高层结构工程中液体黏滞阻尼器的合理设计与应用

引用文献:

彭程 薛恒丽 陈永祁. 高层结构工程中液体黏滞阻尼器的合理设计与应用[J]. 建筑结构,2020,50(1):96-104,95.

Peng Cheng Xue Hengli Chen Yongqi. Reasonable design and application of fluid viscous dampers in high-rise building structures[J]. Building Structure,2020,50(1):96-104,95.

作者:彭程 薛恒丽 陈永祁
单位:北京奇太振控科技发展有限公司
摘要:对高层结构工程中消能减振设计者关心的设计核心内容——液体黏滞阻尼器的设计与应用分五个部分进行了详细阐述。其中阻尼器的支撑设计内容包括套索支撑、剪刀形支撑、跨层支撑、伸臂支撑的介绍及不同支撑形式的对比;布置设计内容方面分析了对剪切位移与层间位移的区别及阻尼器布置的设计方案;参数设计方面阐述了阻尼器的C与α值的选择策略;阻尼器种类选择方面介绍了用于抗风普通抗震阻尼器、无摩擦金属密封阻尼器及带特殊泄压阀的新型阻尼器;减振设备的配合设计方面介绍了阻尼器与BRB联合使用、阻尼器与TMD联合使用、阻尼器与摩擦摆联合使用及三种配合情况的案例。通过总结可以看出,消能减振可设计的内容多且杂,阻尼器支撑形式、布置位置等均可使最终的减振设计变得更合理、高效而低价。
关键词:消能减振 合理设计 液体黏滞阻尼器 BRB TMD
作者简介:彭程,硕士,工程师,Email:orange_peng@foxmail.com。
基金:

0前言

   应用液体黏滞阻尼器进行结构减振本身是具有明显的合理性和经济性的[1],但尽管如此,还是希望尽可能地对使用阻尼器的消能减振方案进行多方面的设计,以将这种合理性和经济性最大化地体现出来。

   以往,阻尼器设计的概念为制定一个数学函数设计目标,因此主要是理论层面上的设计。本文对设计的描述不仅包括理论层面,更主要是从实际工程出发,为解决液体黏滞阻尼器在工程中特别是在高层建筑设计中面临的各种问题提出设计方案。

   目前,消能减振设计大致有三种控制减振效果的理念。第一种是建筑本身不能满足设计规范的强度和变形要求(如加固项目),采用增设黏滞阻尼器的方法虽然不增加刚度,但由于阻尼器在结构运动中的阻尼和耗能能力,使结构抗震性能得到大幅改善;第二种是通过使用黏滞阻尼器,使结构能够承受超过结构本身设计烈度的地震,从而实现“降度”设计[2];第三种是提高结构抗震性能,在设计烈度的地震(或超出设计烈度的地震)作用下,通过耗散地震输入的能量,减少结构损伤。

   选择切实可行的阻尼器布置方案和设计阻尼器参数是消能减振设计的核心,是需要反复迭代设计的过程。根据实际工程中的可行性,本文将问题的讨论分成五个部分,分别为阻尼器的支撑设计、布置设计、参数设计、类型选择,以及阻尼器与其他减振设备的配合设计,并在下文中逐一详述。

   需要说明的是,本文所述阻尼器,是指速度相关液体黏滞阻尼器,不泛指其他类型消能阻尼器。

1 阻尼器支撑设计

   阻尼器的支撑问题包括两个方面,一是阻尼器在结构中的支撑方式,它对阻尼器的效益有较大影响;二是影响确定阻尼器安置的实际限制。设计的目的是既要使安装阻尼器的高层建筑受力合理,又要尽可能安装较少的阻尼器而得到更好的减振效果。

   随着阻尼器在高层建筑结构抗震、抗风等工程项目上应用的发展,很多结构上采用了不同安装方式、组成不同类型的支撑模型。目前阻尼器在结构上的安装方式,在传统的对角支撑和人字支撑的基础上又发展了考虑到放大位移的三种套索支撑、剪刀形支撑等几种,见图1。

