丁潔民，吳宏磊，王世玉,3，陳長嘉

(1 同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092；2 同濟大學土木工程學院，上海 200092；3 太原理工大學土木工程學院，太原 030024)

1 我國抗震及組合減隔震概述

1.1 中國地震作用分布

中國地處環(huán)太平洋火山地震帶和歐亞地震帶之間，是世界上地震災害最嚴重的國家之一。中國的地震活動主要分布在五個地區(qū)的23條地震帶上。其中，將7度(0.15g)及其以上地區(qū)稱為高烈度地震區(qū)，我國主要城市在高烈度地震區(qū)的分布比例約為31%(圖1)。可見，中國城市化發(fā)展面臨嚴峻的抗震設防工作。

圖1 中國主要城市在不同烈度區(qū)分布比例

不同抗震設防烈度的代表城市見表1。從表1可以看出，中國高烈度地震區(qū)主要位于西南地區(qū)、西北地區(qū)和中部地區(qū)。位于1～3等級地區(qū)及場地條件差的7度區(qū)的項目(比如上海地區(qū)，場地特征周期Tg=0.9s)對抗震技術有高標準的要求。

中國抗震等級劃分 表1

1.2 抗震結構類型

我國抗震結構主要包括剛性抗震結構、延性抗震結構、消能減震結構及隔震結構四種結構形式[1]，如圖2所示。

圖2 中國主要抗震結構體系

剛性抗震結構采取“硬抗”思路，通過加強結構強度和剛度提升抗震性能，因此需耗費大量建筑材料。延性抗震結構采取“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件”的設計理念，使得結構在地震作用下保持一定的延性，達到“三水準、兩階段”的設計目標。減震、隔震結構是通過在主體結構中設置耗能裝置或隔震裝置，以耗散或隔離輸入結構中的地震能量，從而改善結構的抗震性能。

1.3 減隔震技術分類

常用的減震裝置有金屬阻尼器和黏滯阻尼器[2]，如圖3所示。其中，金屬阻尼器屬于位移相關型阻尼器，在地震往復作用下通過金屬材料屈服時產生的彈塑性滯回變形耗散地震能量，如軟鋼阻尼器和屈曲約束支撐；黏滯阻尼器屬于速度相關型阻尼器，在地震往復作用下利用其黏滯材料的阻尼特性來耗散地震能量，如桿式黏滯阻尼器和黏滯阻尼墻。

圖3 減震裝置

常用的隔震裝置有疊層橡膠支座(圖4(a)，(b))和滑動支座(圖4(c)，(d))，兩者均具有較大的豎向剛度，以便承受巨大的上部結構重量，水平剛度則相對小很多，以隔離輸入結構的地震能量。

圖4 隔震裝置

1.4 組合減隔震技術概述

組合減隔震技術是減隔震技術的一種創(chuàng)新應用形式，主要包括減震組合技術、減震與隔震組合技術兩種。

1.4.1 減震組合技術

減震組合技術[3]是指根據結構的變形特點以及結構抗震性能化設計要求，合理組合應用多種減震裝置，充分發(fā)揮各種減震裝置耗能效果，減小地震作用，改善結構的抗震性能，其分類如圖5所示。

圖5 常用組合減震技術分類示意圖

減震組合技術目前已廣泛應用于許多重大工程中，并取得了良好的抗震效果，比如云南滇池會展中心[3]、西藏某加固改造項目[4]。日建設計東京總部大樓[5]、日本仙石山森大廈[6]等。日建設計東京總部大樓位于日本東京千代田區(qū)坂田橋(圖6)，為框架結構，建筑高度為60m，地下1層，地上14層，總建筑面積為20 581m2。大樓采用黏滯阻尼墻+屈曲約束支撐的組合減震技術，減震裝置及布置如圖7～9所示。黏滯阻尼墻在小震、中震和風荷載作用下發(fā)揮作用，屈曲約束支撐則在中震和大震作用下發(fā)揮作用?；旌蠎脙煞N減震裝置，中震下結構阻尼比可以達到小震下的2倍。大樓在2011年3月11日經歷東日本大地震時，黏滯阻尼墻和屈曲約束支撐有效發(fā)揮了耗能減震作用，大樓主體結構完好無損。日本仙石山森大廈總建筑高度為206.69m，采用黏滯阻尼墻+摩擦阻尼器的組合減震技術，其中黏滯阻尼墻在小震和大震作用下發(fā)揮作用，摩擦阻尼器只在大震作用下發(fā)揮作用。

