減振高層建筑的極限破壞及性能再生的研究現(xiàn)狀及前景

謝麗宇 唐和生 薛松濤，2，*

(1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092;2.日本東北工業(yè)大學(xué)工學(xué)部建筑學(xué)科，仙臺(tái))

1 引言

高層建筑仍是我國(guó)未來建設(shè)的主要發(fā)展方向，是人多地少的城市朝集約化發(fā)展所不可替代的建筑形式。然而，高層建筑在強(qiáng)震或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下可能發(fā)生安全性或舒適性問題，由于其容納人員眾多、功能多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦出現(xiàn)極限狀態(tài)下的破壞，將導(dǎo)致超出一般建筑的災(zāi)難性后果。目前我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范和方法仍然是以滿足預(yù)期可能發(fā)生的理想狀態(tài)為目標(biāo)，但面對(duì)我國(guó)頻發(fā)、超預(yù)期發(fā)生的重(特)大自然災(zāi)害缺乏充分的應(yīng)對(duì)策略和技術(shù)儲(chǔ)備，當(dāng)前的規(guī)范可能會(huì)對(duì)國(guó)家的防災(zāi)策略帶來重大挑戰(zhàn)。因此，有必要深入研究高層建筑在強(qiáng)震、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等極端災(zāi)害下的極限破壞機(jī)理及控制理論和方法，從戰(zhàn)略角度重新規(guī)劃和制定高層建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范和方法，以確保極端災(zāi)害發(fā)生時(shí)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不致遭到災(zāi)難性打擊。

目前從安全性和舒適度考慮，高層建筑的發(fā)展趨勢(shì)是在結(jié)構(gòu)體系中加裝減振(震)系統(tǒng)，有效控制由地震或風(fēng)振引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震性能。早在1972年，為了控制美國(guó)世貿(mào)大廈的風(fēng)致響應(yīng)舒適度，結(jié)構(gòu)中就已經(jīng)安裝了一萬余個(gè)黏彈性阻尼器;而強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和地震頻發(fā)的日本，現(xiàn)在已經(jīng)擁有4 000棟以上的減振高層建筑，如日本東京新建地標(biāo)Sky Tree，為了最大程度地減少地震響應(yīng)，安裝了大量的油阻尼器。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有減振建筑還不是很多，但發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，新建減振建筑數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，住建部于2014年2月發(fā)文大力推廣減振建筑。目前我國(guó)已建成的減振建筑如上海環(huán)球金融中心，頂部安裝了兩臺(tái)風(fēng)阻尼器;在建的上海中心將要安裝電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器;汶川大地震后，四川新建了大量減振公共建筑。

事實(shí)證明，在現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，減振系統(tǒng)在高層建筑的安全性及舒適度控制方面有著優(yōu)異的表現(xiàn)。但非常遺憾的是，從世界范圍來看，很少有研究考慮過極端荷載作用下減振系統(tǒng)的失效問題和失效后的應(yīng)對(duì)方法，亦沒有考慮過失效以后高層建筑本體結(jié)構(gòu)的性能，以及主災(zāi)害之后結(jié)構(gòu)性能迅速再生的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上，即使沒有受到極端荷載的作用，減振系統(tǒng)作為一個(gè)機(jī)械構(gòu)件，其使用壽命也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑本身的壽命。基于此，在建筑物的有效壽命期內(nèi)，有必要考慮減振系統(tǒng)的失效狀態(tài)極其應(yīng)對(duì)方法。

