减震技术丨日本超高层建筑结构抗震及减隔震技术发展现状和应用实例

1   日本抗震设计发展的过程及现状

　　在1923年关东7.9级大地震发生的第二年，城市建造法增加了水平震度为0.1的规定，同时对木结构、混凝土结构和钢结构增加了相应的构造要求，强化了在水平地震作用下结构刚度及强度的保证。1950年日本提出与短期容许应力强度相适应的水平震度，在16m以下为0.2，16m以上建筑高度每增加4m震度增加0.01，建筑限高为31m。1964年突破了31m之后又集中建造了50层左右的新宿高层建筑群，这是在经济大发展而抗震设计理论不完备情况下的实践。1978年宫城県冲大地震之后，于1981年公布了新抗震设计法，提出抗震设计二阶段目标。1981年的新抗震设计法是20世纪日本结构抗震技术发展的重新起草，此后建造的建筑，在1995年兵库県南部7.3级地震中损害较少。

　　近十年来，组合构件及高强度钢材、混凝土在工程中的运用进一步提高了高层建筑的建造水平。有日本资深专家认为，由20世纪初到现今，日本关于结构抗震技术的发展经历四次“刚”、“柔”之争。“刚”是指在近半个多世纪中，一直占主导的抗震设计的基本思路，即满足重力荷载的结构再附加上对地震作用的抵抗能力，需要加大结构的刚度及强度来实现，也就是在确定了水平震度为0.1之后（关东大地震后），强化以“刚性结构”作为设计目标；“柔”主要是指将提高建筑物吸收能量的能力，作为建筑结构必备条件，使其基本强度和为吸收能量所需的变形能力均得到保证，但利用承受重力荷载的结构骨架来确保结构所需的强度和能量吸收能力显然是不合理，而隔震减震技术是解脱承重结构的负担，实现抗震结构的合理化目标的体现。如今，“柔”的设计理念逐步成为日本高层建筑抗震设计的主流。

　　在2011年3月11日发生的9.0级东日本大地震中，不仅在震中附近的仙台而且在较远的东京、名古屋和大阪等大城市的超高层建筑也发生了大振幅和长时间的摇动，地震动持续时间300s左右，超高层长周期结构则可能出现了以前没有预想到的共振问题。大城市的超高层建筑设计时并没考虑长周期地震动，超高层建筑受到长时间、大幅度的摇摆可能导致其结构体或非结构体与设备受损。目前日本已对长周期地震动的应对方法进行了大量的研究，尤其是对现有超高层建筑受长周期地震动时的加固对策，例如设置新的减震器可使建筑物减小变形，但新设的减震器对现有结构（柱、梁、基础）产生反力，为此正在研究采用新型的对既有结构不产生影响的减震器。

2  超高层建筑建造中新技术的运用实例

2.1 实例一

　　工程为地上23层，地下3层，高138m，长×宽为131m×31.5m，东侧为131×24.3m的办公空间，西侧131m×7.2m主要为电梯、设备间等。平面、剖面见图1，大空间办公区内部见图2。屋顶雨水流入东侧的百叶板内，通过雨水和风对周围进行冷却（“生物皮”），使雨水流动的能源来自太阳能，东外侧有不锈钢拉杆组成的张力结构支撑“生物皮”，见图3。

图1 结构平剖面图

图2 办公区大空间内部

图3 建筑外观

　　结构为隔震结构，隔震层由积层橡胶隔震支座（φ1100~φ1500）、油压阻尼器以及钢阻尼器构成。由于建筑平面为超长的板状结构，台风的风荷载要比隔震、减震后的地震作用大，对受风荷载影响较大的短边方向（南、北方向）的油压阻尼器设有用电磁阀控制液压流动的锁定机构（图4），通过风速计、加速度计和变位计对相应参数进行控制，当发生强风时油压阻尼器锁定，从而降低各抗震层的振动和钢阻尼器的累积塑性变形。当检测到一定强度的地震时，锁定将解除，而成为地震优先控制模式，通过与钢阻尼器的有效组合，可使锁定时的结构刚度能很好地适应风或地震的响应，使效果与费用达到最佳。对于外侧核芯筒的悬臂结构，为降低中柱的轴向力，在超过7m的悬臂前端，采用粘弹性支撑构件与柱顶连接，以降低垂直振动和相对变形。对短边（南、北方向）外墙设置V形粘弹性阻尼支撑（图5）构件，提高结构的耗能性能。

