高层建筑地震损伤控制关键技术与应用_王涛.pdf

56 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）高层建筑地震损伤控制关键技术与应用王涛1 王载2 张锡治3 黄世敏4 解琳琳5 毛宗原4 严加宝6 王啸霆1 种迅7 孙江波9 万金国8 刘谦敏8 尚庆学1 陈晗8 杨参天5（1.中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 1 5 0 0 8 0；2.中国建筑设计研究院有限公司，北京 1 0 0 0 4 4；3.天津大学建筑设计规划研究总院有限公司，天津 3 0 0 0 7 3 ；4.中国建筑科学研究院有限公司，北京 1 0 0 0 1 3 ；5.北京建筑大学，北京 1 0 0 0 4 4；6.天津大学，天津 3 0 0 0 7 2；7.合肥工业大学，合肥 2 3 0 0 0 9；8.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 1 0 0 0 4 5；9.江苏思泰博减震科技有限公司，泰兴 2 2 5 4 0 1)摘要 地震是我国高层建筑面临的最主要威胁之一，高层建筑依靠主体结构自身的延性损伤来耗散地震能量，尚不能有效引导损伤发展和控制震损模式，难以保全高层建筑的震后使用功能。项目组以提升试验仿真还原度、创新结构控制新理念和研发关键新构件为目标，深入开展了高层建筑“地震致损机理”剖析、“可控减震体系”创新和“高效消能构件”研发三个方面工作，取得了一系列技术突破，推动了高层建筑地震损伤控制技术的发展。关键词 高层建筑；损伤控制；弯剪解耦控制；损伤可控非结构构件；易更换消能装置Key Technology and Application of Seismic Damage Control of High-rise BuildingsWang Tao1,Wang Zai2,Zhang Xizhi3,Huang Shimin4,Xie Linlin5,Mao Zongyuan4,Yan Jiabao6,Wang Xiaoting1,Chong Xun7,Sun Jiangbo9,Wan Jinguo8,Liu Qianmin8,Shang Qingxue1,Chen Han8,Yang Cantian5(1.Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin,150080;2.China Architecture Design&Research Group,Beijing,100044;3.Tianjin University Research Institute of Architectural Design and Urban Planning Co.,Ltd.,Tianjin,300073;4.China Academy of Building Research,Beijing,100013;5.Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing,100044;6.Tianjin University,Tianjin,300072;7.Hefei University of Technology,Hefei,230009;8.Beijing Institute of Architectural Design,Beijing,100045;9.Jiangsu Sitaibo Seismic Energy Dissipation Technology Co.,Ltd.,Taixing,225401）Abstract:Earthquakes are one of the most important threats to high-rise buildings in China.High-rise buildings dissipate earthquake energy based on the ductile damage of the main structure itself,which cannot effectively control the damage development and the seismic damage mode.It is usually difficult to preserve the normal use functionality of high-rise buildings after earthquakes.Aiming at improving the reproduction of test simulation,innovating new ideas of structural control and developing key new