图1 各种支撑形式对比

   图1 各种支撑形式对比

    

   此处以线性黏滞阻尼器情况加以解释:

   线性黏滞阻尼器有式(1)的力与速度关系式:

    

   式中:Cj为阻尼系数;vj为阻尼器两端相对速度;j为阻尼器的编号。

   阻尼器两端的相对位移uj与层间剪切位移Δrj有如下关系:

图2 套索支撑阻尼器系统

   图2 套索支撑阻尼器系统

    

    

   式中fj为位移几何放大系数,采用对角支撑时fj=cosθj,人字支撑时fj=1.0。采用放大位移支撑(各种套索支撑和剪刀形支撑)形式时,通常可以使。

   上述支撑方式均主要依靠结构的剪切变形来使阻尼器产生相对位移和速度。除此之外,由于高层建筑在高度上的迅速发展,结构的弯曲变形也越来越显著。因此,可以同时考虑剪切变形和弯曲变形的巨型跨层支撑及完全依靠结构弯曲变形使阻尼器产生竖向位移的伸臂支撑[3]相继出现。

1.1 套索支撑

   在各种阻尼器的位移放大系统中,套索支撑形式(图2)是有其特殊功效的。我国使用美国泰勒公司生产的阻尼器在天津国贸中心高层建筑就首次使用了套索支撑的阻尼器系统。套索阻尼器(ToggleBrace-Damper,简称“TBD”)是一种阻尼器位移放大的机械系统,特别是对于剪力墙较多、楼层侧向变形较小的结构更为有效;在采用相同阻尼器参数的情况下,将阻尼器的作用放大到2~3倍,在减振效果相同的情况下可以将阻尼器数量减少几乎一半,达到事半功倍的目的,可以取得较好的经济效益。

   套索支撑中的关键是处理好套索布置的建模方式和系统的出平面位移问题,此项技术是美国泰勒公司的专利技术。

1.2 剪刀形支撑

   美国Constantinou教授[4]申报专利的剪刀形支撑安装方式可以把阻尼器的作用放大到两倍以上,它的安置比套索形式更紧凑,特别适用柱间距离小,放置阻尼器困难的结构。

   对于目前的高层结构,业主和设计单位对消能设计的要求越来越高,允许布置阻尼器的位置越来越少,因此套索支撑虽然性能优越,但因跨度较大,会占用较多宝贵空间。而使用剪刀形支撑的阻尼器,往往可以在一个套索支撑的跨度上,布置2~3个剪刀形支撑的阻尼器,大大节省了空间。塞浦路奥委会建筑剪刀形支撑阻尼系统及应用实景见图3,4。

图3 剪刀形支撑阻尼器系统

   图3 剪刀形支撑阻尼器系统

    

图4 塞浦路奥委会建筑

   图4 塞浦路奥委会建筑

    

1.3 跨层支撑

   墨西哥Torre Mayor大厦首次利用跨层支撑[5]安置大型阻尼器,是阻尼器应用的成功发展。它所采用的隔层大型支撑安置方法,放大了阻尼器两端的相对位移,阻尼器的减振效果也显著得多(图5)。

   阻尼器跨层支撑在墨西哥Torre Mayor大厦上得到成功应用,并使建筑经受住了2003年墨西哥南部的7.6级地震考验。

   旧金山弗里蒙特街181号结构设计由Arup公司设计。阻尼器同样使用巨型跨层支撑支承,每个巨型支撑上设置有4套阻尼器,每个方向的立面有2个带阻尼器的巨型支撑(图6),共定制32个金属密封阻尼器,用来控制地震和风荷载作用下结构的振动。

1.4 伸臂支撑

   Smith和Willford[3]提出全新的伸臂阻尼系统,简化模型见图7。伸臂支撑又称竖直支撑,通过结构的弯曲变形造成的内外部结构的竖直位移差来使阻尼器运动,而伸臂结构可以尽可能放大这一相对位移。菲律宾香格里拉塔伸臂阻尼系统的设计方案(图8,9)首次使用该支撑方式构成阻尼器抗风系统。

