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【行业知识】阻尼器在高层建筑中的抗风应用实例

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【行业知识】阻尼器在高层建筑中的抗风应用实例

发表于 2021-2-28 22:03:53 阅读模式 倒序浏览
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钢结构设计

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一、前言

目前世界上越来越多的结构采用消能减震或基础隔震技术进行抗震抗风设计,采用这些技术的大楼也经历了不同台风考验和大地震考验,本篇主要介绍高层建筑中采用阻尼器抗风应用实例。


二、阻尼、阻尼器 

所谓的阻尼就是使自由振动的物体振幅稳定减少的作用,振幅不断衰减的过程就是阻尼能量耗散的过程,其原理就是如下简单的示意图,那能提供阻尼的装置就是所谓的阻尼器。采用阻尼器的结构称之为消能减震(振)结构,美国也形象地称作为结构保护系统(protective system)

      结构在风或地震作用下会发生振动/摇摆,较大的振动会引起结构/非结构构件的破坏,此外高层建筑因其细长而易于产生风振,从而可能导致较大的峰值结构加速度,也会引起用户不舒服的感觉。通常减少结构振动的方法除了增加结构的刚度,硬“抗”,我们还可以有另外的选择—增加结构消能减震的措施,通过采用阻尼器的方式,起到耗散能量、减少振动。


三、阻尼器的前世 

1969年美国世茂中心双子塔首次采用粘弹性阻尼器,标志着阻尼器这项创新技术在高层建筑结构中应用。双子塔从7~107层在楼板水平桁架和外围柱之间安装了约一万个粘弹性阻尼单元,提供1%的附加阻尼,主要目的是用于减少塔楼的风致振动,以满足用户舒适性的要求。

根据加州大学伯克利分校地震工程研究中心一些资料,早期(1994年以前所采用的阻尼系统列表如下:

三、阻尼器的今生

根据CTBUH的统计,截至2019年目前世界前20名最高的建筑,共有30%左右采用阻尼器。其中世界最高的已建成的10栋塔楼如下:

1)上海中心(632m)—TMD

2)平安金融中心(599m)—TMD

3)台北101(508m)—TMD

4)上海环球金融中心(492m)—ATMD

5)6)、吉隆坡双子塔(452m)—TMD

7)432 Park Avenue (426m)—TMD

8)Princess Tower (413m)—TLD

9)23 Marina (392m)—TMD

10)Almas Tower (360m)—TMD

@CTBUH

CTBUH也统计了世界最高50栋塔楼所采用阻尼器的特点

1、按照塔楼的功能

@CTBUH


2、按主体结构材料划分

@CTBUH

3、按照阻尼器的类型

@CTBUH


Types of Dampers 阻尼器常见类型

AMD = Active Mass Damper 主动质量阻尼器

ATMD = Active Tuned Mass Damper主动调谐质量阻尼器

BRB = Buckling Restrained Brace 防屈曲支撑

HMD = Hybrid Mass Damper 混合质量阻尼器

TLCD = Tuned Liquid Column Damper 调谐液体柱阻尼器

TLD = Tuned Liquid Damper 调谐液体阻尼器

TMD = Tuned Mass Damper 调谐质量阻尼器

VD = Viscous Damper 粘滞阻尼器

VED = Viscoelastic Damper 粘弹性阻尼器

从CTBUH的统计来看,超高层采用的阻尼器类型有48%采用TMD减振,其次是20%采用Viscous Damper 粘滞阻尼器。


4、从地域分布来看,采用阻尼器的塔楼主要集中分布在台风地区、地震多发地区。

@CTBUH

四、常见阻尼器类型及其工作原理示意

目前塔楼所采用的阻尼系统,包括调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TSD)和分布式阻尼系统(粘滞/粘弹性阻尼器)。调谐质量阻尼器的工作原理可以通过下面的一个小视频了解▼


广州电视塔采用水箱阻尼器,发射器天线采用两个2吨质量块阻尼器。

典型质量阻尼器型式

一般摆式TMD布局

         TMD通常包括通过弹簧和阻尼装置连接于建筑的质量(通常位于最大振动处),阻尼装置一般为粘性阻尼设备。将TMD频率准确调谐到建筑频率将产生TMD质量的惯性力,以抵消作用于建筑结构体系的侧向风荷载或地震荷载,从而使建筑的风致振动降低。TMD设计通常有两个重要的参数:质量比(目标振型中TMD质量与建筑广义质量的比值)和TMD质量位移。根据目标性能和空间约束,质量比一般为0.5%到2.0%。TMD质量与结构广义质量的比值与TMD位移成反比(即质量比增加,TMD位移减少) ,但是TMD质量的增加,将对结构造成更大的荷载,引起更大的支撑结构需求或地震响应。

