伸臂结构减震性能提升研究进展

　　摘 要：框架-核心筒结构作为高层及超高层建筑结构的主要形式，其抗震需求随着建筑结构高度的增加而提高。在提升框架-核心筒结构的抗震需求方面，伸臂结构及消能伸臂结构具有显著的优势。设置传统伸臂可减少结构侧移，提高结构抗震性能;消能伸臂通过安装在核心筒和外框柱之间的黏滞阻尼器有效耗散结构振动能量，实现伸臂体系减震性能的提升;新型消能伸臂体系通过引入惯容或负刚度元件可进一步提高黏滞阻尼器耗能能力，实现体系减震性能的大幅提升，进而保证结构和居民生命财产安全。

　　关键词：消能伸臂;减震性能;惯容;负刚度

　　1 伸臂结构特点及其发展

　　社会经济的快速发展和人口数量的急剧增长，在一定程度上促使了高层及超高层结构的出现和发展。框架-核心筒体系是目前超高层结构常用的结构体系[1]。超高层结构高宽比较大，不利于其抵抗地震及风荷载等水平荷载作用，而外框架柱和核心筒之间的变形差会随着结构高度和结构高宽比的增加而增大。通过在外框架柱和核心筒之间设置伸臂加强层，可减小结构整体侧向位移及核心筒底部弯矩[2]。其主要工作机制为：在结构受到侧向荷载作用时，核心筒的弯曲变形会导致伸臂部分的转动，进而引起两侧外框柱的拉伸和压缩;由于受到外框柱的牵制作用，伸臂会产生抵抗弯矩进而减小结构变形。

　　自1962年BARKACKI教授首次提出伸臂加强层的概念并成功将其运用于实际工程后[3]，各国学者陆续开展了相关理论研究。TARANATH提出了带有加强层的框架-核心筒结构的平面简化分析模型，并基于此模型得到了结构在风荷载作用下的最优伸臂位置[4];袁兴隆、张誉基于刚性伸臂的假定，根據伸臂与外框柱的变形协调条件，以顶点位移最小为目标函数求得伸臂的数量以及最佳位置[5];SMITH、SALIM等考虑了伸臂刚度对伸臂位置的影响，根据带有多道伸臂结构的位移和内力公式，通过极值法确定了多道伸臂的最佳位置[3];沈蒲生、陈宇等通过对带有两个伸臂加强层的结构的动力特性进行进一步探索，对伸臂的最佳位置及基于振型分解反应谱的抗震分析等方面进行了详细分析[6];虽然带有加强层的框架-核心筒结构具有侧移减小、抗侧刚度增大、顶点位移和层间位移减小等优点，但在地震作用下，设置加强层会导致结构形成刚度、内力突变，并易形成薄弱层，存在一定的局限性。

　　2 消能伸臂结构体系发展及现状

　　为克服传统伸臂体系存在的局限性问题，英国ARUP工程顾问公司的SIMTH和WILLFORD最早提出了超高层消能伸臂体系，即利用核心筒与外框架柱变形较大，在核心筒和外框柱之间竖向安装黏滞阻尼器以达到减震效果，安装原理如图1(a)和图1(b)所示，并将其成功应用于菲律宾圣弗朗西斯香格里拉塔中，如图1(c)所示[7];谭平和方创杰等利用概率密度演化方法对黏滞阻尼器型和防屈曲支撑型两种新型消能伸臂体系进行了研究，结果表明两种体系均具有良好的抗震性能[8];丁洁民等研究了消能伸臂的减震规律以及伸臂刚度和阻尼器参数对减震性能的影响，结果表明黏滞阻尼伸臂具有附加阻尼及等效动刚度的双重作用[9];汪志昊、陈政清系统总结了建筑结构耗能减震系统中出现的各种位移放大系统及工程应用，并重点分析了加强层阻尼系统的减震性能提升[10];WANG等采用LQG控制算法研究设置MR阻尼器的半主动控制减震效果[11];周颖等人对新型消能伸臂桁架中黏滞阻尼器5种布置方式的抗震性能进行了研究[12];DING等阐述了黏滞阻尼伸臂体系的工作原理和地震耗能机理，详细分析了其在超高层结构中的最佳位置[13];LU等通过perform-3D软件建立了6个超高层建筑的弹塑性模型，用来研究改进的黏滞阻尼伸臂体系的抗震性能[14];汪志昊基于结构简化计算简图，分别得到了采用假定振型法和有限单元法的数学模型，基于模态阻尼比参数分析确定了阻尼器的最优阻尼系数，并对带有阻尼伸臂体系的建筑结构进行了地震激励下的仿真分析，表明有阻尼伸臂体系能明显提高结构模态阻尼比，降低结构的动力响应[15]。

　　由于黏滞阻尼伸臂只提供阻尼力而不增加建筑物的刚度，ZHOU等提出了一种用屈曲约束支撑取代对角构件的新型阻尼支臂系统，从刚度、强度和耗能能力等方面对4种外伸臂结构进行了对比，提出了用屈曲约束支撑作为外伸臂的最佳阻尼外伸臂构型[16];LIN等对带有屈曲约束支撑的阻尼伸臂体系的抗震性能进行了研究，确定了BRB-伸臂结构最优伸臂位置，以及BRB的轴向刚度、外框柱的轴向刚度和核心筒结构的抗弯刚度等参数[17];XING等采用基于谱分析的简化模型研究了屈曲约束支撑支臂系统的最佳抗震性能，结合参数化分析得到最优阻尼支臂位置等拟合方程[18];由于防屈曲支撑兼具普通钢支撑和金属耗能阻尼器的双重功能，防屈曲支撑刚度和强度指标易控制，大变形下滞回性能稳定，罕遇地震作用下能率先屈服吸收地震能量，将其运用于阻尼支臂体系中表现出良好的抗震性能[19];谭平等对新型消能伸臂体系进行了试验论证，试验结果表明消能伸臂能够有效提高结构体系的耗能能力，降低地震响应，保证结构的安全[20]。

