新论文：采用减振子结构来控制超高层建筑的地震楼面加速度

这是一个高速发展的世界超高层建筑如雨后春笋般拔地而起这是经济与科学发展的产物同时也带来了新的问题与挑战

地震作为影响结构安全的主要风险在超高层建筑中尤为突出当我们将目光更多集中到结构安全时却忽视了结构内置物品的安全保障当我们更多关注于大震下结构性能时却可能低估了中小地震带来的潜在风险

今天

假如我们的现代化都市遭遇了一次中小级别地震，会有怎样的后果？

xx月xx日 xx城市发生5.0级地震

低矮建筑

我安然无恙，我内部摆设的物品也完好无损，此次地震对我来说有惊无险。

26分钟前

超高层建筑

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我的主体结构毫发未损，可是我外部的广告牌、内部的陈设物品等就没那么幸运了，此次地震对我造成了不小的损失。吓死宝宝了。

45分钟前

问题

近年来超高层建筑迅猛发展，成为土木工程领域的重要研究前沿。在中小地震作用下，很多塑性耗能构件处于弹性阶段，不能发挥耗能作用。而此时地震引起的楼面加速度可被放大到地面加速度的数倍，从而导致室内贵重财物、设备、以及其他非结构构件的损坏。这不仅会带来严重的经济损失，也会影响建筑的正常使用。因此，有必要采取有效措施来减小中小震下超高层的楼层加速度。

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超高层，你需要采取一定的措施，否则即使是遭遇中小地震，你的损失也会非常严重的。

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是啊，这次地震就是一个教训。不只是经济损失，掉落的碎片还砸伤了行人，通讯系统的故障也引起了一定的恐慌。

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采用耗能阻尼器试试？

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小震下，很多利用塑性耗能的装置处于弹性阶段，几乎不发挥作用。

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隔震是个有效的方法，这个怎么样？

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基础隔震装置不适合过高的结构，像我这样的超高层想都别想。

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那振动控制装置呢？

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感觉这个是个可行的方案，要不我也像台北101那样装个TMD来进行加速度控制？

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对了，最近看到《The Structural Design of Tall and Special Buildings》的一篇论文，里面提到了通过减振子结构来控制超高层建筑的楼面加速度。TMD的质量太小了，不适合地震楼面加速度控制。要不你试一试减振子结构，听说效果很不错！

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好的，让我先了解一下减振子结构系统~ 

减振子结构

由于超高层建筑大量采用巨型结构体系，如巨型框架体系或巨柱－核心筒－伸臂体系，其主结构由巨柱（或角筒）、桁架加强层、核心筒、伸臂桁架等构件组成，构成承担结构重力荷载和水平荷载的主要受力体系。而楼层结构则作为次结构，支承在主结构上，其刚度对整体结构的抗侧刚度贡献很小。因此，可以选取部分次结构楼层设计为减振子结构。

含减振子结构巨型框架示意图与工作原理图

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减振子结构体系为我们超高层楼层加速度控制提供了解决思路，看来我有必要跟上时代的步伐了，让我们来具体看一下这篇论文的研究思路。

研究方法与内容

研究对象：300m超高层建筑，同时将结构顶部若干层设计为减振子结构形成巨型TMD来控制结构在中小地震下的楼层加速度响应。研究模型：Miranda弯剪耦合模型。地震记录：FEMA-P695提供的22条远场地震动记录，加速度调幅至0.1g（7度中震水平）。分析方法：弹性时程分析研究内容：（1）结构参数（弯剪刚度比与一阶周期）对楼面加速度控制效果以及减振子结构控制楼面加速度最优频率的影响；（2）减振子结构参数（质量比，阻尼比）对楼面加速度控制效果以及减振子结构控制楼面加速度最优频率的影响；（3）给出了控制超高层建筑楼面加速度的减振子结构最优频率确定方法；（4）最后验证了该方法的可行性，可为工程设计与减震理论研究提供一定参考。

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减振子结构目前看来是一个可行的方案，不过具体的减振效果如何呢？

减振效果

结构模型参数：    弯剪刚度比为1.25    一阶周期为5.5s;
减振子结构参数（质量比，阻尼比，自振频率）：     （0.03, 0.2, 2.58Hz）    （0.04, 0.3, 2.04Hz）    （0.05, 0.4, 1.72Hz）

最终得到各条地震动下结构楼面绝对加速度绝对值包络的中位值与各楼层的加速度控制效果，如下图所示。

（1）对无减振子结构的超高层而言，结构顶层的加速度响应可以达到0.4g，这将导致室内设施和非结构构件的严重破坏，并带来巨大的经济损失。(2) 高质量比，高阻尼比的减振子结构能够更加有效的减小楼面加速度。(3) 减振子结构安装位置附近的楼面加速度控制效果最为明显，对于三种不同参数的减振子结构，均高于40%。(4) 针对结构中部，从40m~250m范围内，对于三种不同参数的减振子结构，楼面加速度控制效果的平均值分别为20%、26%和29%，说明采用该论文公式确定的减振子结构最优频率进行减振子结构参数设计，能够有效地控制结构的整体加速度。需要说明的是，三个减振子结构的参数变化较大，但是总的减振效果都比较好，表明该论文建议的减振子结构具有较好的鲁棒性。这个对于实际工程意义也很重要，因为在实际工程中，由于减振子结构自身重量、刚度、阻尼等都会随时间发生少量变化，具有较好鲁棒性的减振子结构可以降低这种不可控变化造成的影响。

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减振效果很明显，我可以试用一下。

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先别急，我们来看一下该论文给出的设计建议与结论。

结论

(1) 减振子结构的质量比在3%~5%之间，减振子结构阻尼比在0.20~0.40之间时，存在合适的减振子结构自振频率使得楼面加速度控制效果达到一个理想的值。同时随着减振子结构质量比或者阻尼比的增加，楼面加速度控制效果有所提高，而减振子结构最优频率有所下降。减振子结构质量比、阻尼比以及最优频率之间具有良好的规律性。(2) 在本文所研究的范围内，结构的弯剪比与一阶周期对楼面加速度的最优控制效果的影响较小，同时与减振子结构最优频率的相关性较小。(3) 按本文给出的方法进行减振子结构参数设计，能够使结构在中小地震作用下达到一个理想的楼面加速度控制效果，不同结构体系、不同立面设计的超高层也具有很好的适用性。需要说明的是，本文采用弯剪耦合模型和质量块-弹簧-阻尼系统论证了减振子结构在超高层建筑降低楼层加速度的可行性。这些简化计算得到的结果和结构的实际行为势必有一定的差距。另外超高层建筑体型多样，本文只是讨论了常见的刚度和质量分布规律。更加复杂的超高层建筑也有待此后进一步开展研究。

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使用效果好了，我向兄弟们推荐。

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减振子结构的论文，阅读请点击“阅读原文”。

Zhang, L., Lu, X., Guan, H., Xie, L., and Lu, X. (2016), Floor acceleration control of super‐tall buildings with vibration reduction substructures, Struct Design Tall Spec Build, doi: 10.1002/tal.1343

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