抗震阻尼器在墨西哥TorreMayor高层建筑中的应用.pdf

钢结构 年第期第 卷总第 期抗震阻尼器在墨西哥 高层建筑中的应用陈永祁高正 博阳（北京奇太振控科技发展有限公司，北京 ）摘要：还没有全部完工开放就遭遇 年强烈地震考验的 层 高的高层钢结构 墨西哥 大楼，经受了此次地震的考验。作为世界上首批采用阻尼器抗震的高层建筑，采用了全新的设计理念、先进的优化、构造和安装技术、成功的抗震手段，其设计理念和计算方法都为世界地震工程界开创了一个值得学习的先例。最后提出了一点看法，希望引起进一步讨论。关键词：巨型跨层支撑；临界阻尼比；土壤和结构的相互作用；延性设计 （，）：，：；第一作者：陈永祁，男，年出生，博士，高级工程师。：收稿日期：概述 年世界著名的墨西哥 级强烈地震完全破坏了墨西哥市。从 年起耗资 亿美元在墨西哥开始重建 层 高的 办公大厦（图）。年月 号，墨西哥 州沿海地区遭受了 级的大地震。这次强地震给处于断层附近的墨西哥市再次带来巨大的破坏。超过 幢居民建筑以及 幢商业建筑受到破坏。其中，超过 个建筑被完全毁坏。地震工程界的奇迹是，在地震发生时 的强列震动过程中，刚对外开放使用了 层的 大楼震感强度要比楼外的其他建筑小很多。大量运用的液体阻尼器作为大楼抗震结构的最重要部分，成功地起到了耗能减震作用，将结构反应保持在了弹性范围内。由此，大楼已成为整个拉丁美洲、甚至世界阻尼器抗震的标志性建筑。实际上，本建筑成为将阻尼器作用在高层建筑上的先驱设计者采用了很多值得世界地震工程领域密切关注、并且至今还在继续讨论的设计理念和计算 方 法。大 楼 的 设 计 遵 循 墨 西 哥 市 设 计 规 范（），它的抗震措施是世界最严格的。设计还要求符合美国统一建筑规范（）和加利福尼亚州北岭地震后更新的 措施。图墨西哥 大厦建筑结构分析这座墨西哥以及拉丁美洲最高的建筑，地下层、地上层均为停车场。层为办公用房。工程设计 （），层塔楼屋顶上设置了直升飞机降落场地。该建筑水平断面从 起向上递减，层减为 。在 层以上塔楼的标准层，减小至 。基础该建筑位于墨西哥市的松软堆积土上。设计的基础由沉箱和钢筋混凝土底板系统构成（图）。直径达 的沉箱坐落在 深的“深度沉积”岩石层上。沉箱上设置厚度为 不等的混凝土基础板块。的钢筋混凝土基础墙坐落在该板块上。考虑到最严重的地震环境，该设计采用了较保守的基础设计。图 大楼基础平面 结构系统图所示的该大楼结构是以钢结构为主的结构体系。外围 层以下的钢柱和结构内层 层以下钢柱均由钢筋混凝土外包，以加强其受力性能和防火能力。设备层以及屋顶层除外，典型的楼层是由 厚的压型钢楼板和表面 的钢筋混凝土复合而成。这个项目有一个层的地下停车库，最深达。一个钢筋混凝土的楼板系统和外包混凝土的钢柱系统被用于地下结构中。建筑水平抗侧系统作为主要考虑强烈地震作用的建筑水平抗侧系统，应用了一系列特殊的结构保护理念。参考对比了墨西哥市承受强烈地震情况下每一种建筑结构的优点。最初设计时，对超过 个不同的结构系统进行分析和研究。最终，选用了多重保护的系统。在使用了被世界抗震界广泛认可、建议的“筒中筒”概念的基础上施加了抗震耗能阻尼器。将传统的侧力抵抗“二重”系统进一步提升为“三重”系统。