液體黏滯阻尼器在超高層建筑中的應用

液體黏滯阻尼器在超高層建筑中的應用

我國阻尼器結構的應用及展望近20年來，液體粘度卡箍在結構工程領域取得了迅速的發(fā)展。該結構保護系統(tǒng)在土木工程中的作用，尤其是在上層和高層建筑中的巨大減壓作用，以及由此產生的經濟優(yōu)勢得到了抗壓工程界的廣泛認可。在世界各地,采用液體黏滯阻尼器對超高層、高層建筑進行抗震、抗風保護的工程案例已有幾十個之多。在我國,北京銀泰中心、北京盤古大觀以及正在建設的武漢保利廣場,在設計和安裝等許多方面都為我們積累了豐富的經驗和認知。墨西哥TorreMayor大廈、菲律賓SaintFrancis香格里拉塔、美國芝加哥凱悅公園酒店,這些結構在阻尼器以及TMD系統(tǒng)的應用理念上提出了很多值得研究的課題。最近,美國一座42層鋼筋混凝土大樓。在設計中提出采用黏滯阻尼器取代剪力墻,這一嘗試為超高層鋼筋混凝土結構的抗震問題提供了一個嶄新的發(fā)展方向。本文選擇幾個具有代表性的、采用黏滯阻尼器減震的高層建筑,分析了其設計理念、實際效果和經濟效益,并針對相關問題提出一些看法,供設計和研究者參考。這些內容主要包括:(1)高層建筑阻尼器安置、設計方法和計算理念;(2)減振效果的討論;(3)阻尼器的經濟效果;(4)阻尼器的選用;(5)TMD還是直接加設阻尼器抗風;(6)阻尼器取代剪力墻的設計。1結構抗風設計(1)墨西哥TorreMayor大廈Mayor大廈為57層225m的高層辦公大樓,全部采用鋼結構,30和35層以下外柱和內柱分別為鋼柱外包鋼筋混凝土,是世界上首批使用阻尼器減震的高層結構之一,設計使用了96個大型阻尼器,結構臨界阻尼比分別達到12%(東西向)和8.5%(南北向),減震效果良好。2003年Mayor大廈經歷了墨西哥7.6級地震,阻尼器成功地保護了結構,使其保持在彈性范圍內(圖1)。墨西哥Mayor大廈采用了跨層支撐。阻尼器布置方案,東西方向布置的阻尼器與外墻巨型支撐相連,南北向設置在結構內部,為跨多層布置,這種布置形式不但使阻尼器在整個樓均勻布置,而且可以放大阻尼器兩端相對位移。其他具有類似獨特跨層布置的減震結構,其抗震效果都很好(見圖2)。(2)菲律賓SaintFrancis香格里拉塔這兩座210m高的鋼筯混凝土建筑由核心筒和外框柱所組成,外框柱和剛性核心筒在加強層處設置8個懸臂墻,每個懸臂墻的端頭連接處設置兩個垂直放置的特殊阻尼器,全樓共16個。據介紹,結構附加阻尼比高達7.5%?？紤]到實際高層結構存在整體受彎的變形,菲律賓香格里拉大廈創(chuàng)新采用了這種加強層垂直放置阻尼器的辦法抗風(圖3),阻尼器布置在不影響其他功能的加強層連接處,很好地解決了阻尼器布置與建筑要求的沖突問題,易被建筑師和其他工種所接受。分析結果表明,為數(shù)不多的16個阻尼器對結構整體控制效果很好,且工作效率較高。然而,這種布置形式切斷了原設計的傳統(tǒng)加強層,換成可變形的阻尼器,設計的利弊和可靠性值得斟酌。此外,由于這種安裝的阻尼器在風荷載下長期處于振動狀態(tài),需要設置大功率阻尼器來保證整個耗能系統(tǒng)正常運轉,產品的質量就成為至關重要的因素。