components,the project team has carried out research work in analysis of seismic damage mechanism of high-rise buildings,innovation of damage control energy dissipation system and development of efficient energy dissipation components.A series of technological breakthroughs have been achieved,which promotes the development of seismic damage control technology for high-rise buildings.Keywords:high-rise building,damage control,bending shear decoupling control,damage-controlled non-structural components,replaceable energy dissipation deviceDOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.011建设科技 57一 等 奖1 项目背景我国是世界上发生大陆地震最为频繁的国家之一，多条地震带上地震频发，历史上唐山地震、汶川地震、芦山地震等，均对我国社会、经济造成重大伤害，严重威胁着我国城市的安全与发展。同时，随着我国城镇化进程不断推进，出现了大量以高层建筑为载体的新型城市，集中了巨大的人口、财富和生产力。为应对城市人口高度集中等问题，高层建筑正在向更大、更高、功能更综合的方向进化，高层建筑系统的复杂性势必会增加其面临地震灾害时的易损性。因此，高层建筑的地震损伤控制已成为城市防震减灾的工作重心之一。然而，高层建筑系统的复杂性导致地震损伤机理仍不明确。破坏机理研究主要依托于物理实验的复现能力，而目前常用的试验手段仍难以再现高耦合空间复杂受力状态下高层建筑的损伤演化发展全过程，导致能表征其真实破坏行为的力学模型依然匮乏。同时，可控制高层建筑地震损伤的结构体系需要进一步创新。隔震和减震是控制建筑地震损伤的两种常用手段。高层建筑自振周期长、高宽比大，常用隔震方案往往受限于支座受拉等问题，应用效果不理想。而现有减震方案过于关注对主体结构最大变形控制，忽略了对层变形均匀性的要求，这种“头痛医头、脚痛医脚”的理念难以改善高层建筑结构“薄弱层”失效机制。最后，地震损伤可控结构体系需要高性能构件的支撑。传统高层建筑抗侧力关键构件往往发生严重的剪切破坏，震后难以修复；现有的消能构件和装置性能单一，难以满足多水准地震设防的需求；以往研究多关注于结构安全性，对非结构构件系统的损伤控制关注不足。综上所述，高层建筑地震致灾机理、损伤控制理念和关键技术方面仍面临较大的困难，无法满足现代城市防震减灾的更高要求。为此，项目组以把握“地震致损机理”、创新“可控减震体系”和研发“高效消能构件”为基点，历经近十年技术攻关，研发了高层建筑地震损伤控制关键技术，为高层建筑防震减灾提供了重要的理念、方法和技术。2 主要研究内容2.1 揭示了高层建筑地震损伤发展机理项目组通过真实强震破坏机理的试验再现技术、高层建筑关键构件的震损演化模型、通用鱼骨模型和多尺度高效数值模型的研发，促进高层建筑地震损伤发展机理揭示。为高效准确再现高层建筑的地震损伤发展全过程，提出了基于交替协调算法的多自由度空间加载装置，研发了多子结构混合试验系统平台，突破了空间受力状态下大刚度构件复杂灾变机理研究的技术瓶颈；提出了适用于非结构的宽频带检测楼层谱高精度复现技术，准确揭示了强震下典型高层建筑构件-子结构-整体结构三尺度的塑性发展迁移机制和整体失效模式。厘清关键抗侧力构件在局部复杂应力条件下的传力机制及其控制参数是理解震损机理的基础。开展了不同配筋构造小剪跨比连梁、不同轴压比加强区剪力墙、带楼板三维梁柱节点和双钢板-混凝土组合墙的抗震性能试验研究，明确了高耦合复杂受力状态下各类构件的地震损伤发展过程，揭示了关键构件的典型损伤状态、损伤特征和分布模式，研发了关键构件的震损演化模型。融合真实的试验和校准的数值仿真是系统揭示地震损伤演化机理的有效支撑。项目组提出了包含材料界面尺度、构件尺度和整体结构尺度的多尺度数值模拟技术，研发了适用于高层结构的通用简化鱼骨模型、适用于高性能剪力墙构件的多尺度数值模型和适用于双钢板-混凝土组合剪力墙的精细化模型及高效简化宏观有限元分析模型，实现了物理实验与数值仿真技术的互补融合。2.2 创新发展了高层建筑地震损伤控制新体系提出了面向性能目标的多水准设计方法、研发了面向薄弱层控制需求的整体变形约束结构体系以及采用新型连接件双钢板-混凝土组合墙体系。