图6 弗里蒙特街181号巨型支撑

   图6 弗里蒙特街181号巨型支撑

    

图7 伸臂阻尼器简化模型

   图7 伸臂阻尼器简化模型

    

图5 墨西哥Torre Mayor大厦

   图5 墨西哥Torre Mayor大厦

    

   美国纽约的西55大街250号39层全玻璃幕墙办公楼(图10,11),建筑高184m,全楼共设置了8个高效抗风的金属密封阻尼器作为其伸臂抗风系统的一部分。

1.5 不同支撑形式对比

   从阻尼器循环一周消耗能量的计算公式[6]可以得知,阻尼器的耗能效率与位移的放大系数直接相关,因此仅从理论上来看(单层单跨结构),放大系数越大的支撑形式用公式计算得出的附加阻尼比越大。

   但实际应用时有时也有局限性。由于较高放大系数的支撑形式其阻尼器及支撑件受力往往较大,因此给结构提供的附加作用力也较大,如果阻尼器在建筑中的布置不够均匀,或过于集中加设在较为薄弱的楼层,便会造成减振后的结构楼层剪力曲线很不平滑,在一定程度上影响设计。但尽管如此,布置较为合理的方案(如使阻尼力的竖向分布尽可能与结构楼层侧向刚度成比例),其减振后的杆件受力通常都是减小的,只是不同楼层减小的程度不同。

图8 菲律宾香格里拉塔伸臂系统示意

   图8 菲律宾香格里拉塔伸臂系统示意

    

图9 菲律宾香格里拉塔伸臂阻尼系统实景

   图9 菲律宾香格里拉塔伸臂阻尼系统实景

    

图1 0 纽约西55大街250号办公楼

   图1 0 纽约西55大街250号办公楼

    

图1 1 纽约西55大街250号伸臂阻尼系统

   图1 1 纽约西55大街250号伸臂阻尼系统

    

   文献[7]对比了对角、套索和剪刀形支撑阻尼器对同一具有裙楼的高层结构的减振情况,对比的结果是套索及剪刀形支撑对裙楼以上的层间位移角减振效果优于对角支撑,但裙楼范围内的位移角甚至大于未减振结构;而使用对角支撑减振后的结构,其层间位移角曲线如原结构一样平滑,且被均匀的减小。因此从基于合理性的角度来说,传统的对角支撑是较为理想的,而如果需要基于减振效率,位移放大系统则可能是最佳选择。

2 阻尼器布置设计

   美国NEHRP 2015(National Earthquake Hazards Reduction Program,2015)建议,建筑用阻尼器宜逐层、双向布置,其中双向要求每层至少4套阻尼器,每向至少2套,且每方向要尽量布置在建筑靠外的部位。此外,美国FEMA(Federal Emergency Management Agency,联邦应急管理局)建议,阻尼器的布置宜与结构的楼层刚度成比例。其如此建议的主要目的在于尽可能减小阻尼器对结构本身动力特性及结构杆件受力造成的不利影响。

   但是,单纯让阻尼器均匀分布在结构各层并不一定能取得最好的经济效果。由于结构中存在一些限制阻尼器布置的实际困难,研究者和土木工程师总是试图安装较少的阻尼器,保证结构有较大的使用空间,从而取得较好的经济、适用、减振消能效果。因此,阻尼器的布置设计一直是一个研究热点。

2.1 剪切位移与层间位移

   阻尼器依靠其两端的相对速度C0产生阻尼力F耗散能量,而相对速度C0则可以用相对位移u来描述。如图1所示,不论哪种支撑形式(伸臂支撑除外),要使阻尼两端产生相对位移u,本质上都需要阻尼器所在的梁柱区格产生剪切侧移,而不包括区格做刚体转动产生的位移。

   由于一般结构分析软件给出的层间位移角,是上下两楼层对应点(质心点)水平位移的差值除以层高,因此水平位移的差值里既包括区格的剪切侧移,也包括区格由于刚体转动引起的水平侧移,而只有前者会使阻尼器产生作用。