(3)波士頓111Huntington大樓美國波士頓38層高層鋼結構,使用60個130t阻尼器(圖4),主要用于抑制結構的風振反應,同時提高結構抗震性能,在波士頓還有類似的設計和應用,如Millennium大廈。波士頓111大樓阻尼器設置以層間布置為主,部分阻尼器隔層設置,一定程度地保證了阻尼器從下到上的均勻性,其中一半采用效率較高的套索(Toggle)布置形式,將阻尼器的效率提高到2倍以上。筆者曾計算過一個248m高的鋼筋混凝土結構,在相同阻尼器參數(shù)下,普通對角型和人字型支撐布置不能達到預定的減振效果,而采用套索連接方式可以使設計滿足要求。(4)北京銀泰中心銀泰中心坐落在北京長安街,為63層265m超高鋼結構,采用73個液體黏滯阻尼器,有效地抑制了結構在百年一遇大風下的振動加速度,使結構滿足規(guī)范對舒適度的要求(圖6)。結構處于8度抗震設防區(qū),設置阻尼器提高了結構抗震安全儲備。(5)北京盤古大觀盤古大觀為45層191m超高層鋼結構(圖7),筆者與美國JohnMartin公司合作,對結構進行了抗震、抗風分析,并結合阻尼器的設置位置、安置辦法進行了全面的計算和優(yōu)化,最終確定使用100個液體黏滯阻尼器和8個液體黏彈性阻尼器,對結構全面抗震、抗風起了很好的作用,也帶來顯著的經濟效益。北京銀泰中心和盤古大觀設計減震方案均采用局部層間均勻布置的形式,通過優(yōu)化阻尼器參數(shù)達到了結構性能要求,阻尼器采用對角或人字形方式連接,這種設置方式為大家所熟知,易于施工。(6)美國芝加哥凱悅公園酒店的TMD系統(tǒng)凱悅酒店為257m高、68層的現(xiàn)澆鋼筋混凝土超高層建筑,采用300tTMD系統(tǒng)進行結構風振控制(圖8)。在設計中考慮連續(xù)風荷載的作用,通過計算阻尼器功率,采用了特殊大功率的阻尼器。TMD系統(tǒng)在計算分析中僅計算結構的第一頻率共振和單振型(或幾個振型)減振,與其他結構的全面分析不同。(7)美國42層Peer大廈(概念設計)Peer大廈設計者提出采用層間布置阻尼器取代剪力墻結構,經初步模擬計算,只要布置合理,可以比剪力墻取得更好的抗震性能和經濟效果(圖9)。在上述超高層結構中,除TMD系統(tǒng),涉及到幾種阻尼器布置形式和連接辦法:(1)層間布置阻尼器,阻尼器的連接形式除常用的對角和人字形布置外,波士頓111Huntington大樓的套索式連接是個值得提倡的高效方法;(2)加強層垂直設置阻尼器;(3)墨西哥TorreMayor大廈跨層連接方式,是另一個放大位移、提高效率的好辦法。2高阻尼反應譜的建立與其他結構一樣,主要是通過反應譜和振型分解法為基礎的動力分析計算和設計設置阻尼器的高層結構,可以應用已經被各國規(guī)范認可的高阻尼反應譜簡化計算方法,同時按規(guī)范要求,對超高層結構進行必不可少的時程積分。限于篇幅,本文僅有針對性地談幾個問題。2.1阻尼器的布置應該指出,僅簡單地采用加設阻尼器后的高阻尼反應譜進行結構設計是存在風險的,特別是在考慮建筑等因素影響下,阻尼器的布置可能不均勻或不合理,雖然阻尼器個數(shù)和大小足夠,按規(guī)范仍然可得出較高的附加阻尼比,但這種不合理的布置所帶來假象,將引起局部危險的設計。要想避免進入這種誤區(qū),設計中要注意以下兩點:(1)一般情況下,我們把阻尼器布置在位移較大的地方,并且要盡量從下到上均勻布置。