圖7 黏滯阻尼器

圖8 屈曲約束支撐

圖9 日建設計東京總部大樓減震裝置布置

1.4.2 減震與隔震組合技術

減震與隔震組合技術[7]是指結構在采用隔震技術的基礎上，在隔震層內或隔震層外樓層布置減震裝置以進一步減小地震作用，改善結構抗震性能，其分類如圖10所示。

圖10 常用組合減隔震技術分類示意圖

減震與隔震組合技術應用更為廣泛。江蘇宿遷蘇豪銀座[8]為框架-剪力墻結構，建筑高度為80m，地下2層，地上20層，總建筑面積為67 000m2，建筑效果圖如圖11所示。大樓采用層間隔震+層內減震(黏滯阻尼器)的組合減隔震方案，隔震層內設置天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座和黏滯阻尼器，隔震層位置如圖12所示?；旌蠎脺p震、隔震裝置后，結構自振周期從1.64s延長為3.74s，X向減震系數達0.35，Y向減震系數達0.36，達到地震烈度降低一度的設計目標，減震效果良好。

圖11 江蘇宿遷蘇豪銀座建筑效果圖

圖12 江蘇宿遷蘇豪銀座隔震層位置示意圖

此外，日本東京清水總部大樓[9]采用基礎隔震+層內減震(黏滯阻尼器)設計方案；東京日本橋大樓[10]采用層間隔震+下部結構減震(黏滯阻尼墻)設計方案；日本大阪中之島音樂廳大樓[11]采用層間隔震+上部結構減震(黏滯阻尼器)設計方案，均取得了良好耗能效果。

2 減震組合案例分析

本節(jié)挑選筆者設計的兩個減震組合案例，結合項目特點，簡單介紹組合減震結構的設計思路及方法，并對比分析有無減震裝置情況下結構的耗能能力、減震效果，供工程設計人員參考。

2.1 昆明滇池會展中心S2

2.1.1 工程概況

昆明滇池會展中心S2[12]建筑高度為250m，總建筑面積為13萬m2，其建筑外觀如圖13所示。

圖13 昆明滇池會展中心S2建筑效果圖

昆明滇池會展中心S2采用型鋼混凝土框架+混凝土核心筒+環(huán)帶桁架的結構體系。環(huán)帶桁架布置在22，33，42層，如圖14所示。

圖14 昆明滇池會展中心S2結構體系示意圖

2.1.2 消能減震方案

《云南省隔震減震建筑工程促進規(guī)定》〔云南省人民政府令202號〕要求“抗震設防烈度8度以上區(qū)域內單體建筑面積1 000m2以上的重點設防類、特殊設防類建筑工程應該采用隔震減震技術”，且“采用減震設計時，應使建筑抗震性能明顯提高，罕遇地震作用下減震結構與非減震結構的水平位移之比應小于0.75”。

昆明滇池會展中心S2位于8度(0.2g)高烈度地震區(qū)，應采用消能減震技術改善結構的抗震性能。為達到大震下25%的減震效果，創(chuàng)新地采用4種消能減震裝置：黏滯阻尼伸臂、黏滯阻尼墻、金屬耗能連梁、屈曲約束支撐，如圖15所示。其中，黏滯阻尼伸臂布置在22，33層；黏滯阻尼墻布置在26～40層；金屬耗能連梁X向布置在26～40層，Y向布置在6～19層、31～40層；屈曲約束支撐布置在22，33，42層。

圖15 昆明滇池會展中心S2減震裝置構造示意圖

2.1.3 減震效果

項目中消能裝置數量及發(fā)揮耗能情況如表2所示。其中，黏滯阻尼伸臂和黏滯阻尼墻在小、中、大震作用下均發(fā)生耗能作用；金屬耗能連梁和屈曲約束支撐在小震作用下僅提供剛度，在中、大震作用下進入屈服耗能，保證結構在中、大震作用下的抗震性能；隨著地震烈度的增加，鋼連梁和屈曲約束支撐陸續(xù)參與耗能(圖16)，結構附加阻尼比隨之增大，有效地保證了結構的抗震性能。