五、超高层阻尼器案例

1、台北101,采用质量660吨的单摆质量阻尼器,是世界上第一个引入建筑关键视觉元素的TMD。重现期为6个月的峰值加速度从7.9milli减少到 5.0milli-g 


2、上海中心首次采用电涡流单级摆TMD,其质量块重大1000吨。是目前已建成的最大阻尼器,也是电涡流和可变阻尼在被动式TMD首次应用。工作原理如下:导体在磁场中运动时,由于其感生电动势的作 用,磁场总是阻碍导体运动。将块状导体在磁场中 运动的机械功在电涡流阻尼过程中通过导体的电阻 热效应被消耗掉,从而产生电涡流阻尼耗能作用。

                                                              @RWDI

@RWDI

3、纽约432 Park Avenue

@Marshall Gerometta

纽约432 Park Avenue 高度为426m, 高宽比1:15,采用2个600吨的可变回复力单摆TMD。

@RWDI

本项目中粘滞阻尼器连接主要质量块和主体结构,在TMD相对时,粘滞阻尼器连杆伸长或者缩短,一部分振动的能量被吸收并以热能形式耗散。


4、纽约111 West 57th Street 

高度达到435m,她是世界上目前最纤细的建筑,高宽比达到1:24.3。采用双级摆(Dual-stage Pendulum TMD),总质量为800吨。

双级摆包括两个质量块组件,其中一个质量块由缆索悬挂支撑,另一个由关节式支撑杆支撑,这种相关联运动的方式使得整个系统能够在接近结构自振频率的预计频率下运动。双级摆TMD比单质量块相比节约大量的空间。

@Sources: SHoP Architects, WSP



5、苏州国金中心93 层 

高450m。塔楼顶层采用590T消防水箱设计用于水箱TLD设计 . 在TLD 的 作用下, 10年回归期下风致加速度将由 17gal降低到12gal.

@RWDI

6、维也纳多瑙河城市大厦 Danube City Tower

号称奥地利最高的塔楼,高度220m,采用自控型调频质量阻尼器(Real-Time Controlled TMD),MAURER自控型调频质量阻尼器由一个300吨的单摆式质量体和半主动阻尼器组成,可依照无阻尼动力减振器原理,根据实际振动频率实时调节频率和阻尼,从而阻尼力可以实现无极变化,在50-100毫秒间阻尼器的响应力可以从3-110kn变化。其性能优于被动型调频质量阻尼器高达 68%由于显著提高的效能允许自身调频质量减小到被动型调频质量阻尼器的标称值80%左右,也减少了装置所需空间。

米兰的CityLife Isozaki Tower也采用类似阻尼器技术,但是以Bracing作为解决方案。

@ARUP



7、旧金山181 Fremont Street 大楼

世界首个耐震韧性铂金奖建筑,它处在地震高发区的美国西海岸,同时也是台风地区,为节省顶部建筑空间,结构没有采用传统的TMD,而是采用VD+BRB组合阻尼系统,附加阻尼约为8%。

@ARUP

@ARUP


8、多伦多某住宅楼

        建筑高度200m,高宽比11。粘弹性阻尼在加拿大多伦多安大略省已被广泛研究用于的高层住宅项目。随着多年的项目实践和设计演进,那里的VCD(Viscoelastic Coupling Damping Technology)系统被用来为风适应性(建筑运动和侧移)提供最佳额外阻尼结构方案。虽然增加的阻尼为抵御大型风荷载和大地震提供好处,但其作为一个保守的设计方法,设计团队一般不考虑粘弹性阻尼耦合系统(VCD)进行强度设计用于风力和地震。

                        @Michael Montgomery,etc.

采用VCD系统,结构附加阻尼比约增加2%,根据频繁的风力条件(1年一遇和10年一遇)的增加阻尼等级,预期的横向加速度反映减少21%。


六、后续

高层建筑采用阻尼器抗风,虽然是TMD为主要选择,但是还是“百花齐放”,没有绝对最优的方案,只有最适合的方案。


留个“彩蛋”给大家,猜猜下面图片的项目是什么?采用什么阻尼器方式减振?前三名留言答对的,赠送ARUP“神秘”电子书一本。



参考资料:

1、Engineering Structures, Vol.17, No.9, November 1995

2、CTBUH Research

3、https://www.nytimes.com

4、https://www.deepdyve.com/lp/wiley/danube-city-tower-semi-active-dampers-respond-to-various-load-cases-jC4cMbH9Ib


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