為此,NEHRP2000要求設置阻尼器應逐層每一方向至少兩個,以免產生扭轉效應。我國目前的規(guī)范中還沒有強調這一點。當然,實際設計中也可以按結構本身的設計需要做出適合的調整。本文中介紹的布置在加強層上的新方法,越來越多地引起設計者的注意。(2)采用高阻尼比反應譜進行結構設計后,宜采用相應強度的地震時程進行時程積分,對結果仔細分析,把每個桿件的最大受力與高阻尼反應譜和振型分解法得出的結果對比,取其大者確定設計截面。Mayor大廈的設計者為我們提供了很好的先例。墨西哥Mayor大廈和42層概念設計的大樓都采用了高阻尼反應譜作為結構設計的基礎。其他幾個結構在設計時并未這樣采用,而只針對具體問題對結構抗震性能進行改善:銀泰中心主要是應用阻尼器改善結構的抗風能力,盤古大觀主要以此作為大中型地震下的結構保護,它們都只謹慎地應用了有限的阻尼器改進結構抗震、抗風能力。2.2附加阻尼器的計算高層建筑結構附加阻尼比的計算在上述工程中采用了以下三種不同的計算方法。因篇幅所限,本文僅介紹其計算理論。(1)按抗震規(guī)范給出的如下能量方法估算:式中:ξa為消能減震結構的附加有效阻尼比;Wc為所有消能部件在結構預期位移下往復一周所消耗的能量;Ws為設置消能部件的結構在預期位移下的總應變能;Fi為質點i的水平地震作用力標準值;ui為質點i對應于水平地震作用標準值的位移;T1為消能減震結構的基本自振周期;Ci為第i個消能器由試驗確定的線性阻尼系數(shù);θi為第i個消能器的效能方向與水平面的夾角;Δui為第i個消能器兩端的相對水平位移。只要阻尼器布置均勻合理,這種辦法最容易統(tǒng)一且計算準確,但在我國抗震規(guī)范中對非線性阻尼器耗能結構的附加阻尼比計算并沒有深入討論。上述阻尼器的耗能計算,可以用手算,也可以用計算的小程序計算每個阻尼器的耗能,將結果疊加。(2)采用等效對比的辦法確定附加阻尼器結構的附加阻尼,即波士頓111大樓和墨西哥Mayor大廈在實際設計中采用的方式:在一個加設阻尼器的計算模型與一組未設置阻尼器不同阻尼比的計算模型上分別施加同樣的時程函數(shù)計算,對結構的反應(如結構位移)進行計算結果對比,進而找到與附加阻尼器結構反應最為接近的某阻尼比反應。以此阻尼比作為加設阻尼器結構的阻尼比。對結構計算而言,這種方法更加可靠、安全,也可以更全面觀察結構的地震反應。然而,當對比不同外部激勵下的結構反應時,如脈動風荷載、常遇地震、罕遇地震,會得到不同的附加阻尼比,特別是當對比非線性阻尼結構時更為顯見。設計者應根據不同情況給出所關心的結構反應對應的阻尼比。(3)對結構施加一個動力脈沖δ-函數(shù),進行時程積分,得到結構振動位移反應曲線如圖10所示,只要測量出曲線的衰減情況,根據阻尼比定義式(6)可以計算出結構的阻尼比。但是這種辦法一般只用來得到第一振型的阻尼比。選x為廣義坐標,根據記錄的曲線可分析衰減振動的周期Td,對數(shù)減幅系數(shù)δ及阻尼比ζ,有:式中:tk為k個整周期相應的時間間隔;Xi和Xi+k為相隔k個周期的振幅。上述三種計算方法都各有理由和優(yōu)缺點:第一種規(guī)范公式的計算方法較為常用,可以把結構減振效果和應用阻尼器的大小、個數(shù)直接掛鉤。只要阻尼器設置的均勻合理,這一計算結果是可靠的?？