第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 高层建筑减振控制研究及工程应用 吕西林2蒋欢军2 (1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092：2.网济大学结构工程与防灾研究所，上海200092) 摘要：采用减振控制技术是减轻高层建筑风振和地震响应、增强高层建筑在强风和地震作用下的居住舒适性和结构安全性 的有效方法，本文介绍了近年来国内在高层建筑减振控制方面的一些研究进展和工程应用实例.
首先介绍了支撑加阻尼器的 减振技术，支撑一般采用钢结构构件，阻尼器包括黏滞阻尼器、金属屈服阻尼器和黏弹性阻尼器，或者是上述不同阻尼器的 组合.
这类研究和设计方法比较成熟，工程应用较多.
接着，介绍了阻尼墙减振技术，阻尼墙提供的阻尼力大，适应范围广， 安装阻尼墙后建筑的装修也容易实现，但阻尼墙的制造技术复杂，精度要求较高，国内生产厂家很少，工程应用也很少.
然 后，介绍了TMD减振技术.
TMD技术主要用于风振控制，应用较成熟，目前在实际工程中的应用已拓展到了ATMD、电 涡流TMD.
最后，介绍了其他一些新型减报控制技术，包括采用可更换耗能连梁阻尼器减振技术，国内已有5栋高层住宅 应用该技术：飘粒阻尼器减振技术，智利已有1栋高层建筑应用该技术，并经受了大震的考验：非线性能量阱减报技术，目 前已开展了较深入的理论和试验研究，但还没有实际工程的应用.
关键词：高层建筑消能支撑阻尼墙TMD可更换构件颗粒阻尼器非线性能量阱 1引言 高层建筑的减振控制主要包括风荷载作用下的舒适度控制、地震作用下的结构变形控制以及环境振动 引起的结构反应控制等.
在这一领域国际上已开展了30多年的研究工作，也有一定数量的工程应用.
1995 年日本阪神地震以后，隔震和减振控制技术得到了广泛的应用，特别是经过了2011年3月的东日本大地 震的考验，震害证明了采用减振控制的高层建筑表现优异，大大推动了减振控制技术的工程应用，促使日 本的土木工程界形成了共识，目前几乎的新建高层建筑都采用了减振控制技术.
我国在高层建筑领域 的减振控制研究也已有20多年的历史，最近10多年来也有各种工程应用.
本文介绍了国内在高层建筑减 振控制方面的一些研究进展和工程应用实例.
2支撑加阻尼器的减振技术 采用支撑加阻尼器构成消能减振支撑的减振方法近年来在国内有较多研究和应用.
支撑一般采用钢结 构构件，阻尼器包括黏滞阻尼器、金属屈服阻尼器和黏弹性阻尼器，或者是上述不同阻尼器的组合.
吕西 林等提出了一种新型组合式抗震消能支撑川，该装置由铅芯橡胶消能器与油阻尼器并联后再与钢支撑通过 节点板串联后构成，如图1所示.
由于铅芯橡胶消能器与油阻尼器均能提供较大阻尼，前者为变形相关型， 后者为速度相关型，使该装置具有双重消能效果，且铅芯橡胶消能器能提供一定的平面外刚度，可以给油 阻尼器出平面运动限位.
本装置与主体结构的连接简单、施工方便、传力可靠，日后更换简单.
研究人员 系统研究了黏滞阻尼器的抗震消能性能，进行了国产黏滞阻尼器的反复荷载试验，并对安装有该抗震消能 装置的三层钢框架结构模型进行了振动台试验，输入多种地震波对结构进行激励，并与没有安装该装置的 普通结构模型进行对比，验证了所开发的组合抗震消能装置具有很好的消能减震能力.
该消能支撑已在上 海港汇广场（当时国内面积最大的加固改建工程，30万平方米）、上海世博会主题馆（亚洲最大的展馆）、上 海化工研究院办公楼、同济大学土木学院新大楼（国内首次在全钢结构建筑中应用消能减震体系）、汶川地 基金项目：国家白然科学基金重大研究计划集成项目课题（91315301-4），“十二五”国家科技支撑计划课癌（2012BAJ13B02） 作者筒介：吕西林（1955)，男，博士，教授
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 震后多个中小学校舍、医院等的抗震加固、上海市校安工程抗震加固等30多个项目中得到应用，取得了 显著的经济效益和社会效益.
佰芯橡胶消能器 油阻尼器 柱 钢支掉 图1组合式抗震消能支撑 都江堰市天然气公司办公楼于1997年8月设计，总建筑面积5606m²，为钢筋混凝土框架结构，原设 防烈度为7度.
在2008年汶川地震后中房屋结构遭到部分损坏，房屋东西向（纵向）填充墙开裂破坏比 较严重（如图2所示），但主体结构基本完好.
框架梁端出现了细小斜裂缝，楼梯间角柱、楼梯梁、楼梯板 出现了一定程度的破坏.
业主要求对原有结构进行修复和抗震加固，且加固后设防烈度由原来的7度提升 至8度.
为了减少加固工作量，采用消能减震技术进行抗震加固.
经结构计算分析，最终底层采用防屈曲 支撑，2～7层采用上述的组合式抗震消能支撑.
计算表明，原结构地震反应的最大层间位移角发生在2～ 4层，8度小震下纵、横向层间位移角最大值分别为1/504、1/526，8度中震下为1/176、1/184，8度大震 下为1/124、1/94.
增设消能减震装置后，8度小震下结构纵、横向最大层间位移角分别减小为1/861、1/838， 8度中震下为1/313、1/324，8度大震下为1/183、1/161.
8度小、中、大震情况下2~4层的各层层间剪力 分别减少了30%、30%和20%左右.
组合式抗震消能支撑现场安装情况见图3所示.