为避免传统消能减震设计方法受限于等效单自由度模型精度的难题，项目组建立了面向性能目标的多水准设计方法，提炼了适用于多种减震装置的高效分析模型，基于减震装置力学模型和结构关键力学特征，构建了基于多自由度体系的主体结构、减震子结构及连接一体化减震设计方法，与抗震设计规范和设计流程相衔接，实现对结构整体力学性能和减震子结构关键力学参数的精准把握。基于装配式双层钢板-混凝土组合墙的整体变形约束结构体系，充分利用装配技术的便捷性，变形约束子结构在工厂预制后运到施工现场进行安装，利用底部变形可控的大刚度墙体控制整体结构变形模式，基于损伤控制机制，构建了含变形约束子结构的建筑结构抗震设计方法，实现了结构整体变形模式不可控到可控的转变，58 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊解决了高层结构的薄弱层控制难题。提出了采用新型C形槽钢连接件的双钢板-混凝土组合墙，提出了三折线骨架模型和刚度退化准则，建立了该新型组合墙受面内/外荷载的力学性能理论分析模型，提出了压弯构件承载力计算公式和考虑重力二阶效应的抗侧承载力计算公式，实现了组合墙地震响应的准确预测；提出了该新型结构体系的设计流程，建立了从结构到构件的一体化设计方法。2.3 研发了高层建筑损伤控制关键构件在构件层次，项目组也研发了一系列用于高层建筑损伤控制的关键构件，包括基于弯剪解耦设计理念的损伤控制构件、可快速更换的高效耗能装置、损伤可控的强韧性非结构构件。为解决高层建筑关键抗侧构件弯剪耦合难设计、震致损伤难修复的问题，首次提出了弯-剪解耦设计理念，创新融合减震技术与摇摆控制技术，研发了可实现弯剪分离的钢桁架连梁和塑性铰支墙，将剪切变形控制在总变形量的10%以内，显著降低了脆性剪切破坏模式的发生概率，实现了对关键防线的损伤控制。研发了多种新型损伤控制装置，提出了力学行为稳定可控、刚度和强度解耦设计的带缝钢板阻尼器及采用全装配式连接的形状优化剪切型金属阻尼器，相比于传统同类阻尼器耗能能力大幅提升，延性变形能力显著提高；针对减震构件占据过多建筑空间的问题，研发了腋撑式承载耗能支撑，既满足了构件连接强度需求，又提升了结构减震耗能能力，且仅占用有限的建筑空间，具有很强的适用性。为解决传统非结构墙体震损严重的问题，研发了新型损伤可控填充墙和外围护墙，提出了填充墙/围护与主体结构的变形分离连接措施和消能连接措施，采用分离连接措施可实现大变形下墙体无损伤，采用消能连接措施的减震围护附加阻尼比显著提高；基于消能技术研发了新型减震支吊架，实现了悬吊非结构构件的损伤控制。3 创新点（1）为解决既有试验手段难以再现高耦合复杂受力下高层建筑结构灾变机理的难题，以架构大型真实子结构边界试验条件和数物协调控制系统为出发点，项目组研发了可结合精细化有限元的多子结构混合试验新技术，提出了多自由度力-位移混合加载算法并建立了模块化空间加载装置，准确复现了多种类型高层建筑的震损演化全过程，系列化试验研究揭示了构件层次的局部损伤机理，提出了多尺度数值模型可准确、高效地获取高层建筑在地震作用下的关键性能，系统揭示了构件局部传力机制和震损演化模式，研发了适用于非结构构件的宽频带楼层谱高精度复现技术，揭示了构件-子结构-整体结构三尺度的强震损伤迁移机制和整体失效模式。（2）为解决高层建筑结构“薄弱层”集中失效、甚至倒塌的难题，以挖掘主体结构抗侧力体系的抗力冗余为出发点，项目组从整体控制的角度出发，提出了以自主研发的高性能双钢板-混凝土组合墙为核心构件的整体结构变形约束体系，利用具有竖向连续大刚度的墙式构件协调层间不均匀变形，充分发挥结构各层的抗侧力性能，可应对设计不确定性引起的性能偏差，建立了针对该体系的多级性能目标减震设计方法，实现了主体结构-减震子结构-连接的一体化设计，为高层建筑“薄弱层”性能控制提供了新方法。（3）为解决高层建筑震后剪切破坏严重、难以修复的难题，以提升消能减震构件和装置适应多水准地震作用需求的能力为出发点，项目组率先提出了弯-剪解耦设计理念，研发了可实现弯剪分离理念的塑性铰支墙和钢桁架连梁，显著降低了脆性剪切破坏模式的发生概率，发明了基于J2应力线理论的形状优化金属阻尼器和腋撑型承载耗能支撑，极限变形能力和耗能能力大幅提升，研发了新型损伤可控填充墙和外围护墙，建立了主体结构与围护结构分离变形体系和协同减震体系，有效降低了非结构墙体的损伤程度，为目标结构与非结构的损伤控制提供了可靠的技术手段。4 总结与展望面向高层建筑地震损伤有效控制难题，项目组历经近十年技术攻关，取得了一系列成果，累计发表SCI论文32篇、EI论文36篇、核心期刊论文23篇、会议论文1篇，授权发明专利10项、实用新型专利21项、软件著作权2项，主编/参编规范、标准1部，出版专著1部。此外，项目组在高层建筑“地震致损机理”剖析、“可控减震体系”创新和“高效消能构件”研发方面的研究成果，可有效提升我国高层建筑的抗震能力，提高建筑震后可恢复能力，最大限度控制地震灾害损失，有力保障社会和生态环境的可持续发展。C