紤]到設計人所關心的結構反應和阻尼器布置的可能不均勻性,可采用第二種辦法核對。鑒于阻尼比的重要性,建議進行更深入的研究。2.3結構體系的優(yōu)化設計大量的計算模型分析、振動臺試驗都證明在結構上安裝阻尼器有良好的減振作用,這一效果最好的表征是結構阻尼比的改變。圖11顯示隨著阻尼比增加,在2~5s間加速度反應譜遞減的情況,不難得到:阻尼器可在減震上發(fā)揮重大作用。從結構臨界阻尼比的增加可以判斷結構的減振效果。以2.5%阻尼比為參照,參考文獻。給出在不同阻尼比下結構減振系數(shù),同樣給出了阻尼比改變下的減振率,如表1所示。表2列出這7個高層建筑設計附加阻尼比的情況改變(摘自各文中),可以看出墨西哥Mayor大廈減振效果最優(yōu)。高層減震結構以達到各自的減振預期為控制目標。盤古大觀以提高結構抗震能力為目標,波士頓111大樓、銀泰中心及菲律賓香格里拉塔以改善結構抗風性能為主要目的,此外也都改善了它們的抗震性能。以北京盤古大觀為例,其設置阻尼器的目的是在大震和中震下保護結構,全面提高結構的抗震能力,通過計算各種結構變量,評價設置阻尼器前后的結構反應變化,其中包括:層間位移轉角、頂點位移、最大彈性位移與兩端水平位移平均值比值(觀察扭轉)、樓層加速度譜(觀察附屬結構的地震反應)、頂點對地面豎向加速度放大比例、基底剪力、基底彎矩和基底扭矩。計算結果表明:正確使用液體黏滯阻尼器,不僅可以優(yōu)化傳統(tǒng)設計使其滿足規(guī)范要求,還可以全面、大幅度提高結構整體的抗震能力。在安置了108個液體黏滯和液體黏彈性阻尼器后,結構在大、中、小地震中都有很好地減震效果,結果匯總如下:大震:原設計不加阻尼器不能滿足抗震規(guī)范的要求,加阻尼器后可以滿足;中震:原設計不加阻尼器結構屈服,加阻尼器后全部在彈性范圍內工作;小震:結構層間位移減小很多;結構整體抗震能力得到增強,提高了結構安全性及抗震儲備,結構的附屬結構、玻璃幕墻和大樓的裝置設備都受到很好的保護。采用高阻尼反應譜進行設計的墨西哥市長大樓,與常規(guī)設計相比,減小了構件截面,并采用時程分析驗證其可靠性,使得其結構在2003年墨西哥7.6級地震中能夠保持在彈性范圍內,沒有任何破壞,對結構抗震帶來難以估量的價值。此外,采用阻尼器還可以解決抗震、抗風的其他問題:如結構的扭轉問題,局部振動問題,可以直接施加阻尼器,也可以組成TMD系統(tǒng)減少風振。因各個結構設置阻尼器的目的不同,很難給出一個有參考價值的減振比例。盤古大觀的層間位移大都可下降到10%~40%,其他結構也應不難做到。3阻尼器的經濟性說起阻尼器,已經沒有人再懷疑它的減震作用。但仍有很多人以為,雖然它可以減震,但需要增加投資。對于已有建筑的改造,確實如此,但對于新建筑,完全可以靠合理的優(yōu)化設計、合理的采用阻尼器取代傳統(tǒng)結構構件減震的措施,不僅減震效果好,而且可以在很大幅度上降低建筑的造價。實際上很多減震要求用傳統(tǒng)的設計方法是不能或難以實現(xiàn)的,對于抗震加固的高層建筑,更能體現(xiàn)出它的經濟效益(表3)。幾乎每個工程的設計者都認為運用阻尼器是個經濟的方案。墨西哥Mayor大廈采用了96個大出力阻尼器,耗資400萬美元建造了一座遠比常規(guī)設計更安全的建筑。