摘 要：框架-核心筒結構作為高層及超高層建筑結構的主要形式，其抗震需求隨著建筑結構高度的增加而提高。在提升框架-核心筒結構的抗震需求方面，伸臂結構及消能伸臂結構具有顯著的優勢。設置傳統伸臂可減少結構側移，提高結構抗震性能;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構振動能量，實現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剛度元件可進一步提高黏滯阻尼器耗能能力，實現體系減震性能的大幅提升，進而保證結構和居民生命財產安全。

　　關鍵詞：消能伸臂;減震性能;慣容;負剛度

　　1 伸臂結構特點及其發展

　　社會經濟的快速發展和人口數量的急劇增長，在一定程度上促使了高層及超高層結構的出現和發展。框架-核心筒體系是目前超高層結構常用的結構體系[1]。超高層結構高寬比較大，不利于其抵抗地震及風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構高度和結構高寬比的增加而增大。通過在外框架柱和核心筒之間設置伸臂加強層，可減小結構整體側向位移及核心筒底部彎矩[2]。其主要工作機制為：在結構受到側向荷載作用時，核心筒的彎曲變形會導致伸臂部分的轉動，進而引起兩側外框柱的拉伸和壓縮;由于受到外框柱的牽制作用，伸臂會產生抵抗彎矩進而減小結構變形。

　　自1962年BARKACKI教授首次提出伸臂加強層的概念并成功將其運用于實際工程后[3]，各國學者陸續開展了相關理論研究。TARANATH提出了帶有加強層的框架-核心筒結構的平面簡化分析模型，并基于此模型得到了結構在風荷載作用下的最優伸臂位置[4];袁興隆、張譽基于剛性伸臂的假定，根據伸臂與外框柱的變形協調條件，以頂點位移最小為目標函數求得伸臂的數量以及最佳位置[5];SMITH、SALIM等考慮了伸臂剛度對伸臂位置的影響，根據帶有多道伸臂結構的位移和內力公式，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伸臂加強層的結構的動力特性進行進一步探索，對伸臂的最佳位置及基于振型分解反應譜的抗震分析等方面進行了詳細分析[6];雖然帶有加強層的框架-核心筒結構具有側移減小、抗側剛度增大、頂點位移和層間位移減小等優點，但在地震作用下，設置加強層會導致結構形成剛度、內力突變，并易形成薄弱層，存在一定的局限性。

　　2 消能伸臂結構體系發展及現狀

　　為克服傳統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行了研究，結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律以及伸臂剛度和阻尼器參數對減震性能的影響，結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、陳政清系統總結了建筑結構耗能減震系統中出現的各種位移放大系統及工程應用，并重點分析了加強層阻尼系統的減震性能提升[10];WANG等采用LQG控制算法研究設置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理，詳細分析了其在超高層結構中的最佳位置[13];LU等通過perform-3D軟件建立了6個超高層建筑的彈塑性模型，用來研究改進的黏滯阻尼伸臂體系的抗震性能[14];汪志昊基于結構簡化計算簡圖，分別得到了采用假定振型法和有限單元法的數學模型，基于模態阻尼比參數分析確定了阻尼器的最優阻尼系數，并對帶有阻尼伸臂體系的建筑結構進行了地震激勵下的仿真分析，表明有阻尼伸臂體系能明顯提高結構模態阻尼比，降低結構的動力響應[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件的新型阻尼支臂系統，從剛度、強度和耗能能力等方面對4種外伸臂結構進行了對比，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行了研究，確定了BRB-伸臂結構最優伸臂位置，以及BRB的軸向剛度、外框柱的軸向剛度和核心筒結構的抗彎剛度等參數[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的最佳抗震性能，結合參數化分析得到最優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度指標易控制，大變形下滯回性能穩定，罕遇地震作用下能率先屈服吸收地震能量，將其運用于阻尼支臂體系中表現出良好的抗震性能[19];譚平等對新型消能伸臂體系進行了試驗論證，試驗結果表明消能伸臂能夠有效提高結構體系的耗能能力，降低地震響應，保證結構的安全[20]。

　　3 新型消能伸臂結構體系發展現狀

　　如今，傳統伸臂體系在城市超高層結構中應用廣泛。相較于傳統伸臂體系，消能伸臂體系具有更好的控制效果，在經濟性、控制穩定性方面得到了認可。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構中還存在很大局限性，如易漏油、行程有限導致阻尼器出力受限、后期維護成本較高等。自SIMTH在2002年首次提出了慣容器概念后，慣容器逐漸被認可，被廣泛應用于各種工程領域。慣性元件“Inerter”是一種兩端點加速度相關型新型結構控制元件。與傳統質量元件相比，慣容元件調整結構慣性特性時不局限于單端點連接，能夠在改變結構慣性的同時不改變結構的物理質量[21]。目前常見的慣容實現機構有滾珠螺桿機構[22](見圖2)、齒輪齒條機構[22-24](見圖3)、液壓機構[25-26]、電磁機構[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，并進一步開展了相關試驗研究，揭示了其減震增效機理[29-30]。LIU等提出了由均勻伸臂梁和等效彈簧組成的旋轉慣容阻尼器型伸臂體系，并基于等效分析模型推導出了相應的動力特性方程，通過對高層建筑模型進行有限元分析，對旋轉慣容阻尼伸臂系統的性能進行了研究，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動方向布置預壓彈簧，研發了預壓彈簧式負剛度阻尼器[32];SHI等基于磁致伸縮效應，研發了磁致負剛度阻尼器，并將其成功應用于斜拉索振動控制研究[33];基于負剛度阻尼器在斜拉索振動控制領域表現出的優越性能，WANG等通過引入負剛度裝置，進一步提高了帶有柔性外框柱的傳統阻尼伸臂體系的最大模態阻尼比，通過求解超越特征方程，對這種帶有新型負剛度阻尼伸臂體系的高層建筑結構的動力特性進行了參數化研究，并基于仿真分析證明了負剛度阻尼器型伸臂體系具有較好的減震性能[34];SUN等提出了負剛度阻尼器型伸臂體系多目標控制參數優化方法，并進行了相關參數化分析，表明負剛度阻尼器相較于傳統黏滯阻尼器能以更小的阻尼實現更優越的減震效果，大幅提升了減震性能[35]。

　　4 結語

　　隨著現代建筑業的迅速發展，高層及超高層結構不斷涌現，框架-核心筒結構作為高層及超高層結構的主要結構形式，其抗震需求隨著建筑結構高度的增加而提高。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構振動能量，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剛度元件可進一步提高黏滯阻尼器耗能能力，實現體系減震性能的提升，進而保證高層或超高層結構的安全，提高居民舒適度和財產安全性。

　　參考文獻：

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　　[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]譚平，方創杰，王磊，等. 新型消能伸臂體系的動力可靠度[J].西南交通大學學報，2014(1)：33-38.

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　　[10]汪志昊，陳政清. 高層建筑結構中粘滯阻尼器的新型安裝方式[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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