该“三重”系统由塔楼外围的柱和巨型跨层支撑形成一个图施工中的钢结构（部分钢筋混凝土外包柱）“外层筒”；由内部框架形成钢结构“内筒”；外筒和内筒间共设置的 个大型阻尼器就像肌肉一样把双筒框架的骨骼有效地连接起来共同工作，形成第三重抗侧体系。考虑阻尼器所选用的型号、性能和安置位置，最后确定为，在南北方向上，采用 个阻尼器并按对角跨层支撑的形式设置在核心结构的层间（图）。在南北两平面的东西方向上 个超大阻尼器被用作外围巨型跨层支撑系统的一部分（图）。从计算分析中看出，经过优化布置和使用后的阻尼器起到了很好的减震作用。该系统申报了美国专利，受到肯定。图室内跨层支撑从设计计算还可以看出，在结构系统中的附加阻尼设施还极为有效地减少了地震运动对建筑结构附属结构的破坏。如建筑上的装饰部分、玻璃幕墙、女儿墙；大楼内部的所有暖气、空调和机械设备及管道。阻尼器吸收了部分振动能量，减小了大楼（包括层间）的振动。当然，也就降低了附属结构的振动和承受的地震力。陈永祁，等：抗震阻尼器在墨西哥 高层建筑中的应用钢结构 年第期第 卷总第 期图巨型 支撑附加阻尼器在地震中不但能保护结构不被破坏，自身也不会损害的耗能阻尼器，由于不以结构破坏为代价的延性抗震设计基础，在未来地震中显示了巨大优越性。附加阻尼比在设计阶段，人们开始研究是否在该建筑结构上设置附加阻尼系统，并确定阻尼器的数量、布置和作用。例如，设计者研究了在里氏 级地震（传统断层上的地震）下，塔楼在有和没有附加阻尼系统情况下的振动程度。在研究对比多种阻尼系统后，公司生产的液体黏滞阻尼器最终被选作该项目的阻尼系统。施加了黏滞阻尼器的结构，在原钢结构临界阻尼比的基础上再加上阻尼器的附加阻尼比，将结构南北向最后的结构阻尼比提高到 ，而东西向提高到 。这里采用了对比结构反应来确定等效临界阻尼比。在一个加设了阻尼器的模型和一组不同阻尼比的模型上分别施加同样的脉冲时程荷载，对结构的反应（如结构位移）进行对比，找出最接近加了阻尼器的某阻尼比的结构反应，用这种等效对比的办法确定有阻尼器结构的阻尼比。这种方法显然比用其他方法计算出的阻尼比更加可靠、安全，也可以更全面地观察出该结构的地震反应。土壤、建筑相互作用这栋建 筑 坐 落 于 由 墨 西 哥 市 建 筑 设 计 规 范（）定义的类地震区内，位于类地震区和类之间。类地震区是松软土的堆积层，墨西哥市建筑规范中将其列为最严重的地震带。该场地环境的谱分析和土壤结构相互作用的分析是在墨西哥国立大学内完成的，并提供出了更准确的反应谱，该场地反应谱可以反映场地土的卓越周期及土壤与建筑的相互作用。对比普通规范反应谱，此处所说的场地谱则是建立在土壤与结构相互作用基础上的。该场地反应谱的获得需要考虑地壳表面地基土壤的影响，同时还要参照规范反应谱，并考虑附加了阻尼器后的临界阻尼比，如 或 ，从而得到设计用反应谱。地震分析使用 结构分析软件对该结构系统进行了动力分析，三维计算模型见图。该模型模拟了所有钢梁、外包钢筋混凝土钢柱、复合楼板以及用于时程分析的非线性阻尼单元。分析和设计是建立在运用高阻尼设计反应谱的谱分析和输入该场地的地震波进行时程积分的基础之上的。图 结构分析模型为了避免高阻尼反应谱计算结果的不均匀性，在产生场地反应谱的同时，还需运用合成地震波的 程序产生符合场地环境的个地震时程，并输入程序进行独立的时程计算。计算出的所有杆件的受力也用来对比分析。