設置阻尼器的投入被工程材料用量的節(jié)余所抵消:使用了阻尼器后,與最初的常規(guī)設計相比所使用的結構鋼材從23000t減少到18000t。使用高阻尼的場地反應譜分析結構的沉箱,典型的直徑1.5m,支撐鋼筋混凝土板的基礎沉箱,比常規(guī)設置深度要淺20%,長度僅55m。建筑在地震中振動的減少,也會給所有建筑裝修、附屬結構帶來很大的好處而使造價降低。如,玻璃幕墻搭接長度的減少、暖通和水管搭接長度的減少,對天花板、外墻掛板、設備和裝置、計算機、甚至家具的振動保護,都使整個建筑成為一個安全的空間。在使用了阻尼器后建筑的安全性得到回報,它的保險費用還減少了33%。菲律賓香格里拉塔的設計者介紹,使用了16個加強層阻尼器的建筑,比其他設計方案節(jié)省了400萬美元的費用。北京盤古大觀方案分析過程中,分別采取兩種辦法對方案的經濟性進行對比(表4):方案1,同時加大原結構柱和支撐截面;方案2,增加原結構支撐截面及數(shù)量。兩種方案與使用阻尼器的方案對比結果顯示,在同樣荷載下的結構反應中,阻尼器方案結構反應最低,價格卻最省。方案造價對比來看,黏滯阻尼器方案花費節(jié)省了約200~700萬元。阻尼器的絕對投資在整個建筑費用所占的比例中也是非常小的。北京銀泰中心和盤古大觀兩個工程中阻尼器的基本花費都僅占整個建筑投資的5‰以下,而在抗風、抗震中起的減震作用都在10%~40%以上。結論是顯而易見的:以同樣的抗震效果為前提,在此討論的6個已建工程都不同程度地節(jié)省了大量建筑成本。如果我們不僅考慮建設性一次投資,再加上幾十年的維護保養(yǎng)使用、地震后的恢復,采用高質量免維護、地震后不破壞的阻尼器就更可以為高層建筑帶來巨大的經濟效益。4關于這些問題的討論4.1tmd在應用前景上還需要進一步探討直接在結構中設置阻尼器或在頂部設置TMD系統(tǒng)目前都被用于解決高層結構的風振問題,二者也有類似功效。此處討論的7個高層結構中有4個都是用阻尼器抗風的,其中波士頓111大廈和北京銀泰大廈采用層間布置,菲律賓香格里拉大廈加強層垂直布置,而芝加哥凱越酒店和著名的臺灣101大廈一樣采用質量調諧阻尼器系統(tǒng)(TMD)。TMD系統(tǒng)減振的方法,巧妙利用結構的振動特性,外加一個振動體系,使其振動頻率和主體第一振型(或多個振型的MTMD)一樣,達到減少主體結構振動的目的,“以動制動”。這種減振體系計算簡單,只要能與主結構體系頻率一樣,就能減少主體振動,甚至可以達到40%~50%的減振效果。然而,與直接采用阻尼器減震的工程相比,根據計算分析和運用的經驗看,有下列幾個值得考慮的問題:(1)它是頻率敏感性很高的系統(tǒng),一些有摩擦的阻尼器、黏彈性阻尼器、帶有非線性的橡膠支座都會引起TMD系統(tǒng)頻率的變化,都不適于應用在TMD系統(tǒng)中?？紤]到結構在日常運行中的屈服和荷載變化,引起結構周期的改變,如不及時調整,TMD也會改變效果,甚者失去作用。從理論的計算可以看出:只要頻率偏出10%以上,TMD系統(tǒng)的減振作用就不能再考慮,如果偏離過大就要考慮其負作用。(2)地震荷載是個難于確定、多頻率的復合荷載,地震中結構的頻率又很容易隨著結構構件的屈服、破壞而改變。