2011年3月11 日的東日本大地震，導(dǎo)致地震中心仙臺(tái)市內(nèi)一棟建筑的減振系統(tǒng)失效，安裝于一層的油阻尼器全部遭到破壞，同時(shí)另一棟隔震建筑的隔震器也出現(xiàn)了裂縫，這是高層建筑減振系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)首次出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)造成了災(zāi)區(qū)民眾的巨大恐慌，也讓我們必須面對(duì)以下不容回避的問題:減振系統(tǒng)作為一種機(jī)械系統(tǒng)，除了其老化失效以外，在極端災(zāi)害下有可能突然破壞。因此，有必要形成應(yīng)對(duì)此類災(zāi)害的新方法和新思路，包括尋找減振系統(tǒng)的破壞原因，評(píng)價(jià)減振系統(tǒng)損傷后建筑本體結(jié)構(gòu)的性能，同時(shí)研究嶄新的減振結(jié)構(gòu)再生設(shè)計(jì)方法。

2 減振結(jié)構(gòu)的震害案例

2.1 速度型減振阻尼器破壞

薛松濤等首次報(bào)道了[1]日本“3.11”地震對(duì)一棟8層鋼結(jié)構(gòu)的消能減震裝置造成的破壞。這是位于宮城縣仙臺(tái)市東北工業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的一棟行政樓，建于2003 年，高34.2 m、長(zhǎng) 48 m、寬9.6 m，地下1層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上8層為混凝土預(yù)制樓板的鋼結(jié)構(gòu)，第1層和第2層構(gòu)成底部大空間，如圖1(a)所示。該結(jié)構(gòu)在無減振器布置的情況下，已滿足日本對(duì)學(xué)校建筑的抗震規(guī)范要求，但為了驗(yàn)證該大學(xué)自主研發(fā)的一類油阻尼器的抗震性能，同時(shí)也為了提高該棟行政樓的結(jié)構(gòu)抗震性能，在每層的兩個(gè)方向上各安裝了4個(gè)油阻尼器，共安裝了56個(gè)油阻尼器。

該油阻尼器為日本東北工業(yè)大學(xué)的Kawamata和 Funaki等人自主研發(fā)的新型阻尼裝置[2，3]，如圖2所示，由位于中部的一個(gè)缸體和一對(duì)分別位于兩側(cè)的活塞組成。為了降低缸體和活塞之間密封性的加工精度要求，采用了黏彈性材料作為缸體和活塞之間的密封材料，這樣的工藝可以降低阻尼裝置的生產(chǎn)費(fèi)用。當(dāng)油阻尼器受到外力作用時(shí)，缸體和活塞產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，活塞一側(cè)的油腔容積變小，迫使油液經(jīng)節(jié)流孔流向體積增大的另一側(cè)油腔，油液高速通過節(jié)流孔產(chǎn)生很強(qiáng)的湍流效應(yīng)，起到耗散能量的作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該油阻尼器的阻尼恢復(fù)力由密封材料的黏彈性恢復(fù)力和湍流形成的恢復(fù)力兩部分組成，整體呈現(xiàn)出與激振頻率和振幅非線性相關(guān)的特性。

共有兩種尺寸的油阻尼器安裝于該棟行政樓，分別具有不同的節(jié)流孔尺寸和活塞工作行程，1層的油阻尼器工作行程為16 mm，3～8層的油阻尼器工作行程為8 mm。油阻尼器通過U形的固定支座將樓板與活塞頭連接起來，中間部分的缸體與V形斜撐連接，如圖1(c)和1(d)所示。在地震作用下，層間位移使缸體與活塞發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了避免缸體與固定于樓板的支座之間發(fā)生直接的碰撞，另外增設(shè)了活塞的緩沖行程，1層的油阻尼器具有8 mm的緩沖行程，3～8層的油阻尼器為5 mm。

3.11地震造成一層的8組油阻尼器被完全破壞，油液發(fā)生泄漏，如圖1(e)所示。由于強(qiáng)烈的地震作用，位于一層的油阻尼器經(jīng)歷了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其工作行程及緩沖行程范圍的沖擊，致使固定于V形斜撐上的中部缸體與固定阻尼器的U形支座發(fā)生了直接的碰撞，造成了位于地面U形支座的張開以及兩側(cè)活塞的脫落。位于三層、四層油阻尼器的粘彈性密封材料發(fā)生嚴(yán)重的磨損，導(dǎo)致油液的完全泄漏，不能提供阻尼恢復(fù)力，但油阻尼器的機(jī)械構(gòu)件并未發(fā)生任何損傷和塑性變形。除了油阻尼器的受損，該棟結(jié)構(gòu)的其他部分并未發(fā)生任何的結(jié)構(gòu)損傷，在經(jīng)過震后評(píng)估后，重新投入使用。

