本工程属超限工程，已于2011年2月通过全国抗震设防专项审查（当时未设置减振装置）。根据风洞试验报告，塔楼顶部楼层加速度为0.15m/s²，刚刚满足高规对舒适度的要求。但为给客户提供更好的舒适性，业主希望通过减振装置适当降低加速度值。为此，下文探讨将速度型黏滞阻尼器设置于核心筒墙体悬挑出的伸臂和外框柱之间，利用两者之间的竖向变形差耗散振动能量，达到消能减震、改善舒适度的目的。

1 工程概况

该综合发展项目位于大连市，包括A1，A2，B，C，D，T塔楼和公建式公寓、会所等几个部分（图1），其中，T塔楼主要使用功能为酒店和公寓，塔楼结构高度为295m，地上76层，地下4层，外围平面尺寸为40m×40m，高宽比约为7.4，塔楼标准层结构平面布置如图2所示。根据建筑布置，T塔楼的4，20，35，50，65层为机电层/避难层。

图1 项目效果图

图2 T塔楼标准层结构平面布置

T塔楼结构体系为框架-核心筒-外伸臂结构，三维效果图和加强构件示意见图3。根据建筑布置，35层以上高层公寓每个立面设置4根柱，5～35层每个立面设7根柱，而4层及其以下每个立面设置4根柱，以便于酒店和公寓入口的布置。结构需要在4层设置Y形斜撑转换，将上部的7根柱转换成下部的4根柱。塔楼中部为钢筋混凝土核心筒，核心筒从底到顶贯穿整个结构。为提高结构抵抗水平荷载的能力，在50层设置一组共8片伸臂桁架来连接核心筒墙体和外框柱；在35，50，65层各设一道环桁架，将外围框架柱紧密地联系在一起。

结构底部4层筒体外墙最大厚度为1300mm，自下而上逐渐减薄，在屋面层变为400mm厚；在剪力墙底部加强区范围(1～5层)的外墙端部和转角位置设型钢，从而提高墙体延性；底部4层外框柱截面尺寸为2200mm×2400mm，配钢率为4%左右。墙柱的混凝土强度等级沿高度从低到高为C60～C45；梁板的混凝土强度等级均为C35。

图3 T塔楼三维效果图和加强构件示意图

2 黏滞阻尼器介绍

经常应用于超高层建筑减震的阻尼器装置有：调谐质量阻尼器（简称TMD）、黏滞阻尼器、制震阻尼器。其中，黏滞阻尼器的产品比较成熟，实际工程应用较多，例如同济大学综合楼、伦敦千年桥、St Francis Towers。本工程选用黏滞阻尼器。黏滞阻尼器的基本构造示意如图4所示，通常由活塞、油缸、节流孔等组成，所谓节流孔是指具有比油缸截面面积A小、截面积为A0的流通通路。这类装置利用活塞前后压力差使油流过节流孔产生阻尼力，从而耗散能量。线性黏滞阻尼器的恢复力特性如图5所示。

图4 黏滞阻尼器基本构造示意图

图5 线性黏滞阻尼器的滞回环

3 黏滞阻尼器位置的确定

黏滞阻尼器通常安装在连接两个楼层的斜支撑端部，框架结构中阻尼器的通常连接如图6所示。这种连接是利用结构层间位移的变化使黏滞阻尼器往复运动，在框架结构中，结构的剪切变形大，使黏滞阻尼器能发挥较好的效果。但在剪力墙结构或框架-剪力墙结构中，结构层间变形很大部分是由于下层的刚体转动产生的，并不能完全转化为黏滞阻尼器的相对位移，故黏滞阻尼器的行程短，若要达到相同大小的附加阻尼比，需要布置更多数量的黏滞阻尼器，同时，由于这种连接需要在普通楼层布置斜支撑构件，这会对建筑使用功能有影响。