消能裝置發(fā)揮耗能工況 表2

圖16 昆明滇池會展中心S2在各地震工況下耗能情況

2.2 上海博物館東館

2.2.1 工程概況

上海博物館東館[13]建筑高度為45m，地下2層，地上6層，總建筑面積為10.4萬m2，平面尺寸為105m×182m，其建筑外觀如圖17所示。

圖17 上海博物館東館建筑效果圖

基于博物館建筑的特點，初步階段提出采用“型鋼混凝土柱+鋼梁+鋼支撐”的剛性結構體系，滿足靈活的建筑布置，典型結構平面布置如圖18所示。

圖18 剛性結構方案典型結構平面布置

2.2.2 消能減震方案

項目具有以下特點：1)上海博物館東館為特大型博物館，設計使用年限為100年，地震作用需放大1.3～1.4倍；2)博物館館藏文物珍貴，應采用有效措施保護藏品在地震作用下不受損壞；3)博物館內部空間豐富，結構存在多處無柱大空間，豎向貫通柱較少，角部存在大跨度空間及大懸挑桁架。

為保證結構在地震作用下具備良好的抗震性能，考慮引入減震技術，形成“型鋼混凝土柱+鋼梁+黏滯阻尼墻+屈曲約束支撐”的組合減震結構體系，其中黏滯阻尼墻在小、中、大震作用下均發(fā)揮耗能作用，耗散地震能量，減小主體結構所受地震作用；屈曲約束支撐在小、中震作用下提供剛度，保證結構側向剛度需求，在大震下屈服耗能。通過黏滯阻尼墻與屈曲約束支撐的組合使用，保證結構具有足夠的整體剛度以及良好的耗能機制。消能減震方案結構典型平面布置如圖19所示。

圖19 消能減震方案典型結構平面布置

消能減震方案在剛性結構體系的基礎上，將抗側鋼支撐替換為屈曲約束支撐，并結合建筑功能設計，在合適位置增設黏滯阻尼墻。

2.2.3 減震效果

表3所示為抗震結構與減震結構對比分析結果，與“型鋼混凝土柱+鋼梁+鋼支撐”抗震結構體系相比，消能減震方案具有明顯的優(yōu)勢，主要表現在以下方面。

抗震結構與減震結構對比 表3

(1)基底剪力

設置黏滯阻尼墻和屈曲約束支撐后，基底剪力降低約20%。

(2)周期與阻尼比

消能減震方案周期較剛性方案有一定程度的增大，同時多遇地震結構阻尼比由4%提高到6.3%。

(3)結構耗能

消能減震方案的結構耗能能力顯著增強，且大震下減震裝置耗能約占一半，能有效減輕結構構件的損傷。圖20為小、中、大震情況下結構耗能情況。

圖20 上海博物館東館在各地震工況下的耗能情況

3 減震與隔震組合技術案例分析

選擇筆者設計的2個減震與隔震組合案例，結合項目特點，簡單介紹減隔震組合結構的設計思路，并對比分析有無減隔震裝置情況下結構的自振周期、減震效率和耗能能力，以供工程設計人員進行參考。

3.1 喀什農商銀行總部大樓

3.1.1 工程概況

喀什農商銀行總部大樓[14]一期建筑高度為86m，地下1層，地上19層，總建筑面積為3.5萬m2，裙房與主塔樓設縫脫開，其建筑外觀如圖21所示。項目主塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，如圖22所示。

圖21 喀什農商銀行總部大樓建筑效果圖

圖22 喀什農商銀行總部大樓結構體系

3.1.2 減震與隔震組合方案

喀什農商銀行總部大樓的結構設計特點：1)項目擬建地區(qū)抗震設防烈度為8度(0.3g)，屬于高烈度地震區(qū)，結構抗震性能要求高；2)建筑立面要求盡量通透，不能設置周邊剪力墻。

因此考慮采用隔震技術，同時在隔震層設置黏滯阻尼器，以減小上部結構的地震作用，保證上部結構具有良好的抗震性能，實現上部結構降一度的設計目標。

隔震層位于地下室底板以下，基礎頂板以上。隔震層共布置隔震支座34個(鉛芯橡膠支座(LRB)23個、天然橡膠支座(LNR)11個)，黏滯阻尼器(VFD)16個，布置如圖23，24所示。