图4 可控油压阻尼器

图5 V形粘弹性阻尼支撑

2.2 实例二

　　工程为地上60层，地下5层，总高度为300m，建筑平面尺寸：低层（商业）为71m×80m，中间层（办公、博物馆）为71m×59m，高层（酒店）为71m×29m，图6为建筑剖面示意图。结构设计考虑满足以下要求：1）很大的轴向力；2）控制变形；3）预测可能发生特大地震时的应对措施；4）强风作用下居住的舒适度；5）施工合理性。底层、中层、高层之间的分界处设有连通的转换桁架，并在办公楼的中间层设伸臂桁架（图6）。低层部分四角均衡的设置油压阻尼器及摩擦阻尼器（图7）；中层部分的中央结构周边沿X方向（平面的长边向）设波纹钢板阻尼墙（图8），沿Y方向（平面的短边向）设钢骨抗震支撑；在高层部分，在各房间墙内Y方向设钢骨抗震支撑。

图6 结构剖面图

图7 回转摩擦阻尼器

图8 波纹钢板阻尼墙

　　抗震设计要求如下：（1）地震作用的考虑；（2）结构构件设计性能要求；（3）对于耗能减震构件的性能要求；（4）除规范规定的地震力外，还考虑以下特殊情况：1）对于本地活断层产生的地震动计算，地震起始点不仅考虑距建筑物较近的位置，也考虑了其他位置对模拟地震动的影响；2）当作为本地区地震波的主要地震动周期成分与建筑物的第1~3阶固有周期基本一致时，分析其影响；3）在各种减震构件无法按照设计发挥耗能性能时，要进行地震作用的分析。

　　新技术的采用：（1）低层部分布置的油压阻尼器及摩擦阻尼器在地震的任何阶段都可以发挥作用。中层部分波纹钢板阻尼墙也是一种很有效的减震构件，在波纹方向可以自由伸缩，波纹垂直方向可抵抗水平力，而板间连接构件可以起减震耗能作用。高层部分的结构周边设油压阻尼器可使高层部分层间变形减小10%，其顶部布置调谐质量阻尼器（图9），右侧为常规的吊摆与倒立摆组合的被动质量减震器（AMD），左侧为主动控制的调谐质量阻尼器（ATDM），可将强风时的加速度控制在3gal以内。（2）高强度钢管混凝土柱（CFT）采用C150级的高强混凝土和590级（屈服点440N/min）的高强钢材，进行了防火及混凝土填充性的确认试验。（3）CFT柱与大梁的连接节点采用分割型外加劲肋；高强螺栓连接板表面用热喷涂铝，以提高其摩擦系数，该连接面对于浸水损伤及油污的影响具有较好的稳定性。

（a）高层部分阻尼器布置

（b）调谐质量阻尼器的布置

图9 阻尼器布置

2.3 实例三

　　工程的总建筑面积24.4万m2，地上52层，地下5层，总高247m，标准层平面为85m×61m，标准层平面见图10。6~35层为办公区，36~46层为住宅区，47层以上酒店，本工程目前在施工，预计2014年完工。

地上高层部分是以钢结构为主并设置抗震装置的框架结构，大型雨篷为钢结构，地下为钢骨、钢骨混凝土及钢筋混凝土结构，地铁涵洞上部顶板是1m厚的预应力板。在核心筒内设置耗能构件，采用了516个油压阻尼器、448个屈服约束支撑、620个摩擦阻尼器共三种阻尼器组合（图11），采用耗能减震装置与不采用耗能减震装置的抗震设计相比，前者层间位移减小了50%，保证了高抗震性能。地铁从建筑的地下2层所设的独立的涵洞中穿过，在涵洞底板以下设置聚氨酯减震器与建筑物主体隔绝（图12），以控制地铁振动对建筑物的影响。

图10 标准层平面图

图11 抗震装置的布置及转换桁架

图12 地铁涵洞及地下结构

2.4 实例四

　　工程为地上38层，地下6层，并有3层塔楼，总高199.75m，总建筑面积19.8万m2。项目地下为混凝土结构，地上为钢结构，采用CFT柱，核心部分设置减震构件，形成具有抗震支撑的框架结构，阻尼器采用了油压阻尼器及低屈服点钢材（LY225）的屈曲约束支撑，可有效地吸收地震能量。转换柱采用巨型转换桁架的形式。在楼顶设置了抗风的主动调谐质量阻尼器（ATDM），结构剖面图见图13。

