液體黏滯阻尼器在超高層建筑中的應(yīng)用

液體黏滯阻尼器在超高層建筑中的應(yīng)用

我國(guó)阻尼器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及展望近20年來，液體粘度卡箍在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域取得了迅速的發(fā)展。該結(jié)構(gòu)保護(hù)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(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)得到了抗壓工程界的廣泛認(rèn)可。在世界各地,采用液體黏滯阻尼器對(duì)超高層、高層建筑進(jìn)行抗震、抗風(fēng)保護(hù)的工程案例已有幾十個(gè)之多。在我國(guó),北京銀泰中心、北京盤古大觀以及正在建設(shè)的武漢保利廣場(chǎng),在設(shè)計(jì)和安裝等許多方面都為我們積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知。墨西哥TorreMayor大廈、菲律賓SaintFrancis香格里拉塔、美國(guó)芝加哥凱悅公園酒店,這些結(jié)構(gòu)在阻尼器以及TMD系統(tǒng)的應(yīng)用理念上提出了很多值得研究的課題。最近,美國(guó)一座42層鋼筋混凝土大樓。在設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的抗震問題提供了一個(gè)嶄新的發(fā)展方向。本文選擇幾個(gè)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(shè)計(jì)理念、實(shí)際效果和經(jīng)濟(jì)效益,并針對(duì)相關(guān)問題提出一些看法,供設(shè)計(jì)和研究者參考。這些內(nèi)容主要包括:(1)高層建筑阻尼器安置、設(shè)計(jì)方法和計(jì)算理念;(2)減振效果的討論;(3)阻尼器的經(jīng)濟(jì)效果;(4)阻尼器的選用;(5)TMD還是直接加設(shè)阻尼器抗風(fēng);(6)阻尼器取代剪力墻的設(shè)計(jì)。1結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)(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(jié)構(gòu),30和35層以下外柱和內(nèi)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(jié)構(gòu)之一,設(shè)計(jì)使用了96個(gè)大型阻尼器,結(jié)構(gòu)臨界阻尼比分別達(dá)到12%(東西向)和8.5%(南北向),減震效果良好。2003年Mayor大廈經(jīng)歷了墨西哥7.6級(jí)地震,阻尼器成功地保護(hù)了結(jié)構(gòu),使其保持在彈性范圍內(nèi)(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(shè)置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部,為跨多層布置,這種布置形式不但使阻尼器在整個(gè)樓均勻布置,而且可以放大阻尼器兩端相對(duì)位移。其他具有類似獨(dú)特跨層布置的減震結(jié)構(gòu),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(qiáng)層處設(shè)置8個(gè)懸臂墻,每個(gè)懸臂墻的端頭連接處設(shè)置兩個(gè)垂直放置的特殊阻尼器,全樓共16個(gè)。據(jù)介紹,結(jié)構(gòu)附加阻尼比高達(dá)7.5%?？紤]到實(shí)際高層結(jié)構(gòu)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(qiáng)層垂直放置阻尼器的辦法抗風(fēng)(圖3),阻尼器布置在不影響其他功能的加強(qiáng)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(jié)果表明,為數(shù)不多的16個(gè)阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)的傳統(tǒng)加強(qiáng)層,換成可變形的阻尼器,設(shè)計(jì)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(fēng)荷載下長(zhǎng)期處于振動(dòng)狀態(tài),需要設(shè)置大功率阻尼器來保證整個(gè)耗能系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),產(chǎn)品的質(zhì)量就成為至關(guān)重要的因素。(3)波士頓111Huntington大樓美國(guó)波士頓38層高層鋼結(jié)構(gòu),使用60個(gè)130t阻尼器(圖4),主要用于抑制結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng),同時(shí)提高結(jié)構(gòu)抗震性能,在波士頓還有類似的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,如Millennium大廈。