   根据材料力学剪切变形的定义,扩展到宏观的结构区格,则区格的剪切角γ的计算公式为:

    

图1 2 区格剪切变形示意图

   图1 2 区格剪切变形示意图

    

   式中各字符所表示的含义见图12。

   而层间位移角与剪切位移角的计算方法不同,因此不宜将二者的曲线进行直接对比,但是可以作为选择阻尼器布置位置的参考。

   本文对天津国际贸易中心(图13)去掉阻尼器后的一榀框架为例做了分析,得出其在地震和风荷载作用下各楼层的区格剪切角及层间位移角沿楼层的分布,见图14,15。从图中可知,对于框架结构而言:1)在相同荷载下,边跨的区格剪切角要远大于中跨的。2)边跨的剪切角总体上随楼层高度增大而增大,而中跨与其相反。3)中跨的剪切角曲线与层间位移角曲线差别较大;边跨的剪切角曲线与层间位移角曲线形式上接近,但数值上有差别。注意到图中中跨的剪切角曲线在结构上部出现了负值,那是由于剪切角反向造成的。

图1 3 天津国际贸易中心阻尼器布置

   图1 3 天津国际贸易中心阻尼器布置

    

   由中跨带支撑的框架结构的变形图(图16)可以看出,加设支撑的中跨在荷载下以刚体转动为主,剪切变形较小,而边跨则相反。这也进一步验证了上述规律。上述结果表明,不宜将阻尼器加设在刚度很大的内筒,而应尽量加设在内外筒之间(或外框架);而高度上,也尽量选择剪切位移角较大的楼层,而不是层间位移角较大的楼层。

   文献[8]将层间位移角分为受力层间位移角和非受力层间位移角,其中受力层间位移角包括本文所述由剪切位移产生的层间位移角及弯曲变形产生的层间位移角,非受力层间位移角指本文所述由梁柱区格的刚体转动导致的层间位移角。

图1 4 地震作用下框架剪切位移角与层间位移角曲线

   图1 4 地震作用下框架剪切位移角与层间位移角曲线

    

   文献中分别列举了框架结构(高30m)、剪力墙结构(高90m)、框剪结构(高80m)及框筒结构(高105m)在水平力作用下的层间位移角及受力层间位移角,并进行了对比,如图17所示。由图17可见,对于常见的4种结构,框架结构是剪切位移最明显的结构类型,而剪力墙结构是剪切位移占楼层水平位移比例最少的结构类型。因此对于第1节中图1所示的所有依靠楼层剪切位移产生变形的阻尼器支撑形式来说,框架结构无疑是最适合的。而对于框筒结构和框剪结构来说,根据2.1节的结论,建议将剪切型阻尼器布置在核心筒或剪力墙加强的区域之外。

   特别地,对于目前超高层中最常用的框筒结构来说,由于达到一定高宽比后,结构的弯曲变形确实比较显著,因此第1节中提到的跨层支撑与伸臂支撑的阻尼器安置方法,不失为一种有效的选择。

   而对于剪切变形最小的纯剪力墙结构,其使用“剪切型”阻尼器先天效率较低,因此跨层支撑等阻尼器位移放大系统便凸显出其效益上的优势。

2.2 阻尼器布置设计方案

图1 6 框架结构变形图

   图1 6 框架结构变形图

    

   前文提到,为了使阻尼器的使用效率最高,原则上应将阻尼器布置在结构剪切位移较大的楼层。我国的《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[6](简称抗规)第12.3.2条也指出,“消能部件可根据需要沿结构的两个主轴方向分别设置,消能部件宜设置在变形较大的位置,其数量和分布应通过综合分析合理确定,并有利于提高整个结构的消能减振能力,形成均匀合理的受力体系”。

图1 5 风荷载作用下剪切位移角与层间位移角曲线

   图1 5 风荷载作用下剪切位移角与层间位移角曲线

    

图1 7 层间位移角曲线与受力层间位移角曲线

   图1 7 层间位移角曲线与受力层间位移角曲线

    