　　3 新型消能伸臂结构体系发展现状

　　如今，传统伸臂体系在城市超高层结构中应用广泛。相较于传统伸臂体系，消能伸臂体系具有更好的控制效果，在经济性、控制稳定性方面得到了认可。目前消能伸臂体系常用的阻尼器为黏滞阻尼器，而黏滞阻尼器用于结构中还存在很大局限性，如易漏油、行程有限导致阻尼器出力受限、后期维护成本较高等。自SIMTH在2002年首次提出了惯容器概念后，惯容器逐渐被认可，被广泛应用于各种工程领域。惯性元件“Inerter”是一种两端点加速度相关型新型结构控制元件。与传统质量元件相比，惯容元件调整结构惯性特性时不局限于单端点连接，能够在改变结构惯性的同时不改变结构的物理质量[21]。目前常见的惯容实现机构有滚珠螺杆机构[22](见图2)、齿轮齿条机构[22-24](见图3)、液压机构[25-26]、电磁机构[27-28]等。郜辉等引入惯性元件开展斜拉索的振动控制理论研究，并进一步开展了相关试验研究，揭示了其减震增效机理[29-30]。LIU等提出了由均匀伸臂梁和等效弹簧组成的旋转惯容阻尼器型伸臂体系，并基于等效分析模型推导出了相应的动力特性方程，通过对高层建筑模型进行有限元分析，对旋转惯容阻尼伸臂系统的性能进行了研究，证明其具有良好的减震效果[31];ZHOU与LI等通过在黏滞阻尼器运动方向布置预压弹簧，研发了预压弹簧式负刚度阻尼器[32];SHI等基于磁致伸缩效应，研发了磁致负刚度阻尼器，并将其成功应用于斜拉索振动控制研究[33];基于负刚度阻尼器在斜拉索振动控制领域表现出的优越性能，WANG等通过引入负刚度装置，进一步提高了带有柔性外框柱的传统阻尼伸臂体系的最大模态阻尼比，通过求解超越特征方程，对这种带有新型负刚度阻尼伸臂体系的高层建筑结构的动力特性进行了参数化研究，并基于仿真分析证明了负刚度阻尼器型伸臂体系具有较好的减震性能[34];SUN等提出了负刚度阻尼器型伸臂体系多目标控制参数优化方法，并进行了相关参数化分析，表明负刚度阻尼器相较于传统黏滞阻尼器能以更小的阻尼实现更优越的减震效果，大幅提升了减震性能[35]。

　　4 结语

　　随着现代建筑业的迅速发展，高层及超高层结构不断涌现，框架-核心筒结构作为高层及超高层结构的主要结构形式，其抗震需求随着建筑结构高度的增加而提高。消能伸臂通过安装在核心筒和外框柱之间的黏滞阻尼器有效耗散结构振动能量，提高体系减震性能。新型消能伸臂体系通过引入惯容元件和负刚度元件可进一步提高黏滞阻尼器耗能能力，实现体系减震性能的提升，进而保证高层或超高层结构的安全，提高居民舒适度和财产安全性。

　　参考文献：

　　[1]聂建国，田淑明，矫金广. 框架-核心筒组合结构体系在选型中的刚度规律[J].建筑科学与工程学报，2008(1)：10-17.

　　[2]黄怡，王元清，陈宏，等. 水平加强层对超高层钢框架-支撑结构的影响[J].重庆建筑大学学报，2005(3)：49-56.

　　[3]SMITH B S，SALIM I.Parameter study of outriggerbracedtall building structures[J].Journal of the Structural Division，1981(10)：2001-2004.

　　[4]TARANATH B S.Optimum belt truss locations for highrisestructures[J].Structural Engineer，1974(1)：18-21.

　　[5]袁兴隆，张誉. 高层建筑伸臂的最佳位置分析[J]. 四川建筑科学研究，1996(1)：15-18.

　　[6]沈蒲生，陈宇，张明. 带两道加强层变截面框架-核心筒的振动特性[J].湖南大学学报(自然科学版)，2009(1)：1-7.

　　[7]SMITH R J，WILLFORD M R.The damped outriggerconcept for tall buildings[J].The Structural Design of Tall and Special Buildings，2007(4)：501-517.

　　[8]谭平，方创杰，王磊，等. 新型消能伸臂体系的动力可靠度[J].西南交通大学学报，2014(1)：33-38.

　　[9]丁洁民，王世玉，吳宏磊. 黏滞阻尼伸臂桁架在超高层结构中的应用研究[J].建筑结构学报，2016(增刊1)：48-54.

　　[10]汪志昊，陈政清. 高层建筑结构中粘滞阻尼器的新型安装方式[J].世界地震工程，2010(4)：135-140.

　　[11]WANG Z H，CHANG C M，SPENCER B F，et al.Controllableoutrigger damping system for high rise building with MRdampers[C]//Sensors and Smart Structures Technologies for Civil，Mechanical， and Aerospace Systems，2010.

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