摘 要：框架-核心筒結(jié)構(gòu)作為高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)的主要形式，其抗震需求隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加而提高。在提升框架-核心筒結(jié)構(gòu)的抗震需求方面，伸臂結(jié)構(gòu)及消能伸臂結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢。設(shè)置傳統(tǒng)伸臂可減少結(jié)構(gòu)側(cè)移，提高結(jié)構(gòu)抗震性能;消能伸臂通過安裝在核心筒和外框柱之間的黏滯阻尼器有效耗散結(jié)構(gòu)振動能量，實(shí)現(xiàn)伸臂體系減震性能的提升;新型消能伸臂體系通過引入慣容或負(fù)剛度元件可進(jìn)一步提高黏滯阻尼器耗能能力，實(shí)現(xiàn)體系減震性能的大幅提升，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)和居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

　　關(guān)鍵詞：消能伸臂;減震性能;慣容;負(fù)剛度

　　1 伸臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其發(fā)展

　　社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口數(shù)量的急劇增長，在一定程度上促使了高層及超高層結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和發(fā)展。框架-核心筒體系是目前超高層結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)體系[1]。超高層結(jié)構(gòu)高寬比較大，不利于其抵抗地震及風(fēng)荷載等水平荷載作用，而外框架柱和核心筒之間的變形差會隨著結(jié)構(gòu)高度和結(jié)構(gòu)高寬比的增加而增大。通過在外框架柱和核心筒之間設(shè)置伸臂加強(qiáng)層，可減小結(jié)構(gòu)整體側(cè)向位移及核心筒底部彎矩[2]。其主要工作機(jī)制為：在結(jié)構(gòu)受到側(cè)向荷載作用時(shí)，核心筒的彎曲變形會導(dǎo)致伸臂部分的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而引起兩側(cè)外框柱的拉伸和壓縮;由于受到外框柱的牽制作用，伸臂會產(chǎn)生抵抗彎矩進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)變形。

　　自1962年BARKACKI教授首次提出伸臂加強(qiáng)層的概念并成功將其運(yùn)用于實(shí)際工程后[3]，各國學(xué)者陸續(xù)開展了相關(guān)理論研究。TARANATH提出了帶有加強(qiáng)層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)的平面簡化分析模型，并基于此模型得到了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的最優(yōu)伸臂位置[4];袁興隆、張譽(yù)基于剛性伸臂的假定，根據(jù)伸臂與外框柱的變形協(xié)調(diào)條件，以頂點(diǎn)位移最小為目標(biāo)函數(shù)求得伸臂的數(shù)量以及最佳位置[5];SMITH、SALIM等考慮了伸臂剛度對伸臂位置的影響，根據(jù)帶有多道伸臂結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力公式，通過極值法確定了多道伸臂的最佳位置[3];沈蒲生、陳宇等通過對帶有兩個(gè)伸臂加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行進(jìn)一步探索，對伸臂的最佳位置及基于振型分解反應(yīng)譜的抗震分析等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析[6];雖然帶有加強(qiáng)層的框架-核心筒結(jié)構(gòu)具有側(cè)移減小、抗側(cè)剛度增大、頂點(diǎn)位移和層間位移減小等優(yōu)點(diǎn)，但在地震作用下，設(shè)置加強(qiáng)層會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形成剛度、內(nèi)力突變，并易形成薄弱層，存在一定的局限性。

　　2 消能伸臂結(jié)構(gòu)體系發(fā)展及現(xiàn)狀

　　為克服傳統(tǒng)伸臂體系存在的局限性問題，英國ARUP工程顧問公司的SIMTH和WILLFORD最早提出了超高層消能伸臂體系，即利用核心筒與外框架柱變形較大，在核心筒和外框柱之間豎向安裝黏滯阻尼器以達(dá)到減震效果，安裝原理如圖1(a)和圖1(b)所示，并將其成功應(yīng)用于菲律賓圣弗朗西斯香格里拉塔中，如圖1(c)所示[7];譚平和方創(chuàng)杰等利用概率密度演化方法對黏滯阻尼器型和防屈曲支撐型兩種新型消能伸臂體系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明兩種體系均具有良好的抗震性能[8];丁潔民等研究了消能伸臂的減震規(guī)律以及伸臂剛度和阻尼器參數(shù)對減震性能的影響，結(jié)果表明黏滯阻尼伸臂具有附加阻尼及等效動剛度的雙重作用[9];汪志昊、陳政清系統(tǒng)總結(jié)了建筑結(jié)構(gòu)耗能減震系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種位移放大系統(tǒng)及工程應(yīng)用，并重點(diǎn)分析了加強(qiáng)層阻尼系統(tǒng)的減震性能提升[10];WANG等采用LQG控制算法研究設(shè)置MR阻尼器的半主動控制減震效果[11];周穎等人對新型消能伸臂桁架中黏滯阻尼器5種布置方式的抗震性能進(jìn)行了研究[12];DING等闡述了黏滯阻尼伸臂體系的工作原理和地震耗能機(jī)理，詳細(xì)分析了其在超高層結(jié)構(gòu)中的最佳位置[13];LU等通過perform-3D軟件建立了6個(gè)超高層建筑的彈塑性模型，用來研究改進(jìn)的黏滯阻尼伸臂體系的抗震性能[14];汪志昊基于結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算簡圖，分別得到了采用假定振型法和有限單元法的數(shù)學(xué)模型，基于模態(tài)阻尼比參數(shù)分析確定了阻尼器的最優(yōu)阻尼系數(shù)，并對帶有阻尼伸臂體系的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震激勵(lì)下的仿真分析，表明有阻尼伸臂體系能明顯提高結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比，降低結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)[15]。