   然而,由于目前的高层结构均以框架-核心筒并在高度上配以若干加强层为主要结构形式,且建筑对使用功能的要求很高,因此一般情况下,阻尼器最好布置在结构的加强层(避难层),加强层虽是层间位移角较小的楼层,但却恰恰符合FEMA对阻尼器布置策略的建议。尽管如此,还是给消能设计者带来了很大困难,其主要原因,一是结构的加强层数量有限,所能布置的阻尼器数量很少;另一方面是加强层的层间位移角小,阻尼器的效果很难有效发挥。

   针对上述困难,目前主要的解决办法有以下两种:一是在结构加强层处设置套索或剪刀形支撑的阻尼器;二是在加强层处设置伸臂支撑的竖直阻尼器。考虑到后者要改变加强层自身结构,剪力墙需要延伸或加设伸臂桁架,附加工程量较多,可参照的类似工程案例较少等诸多因素,因此可考虑在加强层设置使用位移放大系统安装的阻尼器。

   由于位移放大系统放大了阻尼器两端的相对位移,弥补了加强层本身剪切位移小的不足。此外,位移放大系统的使用,增大了阻尼器的耗能能力,因此也同时弥补了仅在加强层布置阻尼器造成的阻尼器数量较少的问题。通过大量实际工程的分析计算,目前这种阻尼器布置方案已较为成熟可靠。其中,天津国际贸易中心[9]是国内首个应用套索支撑阻尼器、也是首个使用在加强层加设阻尼器理念的消能减振项目。

   综上所述,按我国抗规建议,应将阻尼器布置在楼层位移(剪切位移)较大的楼层,但是结合具体情况限制及FEMA出于不对结构动力特性产生较大影响的建议,阻尼器的布置问题还是要结合设计原则及结构实际特点具体问题具体分析。

3 阻尼器参数设计

   阻尼器参数的设计是一个反复计算的过程,但根据经验还是可以少走一些弯路。一般来讲,高层结构使用阻尼器,无非是抗震和抗风(连廊除外),且抗风越发成为高层尤其是超高层的主要减振目的。

   液体黏滞阻尼器的装置内设硅油,在活塞的往复运动中液体起黏滞作用,耗散地震风振能量,对结构起到减振控制作用。液体黏滞阻尼器从原理上不难理解:缸筒内活塞随着结构的运动而运动时,活塞头向一边运动,内设硅油受到挤压,对活塞产生反向黏滞力。同时,硅油从活塞头上的小孔向活塞头的另一端流去,使活塞的受力逐步减少。非线性液体黏滞阻尼器的基本关系式为:F=CVα。其中C为阻尼系数,α为速度指数(阻尼指数),V为速度。图18显示了非线性阻尼器的本构关系曲线。

图1 8 非线性阻尼器本构关系曲线

   图1 8 非线性阻尼器本构关系曲线

    

   一般而言,阻尼器参数的设计包括阻尼系数C、速度指数(阻尼指数)α、阻尼器的功率。阻尼器C值大,耗能能力强,但吨位大;反之耗能能力小,吨位也小。速度指数α的选取,目前,设计者往往简单根据数值模拟的结果趋向使用尽量小的α值,但实际上并不能采取如此极端的做法,原因包括以下几点:1)采用何种速度指数是结构合理设计技术的结果;2)最为关键的原因是采用小速度指数阻尼器也就意味着适用带有阀门的阻尼器,这些带有阀门的阻尼器厂家纷纷破产表明其技术有先天不足;3)在阻尼器的慢速测试中,小速度指数阻尼器慢速测试出力有可能超过10%,不能达到规范的测试要求。

   此外,速度指数的选择也涉及阻尼器参数设计的第三方面,即阻尼器的功率。高温是对阻尼器最不利的因素,质量较差的阻尼器在内部高温的情况下会由于密封装置软化导致漏油甚至爆炸。所以,为了防止阻尼器在长时间连续工作条件下由于发热带来的损害,对于主要设计用于抗风的阻尼器,需要对阻尼器工作时的功率进行严格控制。按照阻尼器的设计使用规定,需要对阻尼器在50年一遇风荷载工况下的功率进行验算。

