箱作为调谐质量 (a) 广州塔 (c) 混合控制系统 HTMD (TMD+AMD) 图 14 广州塔混合控制 9

10 10% 30%, 对桅杆是满足要求的, 但对主体结构达不到减震要求如果采用主动控制 ( 需外部能量输入 ) 的主动质量阻尼系统 (AMD), 能减震 30% 60%, 但技术成熟性和可靠性较差, 造价也高经过深入分析和试验研究, 采用混合控制体系 (HTMD), 即在被动调谐质量装置 (TMD) 上再设置一小质量的主动调谐系统 (AMD), 可达到技术成熟性和可靠, 减震效果达到要求, 能减震 20% 50%, 造价也不高该体系还巧妙地利用塔顶 2 个消防水箱 ( 各 600 吨 ) 作为调谐质量, 不必额外专门制设钢制质量球, 更加经济广州塔利用塔顶水箱作为调谐质量的混合控制系统 HTMD(TMD+AMD), 从形式上看是双层调谐质量在运动通过小质量块的快速运动产生惯性力来驱动大质量块的运动, 从而抑制主体结构的振动当主动调谐控制系统失效时, 就变为被动调谐质量阻尼器 (TMD), 因此具有 Fail Safe( 失效仍安全 ) 的功能这保证该系统在很不利的条件下, 都能正常运行, 可靠性很高通过结构分析和振动台试验表明, 广州塔在用了 HTMD 系统后可有效减震 20% 50% 该塔建成后, 经历了多次大台风的考验, 实测有效减震 30% 50% 这进一步实际验证了 HTMD 应用在高耸结构上的有效性可靠性和经济性抗震隔震减震的技术比较和未来的技术选择 (1) 抗震隔震减震技术比较抗震 : 结构自振周期很难远离地面卓越周期, 地震时容易发生一定程度的共振, 结构震动反应可放大至 200% 以上, 大地震时会严重威胁结构和内部设施的安全消能减震 : 通过增大结构阻尼来消耗能量, 以减轻结构地震反应, 可减震 20%~50%( 即降低至 80%~50%), 但结构震动放大系数仍大于 1, 为能实现降低结构位移( 地震变形 ) 反应的目标, 减少结构的破坏程度, 提高结构的抗倒塌安全性隔震 : 通过延长结构自振周期, 避开振动共震区, 有效隔离地震可减震 75% 90%( 即降至 25% 10% 或 1/4 1/8), 大幅提高结构安全性震动放大系数远小于 1, 为能大幅减低结构加速度反应( 地震作用 ) 的目标, 既能在大地震中保护结构安全, 也能保护内部设施完好无损, 使用功能不中断 (2) 抗震隔震减震结构地震损坏维修代价比较图 15 为日本 Yusuke WADA 教授对日本传统抗震图 15 维修代价趋势图结构与减震隔震结构在震后维修代价随地震烈度变化的趋势图可以看出 : 在烈度较小地震时, 抗震结构尤其是延性设计的结构就会发生损坏, 包括非结构构件或室内设备仪器, 震后维修代价较大 ; 而减震结构的损坏较轻微, 震后维修费用较低 ; 而隔震结构完好无损当烈度较大地震时, 延性设计的结构破坏程度就会加剧甚至倒塌, 直到失去维修价值 ; 而减震结构在较大烈度地震时的破坏主要还是减震装置的破坏, 在经历地震后, 只需更换维修损坏的减震装置 ; 而隔震结构完好无损在影响烈度特高地震时, 延性设计的抗震结构已经倒塌 ; 减震结构比强度设计的抗震结构破坏程度轻些, 维修代价低于抗震结构 ; 而隔震结构仍然完好, 仅在隔震层 ( 隔震支座或柔性管线连接等 ) 有轻微损坏, 稍加维修即可恢复正常 (3) 减轻或终止我国地震灾难的技术选择近年来, 世界各地及我国地震频发目前我国要在全国范围内大幅度提高城乡抗震设防标准, 仍有难度, 但对于有可能出现的巨灾不可不防传统强度设计和延性设计已不能满足我国大规模城乡建设对抗震的要求, 而隔震减震及控制技术正好弥补了传统抗震技术所不能满足的技术要求隔震减震及结构控制技术是四十年来地震工程领域的重大创新成果, 是城乡建筑大幅提高地震安全性防止地震破坏的最有效途径, 是终止我国城乡地震灾难的必然技术选择! 在 2015 年第 14 届国际隔震减震与控制大会上, 国内外专家一致认为 : 工程结构, 包括既有结构, 广泛采用隔震减震技术的时代来临了! 10

结构消能减震技术在建筑绿色改造中的应用

第五届既有建筑改造技术交流研讨会北京 2013 年 4 月 21-23 日 1 结构消能减震技术在建筑绿色改造中的应用 Application of Seismic Energy Dissipation Techniques in Green Renovation of Buildings 刘林 Outline 2 结构加固技术的分类 (Classification of Structural Strengthening