圖1 位于日本東北工業(yè)大學(xué)的油阻尼器鋼結(jié)構(gòu)

2.2 隔震墊損傷

日本“3.11”地震后，日本隔震協(xié)會(huì)(JSSI)立即成立了振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的調(diào)查委員會(huì)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了震害調(diào)查[4，5]，調(diào)查對(duì)象包括了日本境內(nèi)的327棟隔震結(jié)構(gòu)(60%分布在東京附近，25%位于宮城縣)和130棟消能減震結(jié)構(gòu)。位于宮城縣隔震結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的最大的隔震層位移為41.5 cm，平均值約為20 cm，而在關(guān)東地區(qū)，隔震墊所經(jīng)歷的最大位移是18 cm，平均約為5 cm。根據(jù)日本隔震協(xié)會(huì)(JSSI)2009年的調(diào)查[5]，日本有13%的隔震結(jié)構(gòu)采用了鉛芯隔振墊(lead damper)，共有超過6 000個(gè)鉛芯隔震墊用于實(shí)際的工程應(yīng)用中，但在2011年12月的震后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，有30棟裝配有鉛芯隔振墊的結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)了問題。一些隔震結(jié)構(gòu)的鉛芯隔振墊在“3.11”地震后受到了損傷，出現(xiàn)了裂縫;另有一棟隔震結(jié)構(gòu)的鉛芯隔振墊在“3.11”地震前已有深度為8 mm的裂縫，地震后裂縫深度擴(kuò)展至32 mm。

2.3 非速度型金屬阻尼器損傷

日本隔震協(xié)會(huì)(JSSI)在“3.11”地震的震后調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)了金屬阻尼器(steel dampers)受到了損傷[5]，如金屬阻尼器的殘余變形(圖4(a))，以及用于固定金屬阻尼器的高強(qiáng)螺栓發(fā)生了松動(dòng)(圖4(b))，但在該次調(diào)查中并未在已屈服的金屬阻尼器上發(fā)現(xiàn)裂縫。

位于日本東京工業(yè)大學(xué)的G3棟建筑，在結(jié)構(gòu)和搖擺墻之間采用了軟鋼阻尼器進(jìn)行連接，在“3.11”地震作用下，平均層間位移角約為1/1 900的情況下，一部分軟鋼阻尼器進(jìn)入了屈服狀態(tài)。軟鋼阻尼器正是利用其材料在屈服之后的耗能特性來增加結(jié)構(gòu)阻尼，在地震之后可能已經(jīng)進(jìn)入屈服階段，造成耗能能力的降低，需要在震后進(jìn)行檢查、評(píng)估，確定是否需要進(jìn)行阻尼器的更換。

在正常使用過程中阻尼器也可能因一些原因造成性能上的退化或失效，如黏滯阻尼器可能因?yàn)槁┯偷膯栴}造成性能的下降，黏彈性阻尼器的黏彈性材料與鋼板之間的脫落，摩擦阻尼器接觸面的屬性可能隨著時(shí)間而發(fā)生變化。

圖2 油阻尼器的構(gòu)造和尺寸Fig.2 Dimension of the oil damper.