   一受正弦函数激励(u=u0sinωt)的非线性阻尼器,在一个运动周期内做功为[10,11]:

    

   式中:Γ为伽马函数;C为阻尼器阻尼系数;ω为角频率;α为阻尼器速度指数;u0为阻尼器振幅(常取0.2~0.3倍的阻尼器最大位移)。

   则阻尼器功率为:

    

   式中:PD为阻尼器功率,W;f为阻尼器安置方向结构的基本频率。

   从阻尼器的功率计算公式可以发现一个结论,即在其他条件不变的情况下,速度指数α对阻尼器功率的影响非常大。

   这便造成了一对矛盾,即在需要抗风时,小速度指数带来的阻尼器高耗能能力和小速度指数造成的过大阻尼器功率,因此反复迭代来平衡这对矛盾是高层结构阻尼器参数设计的主要内容之一。如果情况特殊必须要使用大功率的阻尼器,那么就必须选择专用的金属密封阻尼器。

4 阻尼器种类选择

   阻尼器种类的选择是高层结构使用阻尼器进行减振的关键。经过多年的发展,国际上目前大量新建工程都采用来自美国最先进的阻尼器产品。

4.1 普通抗震阻尼器

   设计者首先要明确自己的项目减振的主要目的是抗震还是抗风。尽管阻尼器使用者希望阻尼器既可以抗震又可以抗风,且经过分析并选择合理的阻尼器也确实可以做到这一点,但不考虑抗震和抗风阻尼器的区别还是不可取的。

   上述绝大部分抗风为主的项目中,都是使用普通的抗震阻尼器用于抗风的,因其具有很好的经济性。无摩擦金属密封阻尼器虽然性能优势明显,但其价格较高,经济性较差。因此,只要保证阻尼器在风荷载作用下的功率满足阻尼器的设计要求,使用普通抗震阻尼器用于抗风,是现阶段工程上常用的抗风手段。

   但是,由于结构在风荷载作用下的层间位移比地震荷载下要小得多,传统支撑方式通常不能有效利用阻尼器的最大冲程。因此对于用于抗风设计的阻尼器而言,使用位移放大系统的效果会更为明显。

   此外,用于抗震的阻尼器吨位都很大(比如几百吨),而阻尼器在风荷载作用下所需的吨位很小,位移也可能只有几毫米。如此大吨位的阻尼器在几毫米位移的情况下,要让阻尼器还能很好地工作,这是高品质阻尼器产品近些年主要的改进和提高。即将阻尼器的敏感性提高,使它在很小的位移下也能很好的工作。而对这一性能的提高需要一些实验的验证[12]

4.2 无摩擦金属密封阻尼器

   无摩擦金属密封阻尼器(Frictionless Hermetic Damper,图19)区别于其他普通抗震阻尼器的特性表现在阻尼器相对运动过程中几乎没有摩擦力产生。金属波纹管密封件的采用,使得金属密封阻尼器可以提供更大的功率,产生的热量随时消散,能承受更高的内部温度而不破坏,阻尼器的耐久性、稳定性大幅提高。这类阻尼器可以用于振动幅度很大、频率较高的外界环境中。在土木工程领域已有部分项目采用这类阻尼器,如伦敦千禧桥、芝加哥凯越酒店调谐质量阻尼器系统等。在这类阻尼器应用项目中,普通阻尼器有些时候并不适用,而应采用可以提供更高功率的无摩擦金属密封阻尼器[13]

图1 9 无摩擦金属密封阻尼器构造简图

   图1 9 无摩擦金属密封阻尼器构造简图

    

4.3 带特殊泄压阀的新型阻尼器

   为了同时对日常的风荷载以及偶然的地震作用都能够起到较好的减振作用,在液体黏滞阻尼器活塞内部设置一个具有特殊功能的泄压阀,在特殊泄压阀的耦连作用下,把锁定装置的性能和黏滞阻尼器的性能同时整合到该新型阻尼器中,根据特殊泄压阀的关闭,对结构在不同荷载的作用下起到相应的减振效果。旧金山弗里蒙特街181号便使用的是此种阻尼器(图20)。