建筑设计要求在1层建造3600m2的绿化区，地铁中央大厅还需要大型空间，因此建筑底部的大跨需要超高强CFT柱来支承（图14），本工程局部采用的780N/mm2级的钢材与C150级混凝土的临界应变相近，可最大限度地发挥高强度材料优化组合。

图13 结构剖面图

图14 超高强CFT柱的应用范围

2.5 实例五

　　工程为地上54层钢结构，地下4层钢骨混凝土结构，建筑面积为18万m2，基本周期长边为5.2s，短边为6.2s（图15），于20世纪70年代按抗震设计（即中国目前的设计方法）进行的设计，因考虑长周期地震动的影响需要进行抗震加固改造，在16~39层每层长边设置4个、短边设置8个，共288个高性能位移型油阻尼器（图16）。在2011年3·11大地震中的记录表明，增设阻尼器后结构的阻尼比由原来的1.3%增到2.7%，顶部位移从69.8cm降到54.2cm，降低了22%。该结构在142gal输入地震动的作用下，即使安装了288个油阻尼器，其阻尼比也只有2.7%。

图15 建筑物照片

图16 标准层平面及剖面图

2.6 实例六

　　近10年来，日本高层建筑很多采用预制混凝土结构，主要得益于高强混凝土和钢筋等新材料的研制及梁柱节点连接及焊接技术的提高。工程地上47层，地下4层，总高度为206.69m，平面为50.4m×50.4m，办公层的构架组合平面见图17。项目为由预制钢筋混凝土柱、梁以及钢梁构成的混合结构，仅内筒外框间跨度较大的梁采用钢梁，钢梁与混凝土柱的连接见图18。预制混凝土构件采用了C150级混凝土及屈服强度685N级的纵筋和785N级的高强约束钢筋。核心筒中采用了粘滞阻尼墙和滞回型阻尼墙（摩擦阻尼器），现场布置情况见图19。摩擦阻尼器是应用汽车底盘的制动装置在一定荷载下滑动，将建筑物的振动能量转换成摩擦热，以降低建筑物的地震响应及损伤，可以反复使用并无需维护，构造情况见图20。

图17 办公层的构架组合平面图

图18 混凝土柱及钢梁的连接构造

图19 摩擦阻尼器（耗能阻尼墙）

图20 摩擦阻尼器的结构

2.7 实例七

　　工程为一栋5层、平面为133m×23m的办公楼（图21），采用了1000N级高强度钢材作一部分底层柱子。1000N级钢材是目前世界强度最高的钢材，抗拉强度是950N/mm2，本工程是首次在实际中应用1000N级钢材的项目。工程1层采用1000N级钢柱，并设置由减震支撑组成的减震支撑结构（图22），地震能量基本可以全部由减震支撑结构吸收，大震时2层以上的结构也可以保持弹性状态。为使1000N级钢柱在超过预估的地震作用下也保持弹性，在柱脚设置了球面支座和托架，并设有起动装置，防止钢柱发生屈服。

图21 框架结构立体图

图22 柱基座详图

2.8 实例八

　　项目为地上54层，地下1层，塔楼2层，高190m、长42.7m、宽39m，高宽比4.51，为钢筋混凝土结构，是目前世界最高的隔震建筑。结构为基础隔震结构，隔震层由外周铅芯橡胶支座、内部弹性滑板支座及油压阻尼器构成（图23）。

外周配置的铅芯橡胶支座可以增加隔震层的扭转刚度，弹性滑板支座可以有效延长隔震周期，在水准二罕遇地震作用下剪应变为250%时，短边和长边方向隔震周期分别达8.33s和8.02s。铅芯橡胶支座和油阻尼器可以减少风荷载的影响。地上部分结构采用高强混凝土（Fc36～100N/mm2）纯框架结构，最大限度地配合了建筑设计的要求。楼板采用半预制半现浇的合成楼板，满足抗噪声要求。

在水准二罕遇地震作用下，隔震层吸收约70%的地震输入能量。其中铅芯橡胶支座和油阻尼器吸收约40%~60%，弹性滑移支座吸收约20%~30%结构为超高层结构，受风荷载影响比较大。在水准二风荷载作用下，隔震层顺风方向变形约139.8mm，垂直风方向变形约为39.7mm，矢量方向变形则为145.3mm，均在隔震装置的规定变形以内。

图23 隔震支座的布置图（每个柱子一个隔震支座）

 

更多内容详见2014年第5期《建筑结构.减震技术》杂志文章：《日本超高层建筑结构抗震新技术发展现状及思考》，作者：崔鸿超（上海中巍结构设计事务所有限公司）。