（a）梁与斜撑间水平连接 （b）双斜撑斜向连接

（c）单斜撑斜向水平连接 （b）梁与斜撑间斜向连接

图6 框架结构中阻尼器的通常连接

本工程中，将黏滞阻尼器放置在由核心筒墙体悬挑出的伸臂端部和外框柱之间，利用两种构件之间的竖向变形差使黏滞阻尼器有效工作，达到消能减振的目的。伸臂上留有门窗洞口，供人员出入和设置机电管线。整个塔楼的5个机电层/避难层均可考虑布置黏滞阻尼器。在与各专业沟通后，为减少黏滞阻尼器数量，加快施工进度，仅在20层的8个伸臂端部布设16个黏滞阻尼器，每两个黏滞阻尼器为一组，黏滞阻尼器的安装位置示意图如图7所示。

（a）黏滞阻尼器安装位置立体示意

（b）黏滞阻尼器安装位置平面示意

图7 黏滞阻尼器安装位置示意图

4 伸臂

连接黏滞阻尼器的伸臂直接由核心筒外墙上悬挑而出，通常情况下，可采用钢筋混凝土或型钢混凝土墙体、钢桁架及上述两种形式的组合，如图8所示。考虑本工程中黏滞阻尼器仅用以控制10年风荷载作用下顶部楼层的舒适度，黏滞阻尼器出力较小，选用钢筋混凝土墙体（开洞位置增设型钢）伸臂的形式。

图8 伸臂的三种形式示意图

5 阻尼系数的确定

本工程借助通用有限元软件LS-DYNA，将阻尼单元添加到结构模型中，通过改变阻尼系数c，用复特征值法计算出黏滞阻尼器的附加阻尼比，并将附加阻尼比与阻尼系数的关系绘制成曲线（图9）以助于判断。模型分析表明，当c取130kN·s/mm时，阻尼器的行程相对较小，更容易受到阻尼器加工和安装精度的影响，相对来讲，c=100kN·s/mm更为理想，阻尼器相对速度和行程均在相对合适的范围内。故本工程最终选定阻尼系数c为100kN·s/mm。

图9 阻尼系数与结构附

6 减振效果

根据选定的阻尼系数c=100kN·s/mm，在通用有限元分析软件LS-DYNA中定义相关参数，利用风洞实验室提供的风力时程数据对结构进行动力分析，阻尼器对塔楼顶部加速度的影响如图10所示。由图10可知，采用阻尼器后，塔楼顶部加速度值从0.92(对应塔楼顶部楼层加速度为0.15m/s²)减小至0.74，减小幅度约为20%，这说明16个黏滞阻尼器减振效果非常显著，舒适度明显改善。

图10 阻尼器对塔楼顶部加速度影响

对比分析有无设置黏滞阻尼器这两种情况下10年风荷载作用下塔楼的最大层间位移角（图11），以及风时程的输入能量和黏滞阻尼器输出能量（图12）。由图11可见，黏滞阻尼器发挥作用时，楼层正则化的层间位移角沿高度不同程度地减小，最大正则化的层间位移角降低了13.5%，表明黏滞阻尼器的减振效果较好。从图12可见，黏滞阻尼器的耗能占到了输入能量的1/3左右，大大减小了10年风荷载对结构的影响。

图11 黏滞阻尼器对塔楼

图12 风时程输入能量和黏滞

7 黏滞阻尼器与结构构件的连接节点

本工程黏滞阻尼器与钢筋混凝土墙体伸臂和外框柱的连接通过双耳环座、销栓及钢板预埋件实现，如图13所示。黏滞阻尼器首先通过销栓与双耳环座连接在一起，双耳环座再与预埋件钢板焊接起来。同时，钢板内侧焊接锚筋，并将锚筋埋入钢筋混凝土墙体和外框柱内。

图13 阻尼器与结构构件

通过上述分析表明，在机电层由核心筒墙体悬挑出的伸臂端部和外框柱之间设置黏滞阻尼器来控制结构舒适度的方法是可行的，黏滞阻尼器的减振效果显著。

更多内容详见《转自：建筑结构-公众号》2014年第24期中的文章《线性黏滞阻尼器在某超高层建筑中的应用》，作者：侯胜利，汪洋，江民，单位：奥雅纳工程顾问。

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