　　由于黏滯阻尼伸臂只提供阻尼力而不增加建筑物的剛度，ZHOU等提出了一種用屈曲約束支撐取代對角構(gòu)件的新型阻尼支臂系統(tǒng)，從剛度、強(qiáng)度和耗能能力等方面對4種外伸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，提出了用屈曲約束支撐作為外伸臂的最佳阻尼外伸臂構(gòu)型[16];LIN等對帶有屈曲約束支撐的阻尼伸臂體系的抗震性能進(jìn)行了研究，確定了BRB-伸臂結(jié)構(gòu)最優(yōu)伸臂位置，以及BRB的軸向剛度、外框柱的軸向剛度和核心筒結(jié)構(gòu)的抗彎剛度等參數(shù)[17];XING等采用基于譜分析的簡化模型研究了屈曲約束支撐支臂系統(tǒng)的最佳抗震性能，結(jié)合參數(shù)化分析得到最優(yōu)阻尼支臂位置等擬合方程[18];由于防屈曲支撐兼具普通鋼支撐和金屬耗能阻尼器的雙重功能，防屈曲支撐剛度和強(qiáng)度指標(biāo)易控制，大變形下滯回性能穩(wěn)定，罕遇地震作用下能率先屈服吸收地震能量，將其運(yùn)用于阻尼支臂體系中表現(xiàn)出良好的抗震性能[19];譚平等對新型消能伸臂體系進(jìn)行了試驗(yàn)論證，試驗(yàn)結(jié)果表明消能伸臂能夠有效提高結(jié)構(gòu)體系的耗能能力，降低地震響應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)的安全[20]。

　　3 新型消能伸臂結(jié)構(gòu)體系發(fā)展現(xiàn)狀

　　如今，傳統(tǒng)伸臂體系在城市超高層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。相較于傳統(tǒng)伸臂體系，消能伸臂體系具有更好的控制效果，在經(jīng)濟(jì)性、控制穩(wěn)定性方面得到了認(rèn)可。目前消能伸臂體系常用的阻尼器為黏滯阻尼器，而黏滯阻尼器用于結(jié)構(gòu)中還存在很大局限性，如易漏油、行程有限導(dǎo)致阻尼器出力受限、后期維護(hù)成本較高等。自SIMTH在2002年首次提出了慣容器概念后，慣容器逐漸被認(rèn)可，被廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。慣性元件“Inerter”是一種兩端點(diǎn)加速度相關(guān)型新型結(jié)構(gòu)控制元件。與傳統(tǒng)質(zhì)量元件相比，慣容元件調(diào)整結(jié)構(gòu)慣性特性時(shí)不局限于單端點(diǎn)連接，能夠在改變結(jié)構(gòu)慣性的同時(shí)不改變結(jié)構(gòu)的物理質(zhì)量[21]。目前常見的慣容實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)有滾珠螺桿機(jī)構(gòu)[22](見圖2)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)[22-24](見圖3)、液壓機(jī)構(gòu)[25-26]、電磁機(jī)構(gòu)[27-28]等。郜輝等引入慣性元件開展斜拉索的振動控制理論研究，并進(jìn)一步開展了相關(guān)試驗(yàn)研究，揭示了其減震增效機(jī)理[29-30]。LIU等提出了由均勻伸臂梁和等效彈簧組成的旋轉(zhuǎn)慣容阻尼器型伸臂體系，并基于等效分析模型推導(dǎo)出了相應(yīng)的動力特性方程，通過對高層建筑模型進(jìn)行有限元分析，對旋轉(zhuǎn)慣容阻尼伸臂系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究，證明其具有良好的減震效果[31];ZHOU與LI等通過在黏滯阻尼器運(yùn)動方向布置預(yù)壓彈簧，研發(fā)了預(yù)壓彈簧式負(fù)剛度阻尼器[32];SHI等基于磁致伸縮效應(yīng)，研發(fā)了磁致負(fù)剛度阻尼器，并將其成功應(yīng)用于斜拉索振動控制研究[33];基于負(fù)剛度阻尼器在斜拉索振動控制領(lǐng)域表現(xiàn)出的優(yōu)越性能，WANG等通過引入負(fù)剛度裝置，進(jìn)一步提高了帶有柔性外框柱的傳統(tǒng)阻尼伸臂體系的最大模態(tài)阻尼比，通過求解超越特征方程，對這種帶有新型負(fù)剛度阻尼伸臂體系的高層建筑結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行了參數(shù)化研究，并基于仿真分析證明了負(fù)剛度阻尼器型伸臂體系具有較好的減震性能[34];SUN等提出了負(fù)剛度阻尼器型伸臂體系多目標(biāo)控制參數(shù)優(yōu)化方法，并進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)化分析，表明負(fù)剛度阻尼器相較于傳統(tǒng)黏滯阻尼器能以更小的阻尼實(shí)現(xiàn)更優(yōu)越的減震效果，大幅提升了減震性能[35]。

　　4 結(jié)語

　　隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的迅速發(fā)展，高層及超高層結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，框架-核心筒結(jié)構(gòu)作為高層及超高層結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式，其抗震需求隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加而提高。消能伸臂通過安裝在核心筒和外框柱之間的黏滯阻尼器有效耗散結(jié)構(gòu)振動能量，提高體系減震性能。新型消能伸臂體系通過引入慣容元件和負(fù)剛度元件可進(jìn)一步提高黏滯阻尼器耗能能力，實(shí)現(xiàn)體系減震性能的提升，進(jìn)而保證高層或超高層結(jié)構(gòu)的安全，提高居民舒適度和財(cái)產(chǎn)安全性。

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