图2 0 带特殊泄压阀的新型阻尼器内部构造简图

   图2 0 带特殊泄压阀的新型阻尼器内部构造简图

    

   泄压阀打开之前所表现出来的性质和锁定装置一样,主要用于抗风;地震发生后,对阀门所产生的压力超过泄压阀打开之前阻尼器的最大锁定力时,特殊泄压阀打开,该阻尼器表现出黏滞阻尼器的功能。当地震作用后,特殊泄压阀关闭,该阻尼器又恢复到初始安装时阻尼器具有的状态。

5 减振设备配合设计

   使用直接安置的阻尼器减振虽然十分可靠,但在实际应用中也会面对一些困难。由于实际工程设计往往先以强度设计为初步设计的起点,然后对结构检查风振的响应,并进一步用非线性设计方法完成抗震验算的要求。在阻尼器的最后设计阶段,由于建筑的使用功能通常已经确定,加设较多的阻尼器无疑会对结构的使用功能产生影响,这通常是建筑和其它专业(如暖通)不愿意接受的。虽然前文使用的将位移放大的阻尼器支撑方式加设在加强层/避难层可以有效解决这一问题,但有些时候也会遇到一些局限。

5.1 阻尼器与BRB共用———银泰中心

   银泰中心主塔楼为北京CBD标志性建筑之一,楼高249.9m,共62层,为超高层钢框架结构。这是我国首次在新建超高层钢结构建筑中采用消能减振措施。银泰中心主塔楼在设置黏滞阻尼器后,有效地改善了在脉动风作用下楼层加速度响应,满足了抗规的相关规定。可以认为:在结构上施加耗能元件为当今工程界解决高层建筑抗震和抗风问题提供了一个良好的手段及方法。

   北京银泰中心主塔楼共用阻尼器73个(图21),内筒从44~57层共用59个,外筒分别布置在46层和57层共用14个,其中X向为35个阻尼器,Y向为38个阻尼器,同时在加强层23层与48层设置了BRB(屈曲约束支撑),一定程度提高了结构在小震及风荷载下的刚度。

   根据《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—98)第5.5.1条要求及银泰中心各楼层的使用要求,确定减振后结构54层在横风向时最大加速度应小于0.20m/s2。设置阻尼器后,使结构54层加速度响应满足设计要求,减振率15.5%[14]

5.2 阻尼器与TMD共用———大连某150m高层结构

   使用TMD(调谐质量阻尼器)[15,16,17]减少结构风振有着很好的效果,但也有很多由频率过于敏感而引起的局限性和负作用。对大连某150m高层混凝土结构(图22)分别试算了对应的三种主要用于抗风的减振方案,包括直接安置的套索阻尼器方案、TMD方案及国内首次尝试使用的阻尼器和TMD联合使用的减振方案。计算结果表明,一定数量直接安置的阻尼器可以和上百吨重的TMD起到同样的抗风作用,且在高效的套索支撑形式的帮助下,前者的成本不到后者的1/2。同时,阻尼器在风荷载和地震工况下均有良好的减振效果,而TMD仅能用于抗风。此外,在风荷载作用下,TMD和阻尼器共用的方案对本例中的楼层加速度响应可以起到很好的减振效果,证明建筑结构可以使用直接安置的阻尼器与TMD共同使用的办法来代替传统使用TMD抗风的方案,这对于突破传统的减振思想是一个有效的尝试。

图2 1 银泰中心黏滞阻尼器平面及立面分布图

   图2 1 银泰中心黏滞阻尼器平面及立面分布图

    