圖23 隔震支座平面布置

圖24 隔震層三維示意圖

3.1.3 減震與隔震組合效果

(1)周期

有無隔震裝置的結構周期對比如表4所示，隔震方案通過設置隔震層，將結構周期延長2.5倍左右，進而有效降低了地震作用。

有無隔震裝置的結構周期對比 表4

(2)減震系數

經過計算，設防地震下層剪力最大減震系數為0.34，層傾覆力矩最大減震系數為0.35，均小于《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[15](簡稱抗震規(guī)范)規(guī)定的0.38(設置阻尼器)，按照抗震規(guī)范規(guī)定可按降一度進行設計。

(3)結構耗能

隔震層各部分在罕遇地震下能量耗散情況如圖25所示。罕遇地震作用下能量時程分析結果表明，隔震支座耗能占比63%，阻尼器耗能占比9%，隔震層總耗能占結構整體耗能的72%，大大減小了輸入到上部結構的地震能量。

圖25 罕遇地震下能量耗散情況

3.2 西安絲路國際會議中心

3.2.1 工程概況

西安絲路國際會議中心[16]建筑高度為60m，地下2層，地上3層，總建筑面積為20.7萬m2，其建筑外觀如圖26所示。

圖26 西安絲路國際會議中心建筑效果圖

塔樓上部結構采用巨型鋼框架結構體系。巨型柱由20個豎向支撐筒體構成，巨型梁由4m高的鋼桁架樓蓋和4.5m高的鋼桁架屋蓋構成，如圖27，28所示。

圖27 整體結構剖面圖

圖28 豎向交通筒(20個)

3.2.2 組合隔震方案

西安絲路國際會議中心的結構設計特點：1)項目位于8度(0.2g)高烈度地震區(qū)，結構抗震性能要求高；2)結構采用巨型鋼框架結構體系，建筑存在較多大跨、大懸挑空間，需采用有效措施保證巨型框架的抗震性能；3)結構跨度大，樓面荷載重，重力荷載對構件尺寸影響較大，同時整體結構高寬比很小(0.32)，因此導致上部結構水平剛度較大。

基于以上項目特點，采用地下室一層柱頂隔震方案。隔震層混合使用天然橡膠支座+鉛芯橡膠支座+滑板支座+黏滯阻尼器，上部結構實現降一度設計目標，大幅減小巨型框架所受地震作用。

隔震層共布置鉛芯橡膠支座(LRB)74個、天然橡膠支座(LNR)96個、滑板支座(SB)356個、黏滯阻尼器(VFD)32個，具體布置如圖29所示。

圖29 隔震支座平面布置

3.2.3 組合隔震效果

(1)周期

有無隔震裝置的結構周期對比如表5所示，隔震結構周期較非隔震結構延長了3.7～4.2倍，有利于結構遠離場地特征周期，減小地震作用。

有無隔震裝置的結構周期對比 表5

(2)減震系數

經過計算，設防地震下層剪力最大減震系數為0.35，層傾覆力矩最大減震系數為0.35，均小于抗震規(guī)范規(guī)定的0.38(設置阻尼器)，按照抗震規(guī)范規(guī)定可按降一度進行設計。

(3)結構耗能

隔震層各部分在罕遇地震下能量耗散情況如圖30所示，罕遇地震作用下能量時程分析結果表明，輸入給隔震結構的地震能量大部分由隔震支座和阻尼器耗散，其中隔震支座耗能占比68%，阻尼器耗能占比17%，隔震層總耗能占結構整體耗能的85%，大大減小了輸入到上部結構的地震能量。

圖30 罕遇地震下能量耗散情況

4 結論與展望

(1)中國高烈度地震區(qū)分布廣泛，且中國城市化發(fā)展迅速，必須采用有效的抗震措施，提高建筑的抗震性能以及使用品質。

(2)減隔震技術已經成熟并廣泛應用于建筑結構(高層建筑、大跨度建筑等)中，可有效降低地震作用，改善結構的抗震性能。

(3)通過2個減震組合技術應用案例和2個減震與隔震組合技術應用案例可以看出，根據項目特點，合理地組合、運用減震與隔震技術，可進一步提高建筑的結構性能，實現“適用、經濟、綠色、美觀”的八字建筑方針。減隔震技術組合應用必將成為抗震設計發(fā)展的一種趨勢。