圖3 鉛芯隔振墊損傷案例[5]Fig.3 dAMAGE CASES of lead dampers[5]

速度型減振器、位移型金屬阻尼器以及隔震墊的損傷案例改變了“結(jié)構(gòu)布置了減振系統(tǒng)就安全無患”的傳統(tǒng)看法，警示我們，無論是突發(fā)極端災(zāi)害作用還是長(zhǎng)期性能退化，減振系統(tǒng)都有可能失效。這對(duì)目前不考慮減振系統(tǒng)性能退化或失效的減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是否妥當(dāng)提出了疑問。

減振建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須回到原點(diǎn)，從建筑初始設(shè)計(jì)開始就需要考慮減振系統(tǒng)的失效問題，研究不同類別減振系統(tǒng)的極限問題，研究不同形式抗震、抗風(fēng)高層建筑結(jié)構(gòu)的極限破壞機(jī)理，探明建筑物在使用壽命內(nèi)抗災(zāi)性能的演化規(guī)律，確立嶄新的災(zāi)后結(jié)構(gòu)性能再生設(shè)計(jì)方法，最終形成適用于工程應(yīng)用的建筑本體結(jié)構(gòu)和減振系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)方法。

3 減振高層建筑的極限狀態(tài)和災(zāi)變機(jī)理研究

3.1 減振系統(tǒng)的極限狀態(tài)

一方面改造加固結(jié)構(gòu)采用了減振器才使結(jié)構(gòu)滿足了抗震性能上的要求，另一方面減振技術(shù)降低新建建筑的抗震需求和位移需求，減少構(gòu)件的尺寸，減輕了構(gòu)件的重量，采用減振器的振動(dòng)控制策略使減振器成為重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。由于它們?cè)谔岣呓Y(jié)構(gòu)抗震性能方面的重要作用，減振器的性能退化和失效會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。

以工程中廣泛采用的黏滯阻尼器為例，許多實(shí)驗(yàn)研究都證實(shí)了黏滯阻尼器具有良好的耗能性能，但通常都是在阻尼器的極限位移(速度)范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試和性能監(jiān)測(cè)，沒有測(cè)試阻尼器在極端荷載條件下的性能。Miyamoto等[6，7]指出了黏滯阻尼器可能的幾種極限狀態(tài):承載力極限狀態(tài)、位移極限狀態(tài)、混合承載力—位移極限狀態(tài)，針對(duì)黏滯阻尼器建立了可以考慮其極限狀態(tài)和失效模式的簡(jiǎn)化模型，并可將該模型應(yīng)用于消能減震結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力分析[8]。用于高層建筑中控制風(fēng)振的黏滯阻尼器，其變形要求通常很小(幾個(gè)毫米)，但卻有很大的阻尼力，這些黏滯阻尼器在高頻微幅風(fēng)振的作用下，可能會(huì)發(fā)生減振器的疲勞問題[9]，但這一方面的研究非常罕見，黏滯阻尼器的疲勞極限狀態(tài)也是需要進(jìn)一步的深入研究。

圖4 金屬阻尼器損傷案例[5]Fig.4 Damage cases of damage of metal damper[5]

隔震墊的鉛芯在常溫環(huán)境下經(jīng)過塑性變形的循環(huán)加載可使鉛的多晶體發(fā)生再結(jié)晶，因此具有良好的耗能性能。隔振結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，隔震墊會(huì)經(jīng)歷微幅而頻繁的往復(fù)位移，而目前尚不清楚風(fēng)荷載的作用是否會(huì)引起鉛芯裂縫的產(chǎn)生，除了隔震墊的位移極限狀態(tài)，疲勞極限狀態(tài)也需展開深入的研究。

減振技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，其產(chǎn)品的研發(fā)應(yīng)用十分活躍，在可預(yù)期的未來，新型減振系統(tǒng)將繼續(xù)涌現(xiàn)，但各類減振系統(tǒng)在極限狀態(tài)下的性能分析仍然需要進(jìn)行大量的研究，以確保在極端災(zāi)害情況下建筑物的安全，并對(duì)減振技術(shù)進(jìn)行完善。各類減振技術(shù)與新型、復(fù)雜、特殊結(jié)構(gòu)的結(jié)合，還需進(jìn)一步探索這些新的減振結(jié)構(gòu)體系在極端荷載作用下的極限狀態(tài)和災(zāi)變機(jī)理。