集能燃气 图2天然气公司办公楼外观 图3组合式抗震消能支撑现场安装情况
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 上海移动通信有限责任公司万荣局是一幢地下一层、地上九层的现浇钢筋混凝土框架-抗震墙结构房 屋，建筑面积约为12000m”.
该房屋原设计为综合通用厂房，业主将其改为移动通信机房和办公用房，建 筑抗震设防类别由丙类变为乙类，使用荷载也发生了变化，楼面荷载由原5kN/m²提高为6kN/m².
由于原 结构平面布置偏心（结构平面布置如图4所示），结构第一振型出现扭转，不满足抗震设计规范要求.
经反 复比较，最终采用带位移型开孔式软钢阻尼器的消能减震支撑调整结构的刚度分布，改变结构的动力特性， 降低结构的地震反应，控制结构的扭转.
根据原结构布置情况，在房屋角部增加消能支撑.
阻尼器安装情 况如图5所示.
和儿幕支伴 图4上海移动万荣局房屋结构平面和阻尼器布置示意图 图5阻尼器现场安装情况 3阻尼墙减振技术 黏滞阻尼墙主要由悬挂在上层楼面的内钢板、固定在下层楼面的两块外钢板、内外钢板之间的高粘度 黏滞液体组成（如图6所示）.
墙板式阻尼器，产品形状类似剪力墙，可以为设置和安装提供方便.
地震 时上下楼层产生相对速度，从而使得上层内钢板在下层外钢板之间的黏滞液体中运动，产生阻尼力.
阻尼 墙内的液体采用阻尼液（烃类高分子材料），材料本身耐久性能高，又不接触空气，使用寿命比建筑物还长.
阻尼墙可以提供较大的阻尼力，随着速度增加，阻尼力增大：其从小位移到大位移都有效，不仅减少位移， 而且可有效减少加速度反应.
阻尼墙的循环性能好，对于持续时间长、循环次数多的地震及持续作用的风 荷载都十分有效.
阻尼墙的单个产品吨位大，集中设置，可减少设置位置，且传力均匀，避免过大的应力 集中，连接构件易于设计.
在工程应用中，黏滞阻尼墙具有如下主要优点：（1）耗能减振效率高，并且对 风振和地震作用均能发挥作用：（2）安装简便，施工误差对耗能减振效果影响小.
其它类型的耗能器由于
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 需要附加支撑，增加了施工难度：并且施工误差会显著降低耗能减振效果：（3）厚度较小，形状规则，安 装后不影响建筑物美观：（4）复位性好，地震后无残余变形：（5）耐久性好，几乎不需要维护.
上层楼面 内钢板 柱 粘滞液体 外钢板 图6阻尼墙的安装和构成示意图 同济大学完成了设有阻尼墙的框架结构的振动台模型试验.
试验模型为一跨、两开间的三层钢筋混凝 土框架结构，采用钢筋细石混凝土制作，试验模型见图7所示.
试验结果表明：在小震作用下，阻尼墙就 发挥了减震效果：在大震作用下，带阻尼墙耗能结构的位移反应比普通结构减小了40%～75%，加速度反 应降低不显著，阻尼墙在大震时的作用更明显（见图8所示）.
图7设有阻尼墙的框架结构振动台模型 with viscous walls without dampers 25 50 10 15 time (s) (a）项层位移反应 0.4 sm snoo 01 without dampers 0.0 0.1 0.2- 0.3 0.4 10 15 20 fme (s) 2 (b)顶层加速度反应 图8模型在El-Centro地震波作用下的反应对比
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 阻尼墙的制造技术复杂，精度要求较高，国内生产厂家很少，目前国内应用也很少，目前已有两个项 目采用了该技术.
唐山万科金御华府项目的2栋32层住宅楼中应用了阻尼墙减振技术.
每栋建筑的总建 筑面积为1.5万平方米，各安装了66个40吨的阻尼墙.
该楼施工时的外观见图9所示，阻尼墙的现场安 装见图10所示.
宿迁恒力水木清华三期项目中也采用了阻尼墙.
其中1栋为26层办公楼，采用了64个 170吨阻尼墙，3栋为公寓式酒店，每栋采用了61个170吨阻尼墙.
图9唐山万科金御华府住宅楼施工时外观 图10阻尼墙的现场安装情况 4TMD减振技术 已有研究表明，结构的阻尼越小时，调谐质量阻尼器（TMD）的控制效果越明显，所以TMD系统特别 适用于阻尼比小（小于0.05）的超高层建筑、高耸塔架和大跨度桥梁的减振控制.
同时TMD对结构风振的控 制效果已经得到理论和工程实例的证实，是非常有效的，控制效果一般在30%以上，最好时能达到50～ 60%.
早在20世纪70年代，关国波士顿60层343.5m高的 John Hancock大楼和纽约 292.6m高的 Citicorp Center大楼就分别安装了数百吨重的TMD装置，有效地控制了结构的风振响应.
台北的101大厦在其顶 部87~92层设置了一个悬吊质量摆形式的TMD，TMD质量为660t，为一直径5.5m的钢球，现场实测结 果表明该TMD系统能减小40%的结构风振响应.
目前对TMD控制结构在地震作用下的研究尚少.已有 研究表明，TMD系统对结构在地震作用下的控制效果不如控制风振作用的效果明显.
主要原因是TMD的 原理是通过调整结构的频率和阻尼来对某一振型进行控制，结构在风荷载作用下的振动主要是以第一振型 为主，但由于地震作用频谱分布的特性（一般为宽带分布）可知，地震作用下高层建筑的响应只考虑一个振 型常常是不够的，可一个TMD只能针对其中某个振型进行调频，这就存在该TMD对其它振型响应的影