取谱分析和时程分析两种方法得到的包络值作为最后杆件截面的设计和核对结果。时程分析可以给出结构不同时刻地震反应的各种实际的组合，比取最大值组合的反应谱方法更接近实际情况。通过分析可知，该结构的设计同时满足了来自反应谱和时程分析的两个计算结果。采用 程序进行动力分析时，对 个振型进行叠加，并运用了 向量方法，可以同时模拟计算所有的杆件和全部的 个非线性阻尼器。其计算结果显示了阻尼器在该结构遭遇地震的动力反应中起到巨大耗能并减少地震反应的作用。抗震设计在反应谱方法和时程分析中，结构的延性系数均取，即在抗震设计中不用延性设计的概念。但工程设计 （），是，在 年墨西哥地震后发现：结构更大的延性对结构避免更严重的破坏甚至延缓倒塌，都起到很好的作用。因此，在该设计中还是采用了一些增加构件和节点延性的设计方法。例如，尽可能采用一些延性较好的建筑材料、增加必要的构件开孔、采用柔性连接和适当地增加搭接长度等有效办法。这些也是墨西哥建筑设计规范中所要求的。虽然，该抗震设计理念中不愿采用以破坏为代价的延性设计，但在强烈地震中，结构一旦超过弹性范围而进入塑性后，上述增加延性的措施还是可以起到二道防线的保护作用。施工阶段的抗震研究考虑到墨西哥的地震频发，该建筑施工的周期较长，设计者还做了一些施工阶段的抗震分析。采用场地地震荷载，研究了当分别施工到第 层和第 层时的施工阶段抗震情况。很显然，这些楼房的周期较完成后的结构周期短，阻尼器还没有安装，不能考虑楼层上的全部质量，这些都与以后的计算不同。因此，就会得到不同的结果，当然也有不同的控制标准。抗风研究该塔楼的模拟风洞试验是在加拿大西安大略大学风洞实验室完成的。按墨西哥建筑设计规范做了风荷载下的抗风分析，以保障建筑在风荷载下的安全和未来人员的舒适度。阻尼器的设计和选用该结构采用液体黏滞阻尼器，计算公式为：（）（）式中：为最大阻尼力；为阻尼系数；为速度指数，常取 ；为阻尼器两端相对速度。与 个超大阻尼器一起构成的结构外围 型巨型跨层支撑系统，设置在该结构的南北两外墙上，这一东西方向上的支撑构造覆盖了塔楼的整个宽度。该系统的两个中间跨上都没有设置支撑，而是用个由对角线形成的菱形（金刚石）结构连接成巨型 系统，在菱形支撑对角点上设置南北立面上的大型阻尼器。从东西向增加 的临界阻尼比可以看出，这一 型巨型支撑加阻尼器系统有效地提升了阻尼系统的减震效果。需要说明的是，附加阻尼器安装长度上的微调是必不可少的，它可以保证阻尼器的正常工作。跨多层布置的阻尼器既能放大单层层间位移的大小，从而放大阻尼器的效应，又能在采用阻尼器数量有限的情况下，确保结构整体均衡减震，是较好的布置形式。结构内设的 个南北向阻尼器也采用了在墨西哥惯用的跨层布置的方法。该结构因支撑距离很长，阻尼器一端铰接，另一端固接，仍可保持阻尼器内弯矩很小。由于墨西哥地震的速度很低，要想使阻尼器很好发挥作用，阻尼系数值要取得很大。设计最后确定的阻尼器如图、图所示，参数如表所示。图最大输出阻尼力 的大型阻尼器图 提供的两种阻尼器表 选用的阻尼器阻尼器最大输出阻尼力 最大冲程阻尼系数（）速度指数个数布置 南北外墙巨型支撑 内部对角跨层经济效果 在美国工程师杂志上介绍墨西哥市长大楼的设计和施工时，介绍了该工程施加阻尼器一次性投资的经济问题。该大楼采用了 个大输出阻尼力阻尼器，耗资 万美元建造了一座远比常规设计更安全的建筑。