3.2 減振高層建筑的災(zāi)變機(jī)理

由于存在減振裝置的非線性作用，減振高層建筑的動(dòng)力響應(yīng)也是非線性的。在極端動(dòng)力荷載作用下，減振裝置和結(jié)構(gòu)本身都可能進(jìn)入彈塑性損傷狀態(tài)，甚至發(fā)生局部破壞或整體失效。因此，在減振高層建筑的性能化設(shè)計(jì)中，需要準(zhǔn)確分析不同荷載水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力響應(yīng)，從而對(duì)減振裝置、結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體的彈塑性損傷和非線性變形等建立可靠的量化評(píng)估，這是減振高層結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)與控制的理論基礎(chǔ)。

我國(guó)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范基于“大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐用于減振高層建筑的設(shè)計(jì)與分析面臨諸多挑戰(zhàn):①過于粗略的彈塑性變形分析掩蓋了實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件與被動(dòng)減振保護(hù)系統(tǒng)在強(qiáng)地震作用下的復(fù)雜力學(xué)行為;②未能就結(jié)構(gòu)構(gòu)件和減振保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際極限狀態(tài)給出清晰的界定;③不能體現(xiàn)減振結(jié)構(gòu)體系在被動(dòng)減振保護(hù)系統(tǒng)突然出現(xiàn)極限破壞后的整體抗震性能。因此建立更加科學(xué)、合理的考慮的設(shè)計(jì)方法已勢(shì)在必行。

Kasai等[10，11]在世界最大的振動(dòng)臺(tái) E-Defense上對(duì)一實(shí)比例消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，測(cè)試了安裝5種不同的阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和抗震性能，這些阻尼器包括了黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、金屬阻尼器和摩擦阻尼器。這些試驗(yàn)表明，阻尼器能大量耗散地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，增加數(shù)倍于原有結(jié)構(gòu)的阻尼比，有效地衰減結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度響應(yīng)，降低結(jié)構(gòu)的層間剪力。但這些消能減震結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的研究重點(diǎn)均是在阻尼器正常工作情況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及抗震性能，目前還尚未有考慮阻尼器極限狀態(tài)的消能減震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，也無考慮阻尼器極限狀態(tài)的消能減震結(jié)構(gòu)連續(xù)破壞的研究。

目前從減振結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)來看，存在的主要問題有:減振器本身的力學(xué)性能試驗(yàn)較難真實(shí)反映減振器安裝在整體結(jié)構(gòu)中的受力條件，高層結(jié)構(gòu)的減振振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)較少，足尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)更少，在縮尺模型中減振器本身的縮尺比例帶來的性能誤差尚不明確。因此非常有必要針對(duì)減振結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)開展研究，積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，為減振高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供輔助手段。

4 基于三個(gè)極限狀態(tài)的研究思路

4.1 三個(gè)極限狀態(tài)的提出

減振結(jié)構(gòu)可明確劃分為兩部分，本體結(jié)構(gòu)與減振系統(tǒng)，通過調(diào)整減振系統(tǒng)的耗能比例，可有效地控制本體結(jié)構(gòu)的塑性變形，實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能水準(zhǔn)。本體結(jié)構(gòu)功能部分由若干功能子結(jié)構(gòu)組成，保證結(jié)構(gòu)的各種正常使用功能。減振系統(tǒng)功能部分由減振器組成，其可靠度低于本體部分，在遇大震時(shí)失效破壞，但其破壞不影響結(jié)構(gòu)的主要功能，引起的損失相對(duì)較小，易于迅速修復(fù)以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的正常使用功能。這樣，在各種正常使用荷載及小震等非災(zāi)害荷載作用下，結(jié)構(gòu)主要功能部分和減振系統(tǒng)共同發(fā)揮作用，本體結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能滿足正常使用功能，在大震等災(zāi)害荷載作用下，結(jié)構(gòu)的減振系統(tǒng)開始發(fā)揮分災(zāi)作用，部分減振器顯著進(jìn)入塑性消能階段甚至失效破壞，以保證本體結(jié)構(gòu)部分屈服程度不大甚至于不屈服，從而達(dá)到所要求的建筑物的各項(xiàng)性能指標(biāo)，維護(hù)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的各種正常使用功能。