5.3 阻尼器与摩擦摆共用———重庆来福士广场

   重庆来福士广场是由8座塔楼构成的建筑群,其中最高的T3,T4塔楼又分为北区和南区。在T3,T4的塔楼南区(简称T3S和T4S)及T2,T5号楼的顶端,架有一道横跨四座塔楼的景观天桥。景观天桥由26个摩擦摆支座与楼顶相连,通过摩擦摆的耗能能力控制连桥的位移。但实际结果显示,在只用摩擦摆支座的情况下,支座的最大水平位移超过1 000mm,明显偏大。因此,本工程特意在使用摩擦摆支座的基础上,额外使用了16个液体黏滞阻尼器,用于配合摩擦摆控制连桥的位移,并获得了很好的效果。使用的阻尼器参数为C=5 000 kN/(m/s)α,α=0.3,支座编号及阻尼器布置位置见图23,共计16个阻尼器。这些位置考虑了最新的连桥支撑桁架的形体和在塔楼外边机电室的位置,且维护更方便,可减少交通拥堵,同时保持隔离功能。考虑到塔楼和连桥之间的空间是有限的,不能在塔楼上安装太多的支座,因此,阻尼器不仅可以减少结构的位移,还能节省空间。

图2 2 TMD与阻尼器布置示意图

   图2 2 TMD与阻尼器布置示意图

    

图2 3 阻尼器位置示意图

   图2 3 阻尼器位置示意图

    

   对用于设计对比的仅用摩擦摆方案及摩擦摆与阻尼器共用的两种方案进行对比[18],汇总如表1和表2所示。

   表1 不同支座形式下结构性能对比   

表1 不同支座形式下结构性能对比

   表2 连桥支撑方案对比汇总   

表2 连桥支撑方案对比汇总

   最终采用的方案是摩擦摆和阻尼器共用,并应用不同的阻尼器速度指数对方案进行设计。

   结果表明,液体黏滞阻尼器的使用有效地控制了连桥的位移,弥补了单独使用摩擦摆支座的不足。

6 结论

   (1)使用套索、剪刀形及伸臂支撑形式的阻尼器,放大了阻尼器两端的相对位移,提高了阻尼器的使用效率,减少了阻尼器的用量。

   (2)将阻尼器布置在区格剪切角较大的位置,可以将阻尼器的效率发挥到最佳,达到事半功倍的经济效益;此外,在结构的加强层/避难层布置阻尼器,避免了阻尼器与建筑使用功能的冲突,更容易被业主和设计单位所采纳。

   (3)合理选用阻尼器的速度指数α值,可避免阻尼器α过小产生的一系列问题,并将阻尼器在风振下的功率控制在可接受范围。

   (4)合理选择阻尼器的类型,一方面可以使用普通抗震阻尼器用于抗风,从而节省成本;另一方面还可使用更专业的金属密封阻尼器及新型阀门阻尼器应对特殊需求。

   (5)阻尼器与其他减振设备配合使用,可使得各减振设备进行扬长避短,既节省了总的消能设计造价,又提高了减振效果。

   通过上述内容,可以有效提高消能减振方案的经济性,从而使液体黏滞阻尼器这种创新型减振设备能够被更多业主和设计者采用。

    

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Reasonable design and application of fluid viscous dampers in high-rise building structures
Peng Cheng Xue Hengli Chen Yongqi
(Beijing Qitai Shock Control and Scientific Development Co.,Ltd.)
Abstract: Design and application of fluid viscous dampers( FVD),which is the core content that concerned by energy dissipation designer of the high-rise structure,was discussed for five sections in detail. The support design of the damper included the introduction of the toggle brace,the scissor brace,the cross-layer brace,the outrigger brace,and the comparison of different brace forms; in terms of layout design,the difference between shear displacement and inter-layer displacement and the layout design of damper were analyzed; in parameter design,the selection strategy of values of C andα of the damper was described; in terms of the selection of dampers,the common dampers used for wind resistance,frictionless metal seal dampers and new type dampers with special pressure relief valves were introduced; the combination use of damper and BRB,damper and TMD,damper and friction pendulum were introduced. It can be seen from the summary that the contents of energy-dissipated design have many complicated ways,and the support form and layout position of the damper can make the final energy-dissipated design more reasonable,efficient and cheaper.
Keywords: energy dissipation; reasonable design; fluid viscous damper; BRB; TMD
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