在这样一个安全的建筑上，设计者的目标是当严重地震来临时，大大减少楼内人员的恐惧甚至惊慌失措地跳楼。然而，这些看起陈永祁，等：抗震阻尼器在墨西哥 高层建筑中的应用钢结构 年第期第 卷总第 期来多花的钱至少可以被工程上的其他方面带来的节省而持平。在使用了阻尼器后，该结构与最初的常规设计相比，所 使 用 的 结 构 钢 材 从 减 少 到 ；典型的直径为 ；支撑钢筋混凝土板的基础沉箱，比常规设置深度要浅，长度仅。沉箱长度的减小是因为在分析该沉箱时，使用了高阻尼的场地反应谱。建筑在地震中振动的减少也给其所有建筑装修、附属结构带来很大的好处，从而减少了费用。如，玻璃幕墙搭接长度的减小、暖通和水管搭接长度的减小。对天花板、外墙挂板、设备和装置、计算机甚至家具的振动保护，都使整个建筑成为一个安全的楼房。在使用阻尼器后，该建筑的安全性得到回报，其保险费用减少了。这里仅讨论了一次性投资的经济性，如果考虑抗震效果和长期使用及地震后的维护，对该建筑投资的阻尼器，产生了巨大的节约和结构创新。结论该建筑在美国分别获得了如下奖励：）美国土木工程学会（），土木研究基金（），最优抗震设计奖。）国家结构工程师顾问委员会（）年成就奖。）美国钢结构学会 年 国家奖励。）美国工程公司理事会，纽约白金奖。从该超高层建筑设计中，笔者认为至少有以下几点值得世界地震工程关注；对目前和未来我国超高层结构设计理念、计算方法和实际的设计与施工都非常有益。）整个抗震设计不考虑结构的延性，不以结构的破坏为代价。当然在强震来临时，结构的实际屈服会给建筑更大的安全储备。）充分利用阻尼器给结构增加的附加阻尼比（东西向 ，南北向 ），产生新的设计反应谱，用这个新的反应谱作抗震计算。考虑到阻尼器可能安装的不均衡性和不安全性，再用时程分析找出结构受力。取其两种计算结果的包络值进行结构构件设计。）设计充分考虑了土壤和结构的相互作用，将这一作用的影响全部放到“场地反应谱”中一并考虑，并采用新反应谱进行设计计算。）全部结构采用钢结构筒中筒抗侧向荷载，层以下钢柱外包钢筋混凝土。个黏滞阻尼器安置在外层跨层巨型支撑上；个东西向阻尼器设置在内部层间跨层布置。这种新型阻尼器的布置方法，给设计人员很大启示。）大大提高了整个结构的抗震能力，同时又具有很好经济效益。以上几点，有的在国内设计和规范中还没有考虑、有的理念和方法也有不同之处，值得进一步讨论。需要说明的是，至今没有找到该结构实际计算机分析结果的介绍文章，对文章中某些推测也可能有不准确之处，有待以后更正补充。参考文献 ，：，（）：，：，地震工程与工程振动，（）：陈永祁，曹铁柱液体黏滞阻尼器在盘古大观高层建筑上的抗震应用钢结构，（）：（上接第 页）施工过程的安全。本工程量身设计的临时支撑体系不仅通过了理论计算，满足相关规范要求，经过应力应变及变形实时监测，各项数据均与结构仿真模拟计算结果相符。结语本工程设计的胎架临时支撑体系不仅满足施工需要，还在材料制作和构造上竭力追求经济化、产业化、标准化及工厂化，为其他同类工程提供了参考、借鉴。参考文献 钢结构设计规范郐国雄广州歌剧院钢结构施工胎架设计与搭设施工技术，（增）黄泽栋大型型钢混凝土悬挑墙梁临时支撑体系设计与施工 建筑技术，（）：刘勇贝雷式龙门架设计中的有限元分析钢结构，（）：工程设计