根據(jù)以上的抗震思想，極端災(zāi)害下減振高層建筑具有三個(gè)極限狀態(tài):高層建筑正常運(yùn)行時(shí)的極限狀態(tài)(有減振系統(tǒng)耦合);減振系統(tǒng)在不同工況下的極限狀態(tài);減振系統(tǒng)失效后的建筑本體結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)(無減振系統(tǒng)耦合)，如圖5所示。根據(jù)前述減振系統(tǒng)的災(zāi)害案例，表明減振系統(tǒng)具有工作極限狀態(tài)，在極端情況下若減振系統(tǒng)完全失效，無法起到任何作用，本體結(jié)構(gòu)具有的極限性能應(yīng)能滿足最低設(shè)防目標(biāo)的要求，以保證結(jié)構(gòu)體系“大震不倒”。在正常情況下，通過調(diào)整、設(shè)定減振系統(tǒng)的抗災(zāi)性能目標(biāo)，可使減振系統(tǒng)耦合的整體結(jié)構(gòu)具有比本體結(jié)構(gòu)更好的抗災(zāi)性能，在極端災(zāi)害作用下，本體結(jié)構(gòu)與減振系統(tǒng)也能協(xié)同工作，進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的理想極限狀態(tài)。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于減振系統(tǒng)和本體結(jié)構(gòu)在正常使用過程中也可能發(fā)生性能退化或經(jīng)歷一些突發(fā)事件，以及災(zāi)害造成的損傷的不確定性，使減振系統(tǒng)和本體結(jié)構(gòu)的損傷模式和失效路徑偏離了預(yù)先設(shè)定的模式，未能達(dá)到原先設(shè)定的性能目標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中，減振結(jié)構(gòu)的災(zāi)變機(jī)理應(yīng)介于本體結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)和耦合結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)之間。另外，在災(zāi)害發(fā)生后，減振系統(tǒng)或本體結(jié)構(gòu)可能生部分損傷，應(yīng)對(duì)災(zāi)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行殘余性能評(píng)估;也應(yīng)該將減振系統(tǒng)具有可替換性、可修復(fù)性的思想貫穿于減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用階段及再生階段的全過程，形成減振結(jié)構(gòu)的一體化初始/再生設(shè)計(jì)方法。

圖5 減振高層建筑的三個(gè)極限狀態(tài)Fig.5 Three limit states of vibration-controlled high-rise buildings

4.2 極端災(zāi)害下減振高層建筑全壽命性能演化過程

高層建筑的性能是指其在抵御災(zāi)變時(shí)能夠表現(xiàn)出的最大保有性能，圖6中縱軸所示的建筑本體結(jié)構(gòu)和減振系統(tǒng)性能的耦合。建筑本體結(jié)構(gòu)性能是指減振建筑去除減振系統(tǒng)后建筑本體結(jié)構(gòu)的保有性能(圓點(diǎn)填充部分);減振系統(tǒng)性能是指建筑結(jié)構(gòu)安裝的減振系統(tǒng)的自有性能(斜線下方空白部分);一個(gè)完整的減振建筑具有的保有性能包括了建筑本體結(jié)構(gòu)性能和減振系統(tǒng)性能，同時(shí)二者間還存在一部分非線性耦合的性能重疊(斜線填充部分)。圖中的三種填充方式對(duì)應(yīng)了減振高層建筑的三個(gè)極限狀態(tài)，也就是建筑本體結(jié)構(gòu)極限、減振系統(tǒng)極限及它們耦合時(shí)的極限。