TMD甚至多頻率MTMD都很難在抗震工程中起到很好的減振作用,還需要考慮其自身在地震中的安全性。(3)TMD系統(tǒng)采用的阻尼器要求很高。這種阻尼器應該是在常年不停的運動中發(fā)揮作用,如果設計不當,阻尼器很容易發(fā)熱破壞。對于大質量、大功率的TMD系統(tǒng),應該盡量采用無摩擦或小摩擦的金屬密封阻尼器。世界很多著名的TMD系統(tǒng)的漏油檢修就說明了它的問題和困難。(4)TMD如果失去作用,結構無用質量的增加會引起結構地震反應的放大,都屬嚴重的副作用。至今,我國關于高聳結構TMD真實減振效果和可靠性的驗證十分少見。本文認為:對于既可以用TMD又可以用阻尼器直接減振的結構(如高層建筑抗風、鐵路橋梁橫向減振),從計算的經驗、價格分析和長期運行的維護管理來說,直接運用阻尼器減振要可靠得多、優(yōu)越得多。當然,對單純抗風的結構,采用TMD系統(tǒng)仍然是可取的方案。日本在很多高層建筑上安裝了主動或半主動控制的AMD系統(tǒng),他們大多數(shù)是在TMD的基礎上附加作動器,提高TMD的減振效果。上海環(huán)球金融中心就采用了這種AMD抗風系統(tǒng),雖然這種系統(tǒng)比起整個結構受力的主動控制要容易得多,但和其他主動控制體系一樣,同樣有價格昂貴和難于維護的缺點。4.2阻尼器體系的優(yōu)點目前,大多數(shù)高層建筑剪力墻是結構水平側力的主要補充體系,或主要體系,這已經在絕大部分建筑中廣泛應用并深入人心。盡管這種結構可能因為剪力墻的作用有效地防止了結構的倒塌,但一旦剪力墻破壞,除了自身系統(tǒng)的破壞以外,可能會引起結構、管道、設備及玻璃幕墻等附屬結構的破壞,這些破壞往往是損失巨大并難于修復的。美國42層Peer大廈的設計者嘗試采用阻尼器取代剪力墻的設計理念,如果這個方向得到驗證,會給我們的結構設計帶來革命性的影響,這種前沿的想法是值得支持和肯定的。與剪力墻抗震體系相比,應用阻尼器體系有以下優(yōu)點:(1)不用或少用剪力墻后將使用結構周期變長,一般會減少地震荷載。Peer大廈在取消核心筒的剪力墻,變成純框架體系后,結構的第一周期由原來的4.1s變成5.54s,相應的結構反應下降。(2)使用阻尼器使結構阻尼比增加,進一步減少了結構反應。從上述兩點可以看出,只要設計合理,采用阻尼器體系可以很好地取代剪力墻體系抗震,參考文獻的結構反應圖:粗黑線2BD2.5為沒有取消剪力墻、結構為阻尼比2.5%時的層間位移反應曲線。如果我們去掉剪力墻,并靠阻尼器把阻尼比提到10%,得到2BDNSWD10曲線,其結構層間位移反應,除下部幾層外,均比用剪力墻的體系小得多(圖12)。結構的層間剪力和基底剪力也都比原剪力墻結構有成倍的下降(圖13)。且剪力墻是個一經破壞難以修復的體系,而設計合理、質量可靠的阻尼器在設計地震中不易破壞可重復使用,采用阻尼器的優(yōu)勢更加明顯。4.3基于rb的能耗層在論證北京銀泰中心和盤古大觀設計減震方案時,設計者采用層間對角設置位移型阻尼器(UBB或BRB)減少結構振動的辦法,其減震效果雖然有限,但具有不影響建筑效果和易于安裝的優(yōu)點。最近,周云教授等提出在高層建筑上設置耗能層的理念,筆者也在天津某正在設計工程中推薦在加強層內用層間Toggle設置方法。結果顯示,起到很好的減振效果