圖6中粗實(shí)線代表減振高層建筑性能隨時(shí)間變化的過程(簡(jiǎn)化為直線，忽略非線性演化的過程)，粗虛線(包括與粗實(shí)線重疊的部分)表示減振系統(tǒng)性能隨時(shí)間變化的過程。減振建筑在使用過程中，日常的劣化和可能的突發(fā)災(zāi)變，均會(huì)使其保有性能隨時(shí)間不斷變化，性能發(fā)展的整體趨勢(shì)是不斷降低的(粗實(shí)線)。圖中細(xì)虛線(包括與粗實(shí)線重疊部分)表示了減振系統(tǒng)為減振建筑所提供的附加性能的演化過程，當(dāng)遇到突發(fā)災(zāi)變或達(dá)到使用壽命時(shí)，減振系統(tǒng)有可能完全失效，這時(shí)就無法為建筑提供任何附加的性能保障。圖中粗實(shí)線和粗虛線的變化對(duì)應(yīng)了建筑結(jié)構(gòu)的性能演變。

建筑初始性能h0為新建建筑本體結(jié)構(gòu)性能h1與新裝減振系統(tǒng)性能的耦合。極端災(zāi)害時(shí)，減振系統(tǒng)首先起到抵御作用，假設(shè)圖中t1時(shí)刻發(fā)生的災(zāi)害超出了減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極限，減振系統(tǒng)將完全失效，如圖中向下的紅色箭頭所示。由于減振系統(tǒng)與建筑本體結(jié)構(gòu)之間存在部分重疊性能，此時(shí)的建筑保有性能將跌落至h3，即建筑本體結(jié)構(gòu)性能水平。在不進(jìn)行減振系統(tǒng)再生的情況下，隨著時(shí)間的推移，建筑保有性能將繼續(xù)緩慢下降，如圖中t1和t2間的粗實(shí)線所示。如對(duì)減振系統(tǒng)再生，如圖中向上的箭頭所示，建筑的保有性能將提高。理想的再生設(shè)計(jì)應(yīng)使再生后的建筑保有性能h2在t2時(shí)刻超過其初始性能h0，即h2＞h0。圖中假設(shè)t3時(shí)刻再次發(fā)生的災(zāi)害使減振系統(tǒng)部分失效，建筑保有性能將再次跌落至建筑本體結(jié)構(gòu)性能水平h5。當(dāng)在t4時(shí)刻對(duì)減振系統(tǒng)再次再生時(shí)，建筑保有性能將提高到h4水平，理想情況下再生后的保有性能h4應(yīng)超過之前保有性能h2，即h4＞h2。從性能控制角度來說，每次建筑保有性能因遭遇災(zāi)害下降后，由于建筑本體結(jié)構(gòu)保有性能始終在逐漸劣化，總有h5＜h3＜h1，而理想的減振建筑再生設(shè)計(jì)應(yīng)使得建筑每次再生后的保有性能均超過之前水平，也就是使h4＞h2＞h0。圖中的向上箭頭、向下箭頭對(duì)應(yīng)了災(zāi)變和再生時(shí)的建筑性能的突變。如何有效地控制損傷發(fā)生后建筑結(jié)構(gòu)的性能、設(shè)定再生性能目標(biāo)以及制定災(zāi)變與再生之間的應(yīng)對(duì)方法，這也是需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題。

圖6 極端災(zāi)害下減振高層建筑全壽命性能演化示意圖Fig.6 Performance evolution of controlled high-rise building under extreme loading condition

5 發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景

要徹底解決減振系統(tǒng)失效以后的高層建筑再生設(shè)計(jì)問題，不僅要考慮減振系統(tǒng)本身的極限性能，同時(shí)還要考慮本體結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)的性能退化。如何從初始設(shè)計(jì)和再生設(shè)計(jì)出發(fā)，保證減振系統(tǒng)失效后高層建筑的安全性能是今后面臨的重大挑戰(zhàn)，需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題:

(1)極端災(zāi)害下減振高層建筑的災(zāi)害效應(yīng)及極限破壞機(jī)理。在減振高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮的極端動(dòng)力荷載是強(qiáng)震和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，但因減振系統(tǒng)使用的歷史不長(zhǎng)，尚缺乏在廣泛范圍內(nèi)經(jīng)受極端動(dòng)力荷載作用的檢驗(yàn)，需要從基礎(chǔ)理論、試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬三個(gè)方面系統(tǒng)地展開研究，揭示建筑本體結(jié)構(gòu)和減振系統(tǒng)在極端災(zāi)害作用下的極限狀態(tài)和災(zāi)變機(jī)理，包括了三個(gè)極限狀態(tài)的研究:不同結(jié)構(gòu)類型高層建筑正常運(yùn)行時(shí)的極限狀態(tài)(有減振系統(tǒng)耦合);減振系統(tǒng)的極限狀態(tài);減振系統(tǒng)失效后本體結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。

(2)考慮建筑本體結(jié)構(gòu)及減振系統(tǒng)耦合的高層建筑性能演化規(guī)律。減振高層建筑在強(qiáng)震或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的作用下，可能會(huì)導(dǎo)致建筑本體結(jié)構(gòu)和減振系統(tǒng)的損傷和性能退化，因此，需要研究考慮建筑本體結(jié)構(gòu)極限性能變化及減振系統(tǒng)極限性能變化的情況下，耦合高層建筑的破壞極限、評(píng)估方法和性能演化規(guī)律，包括高層建筑全壽命性能演化過程及耦合時(shí)的精細(xì)化數(shù)值模擬。在此基礎(chǔ)上，提出基于結(jié)構(gòu)災(zāi)后現(xiàn)狀的減振控制方法，以此對(duì)災(zāi)后建筑本體和減振系統(tǒng)進(jìn)行再生設(shè)計(jì)與修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)減振高層建筑耦合性能的提高。

(3)高層建筑抗災(zāi)性能控制和再生理論。要實(shí)現(xiàn)災(zāi)后減振高層建筑性能的再生和提高，就必須防范于未然，考慮減振高層建筑的初始一體化設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)階段，既要考慮極端災(zāi)害對(duì)本體結(jié)構(gòu)和減振系統(tǒng)的損傷作用，也需要考慮建筑壽命期內(nèi)減振系統(tǒng)和材料的常時(shí)或突發(fā)的性能退化，使得減振系統(tǒng)具有可替換性、可修復(fù)性和可提高性，同時(shí)作為分災(zāi)系統(tǒng)可承擔(dān)極端災(zāi)害給整體結(jié)構(gòu)帶來的損傷，甚至失效破壞，但不影響本體結(jié)構(gòu)的主要功能。以此建立本體結(jié)構(gòu)的最低設(shè)防目標(biāo)，確立分災(zāi)系統(tǒng)的抗災(zāi)性能目標(biāo)，確保整體結(jié)構(gòu)具有魯棒性。

減振高層建筑的應(yīng)用歷史只有30多年，許多結(jié)構(gòu)都沒有經(jīng)歷過強(qiáng)震、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)，更缺乏減振器的災(zāi)害資料，對(duì)其減振器的極限性能的研究開展亦不充分，在加上結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性，人們對(duì)其在極端災(zāi)害作用下的動(dòng)力損傷演化過程和破壞機(jī)理等方面的認(rèn)識(shí)還不夠深入。盡管減振技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，但其抗災(zāi)問題并未真正解決，抗災(zāi)研究還落后于發(fā)展的需要。因此，研究減振器的極限性能，研究考慮減振器的極限性能的減振結(jié)構(gòu)在極端動(dòng)力作用下的破壞機(jī)理和極限性能，進(jìn)而發(fā)展控制結(jié)構(gòu)損傷的基于性能的分析與設(shè)計(jì)方法，可保障減振結(jié)構(gòu)的安全，有效控制災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失，為結(jié)構(gòu)防災(zāi)和城市防災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，是城市、社會(huì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

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