波士頓111大樓阻尼器設(shè)置以層間布置為主,部分阻尼器隔層設(shè)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(jì)算過一個(gè)248m高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在相同阻尼器參數(shù)下,普通對(duì)角型和人字型支撐布置不能達(dá)到預(yù)定的減振效果,而采用套索連接方式可以使設(shè)計(jì)滿足要求。(4)北京銀泰中心銀泰中心坐落在北京長(zhǎng)安街,為63層265m超高鋼結(jié)構(gòu),采用73個(gè)液體黏滯阻尼器,有效地抑制了結(jié)構(gòu)在百年一遇大風(fēng)下的振動(dòng)加速度,使結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范對(duì)舒適度的要求(圖6)。結(jié)構(gòu)處于8度抗震設(shè)防區(qū),設(shè)置阻尼器提高了結(jié)構(gòu)抗震安全儲(chǔ)備。(5)北京盤古大觀盤古大觀為45層191m超高層鋼結(jié)構(gòu)(圖7),筆者與美國(guó)JohnMartin公司合作,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震、抗風(fēng)分析,并結(jié)合阻尼器的設(shè)置位置、安置辦法進(jìn)行了全面的計(jì)算和優(yōu)化,最終確定使用100個(gè)液體黏滯阻尼器和8個(gè)液體黏彈性阻尼器,對(duì)結(jié)構(gòu)全面抗震、抗風(fēng)起了很好的作用,也帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。北京銀泰中心和盤古大觀設(shè)計(jì)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(dá)到了結(jié)構(gòu)性能要求,阻尼器采用對(duì)角或人字形方式連接,這種設(shè)置方式為大家所熟知,易于施工。(6)美國(guó)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(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制(圖8)。在設(shè)計(jì)中考慮連續(xù)風(fēng)荷載的作用,通過計(jì)算阻尼器功率,采用了特殊大功率的阻尼器。TMD系統(tǒng)在計(jì)算分析中僅計(jì)算結(jié)構(gòu)的第一頻率共振和單振型(或幾個(gè)振型)減振,與其他結(jié)構(gòu)的全面分析不同。(7)美國(guó)42層Peer大廈(概念設(shè)計(jì))Peer大廈設(shè)計(jì)者提出采用層間布置阻尼器取代剪力墻結(jié)構(gòu),經(jīng)初步模擬計(jì)算,只要布置合理,可以比剪力墻取得更好的抗震性能和經(jīng)濟(jì)效果(圖9)。在上述超高層結(jié)構(gòu)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(duì)角和人字形布置外,波士頓111Huntington大樓的套索式連接是個(gè)值得提倡的高效方法;(2)加強(qiáng)層垂直設(shè)置阻尼器;(3)墨西哥TorreMayor大廈跨層連接方式,是另一個(gè)放大位移、提高效率的好辦法。2高阻尼反應(yīng)譜的建立與其他結(jié)構(gòu)一樣,主要是通過反應(yīng)譜和振型分解法為基礎(chǔ)的動(dòng)力分析計(jì)算和設(shè)計(jì)設(shè)置阻尼器的高層結(jié)構(gòu),可以應(yīng)用已經(jīng)被各國(guó)規(guī)范認(rèn)可的高阻尼反應(yīng)譜簡(jiǎn)化計(jì)算方法,同時(shí)按規(guī)范要求,對(duì)超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行必不可少的時(shí)程積分。限于篇幅,本文僅有針對(duì)性地談幾個(gè)問題。2.1阻尼器的布置應(yīng)該指出,僅簡(jiǎn)單地采用加設(shè)阻尼器后的高阻尼反應(yīng)譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是存在風(fēng)險(xiǎn)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(gè)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(xiǎn)的設(shè)計(jì)。要想避免進(jìn)入這種誤區(qū),設(shè)計(jì)中要注意以下兩點(diǎn):(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(shè)置阻尼器應(yīng)逐層每一方向至少兩個(gè),以免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。我國(guó)目前的規(guī)范中還沒有強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)。當(dāng)然,實(shí)際設(shè)計(jì)中也可以按結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)需要做出適合的調(diào)整。本文中介紹的布置在加強(qiáng)層上的新方法,越來越多地引起設(shè)計(jì)者的注意。(2)采用高阻尼比反應(yīng)譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,宜采用相應(yīng)強(qiáng)度的地震時(shí)程進(jìn)行時(shí)程積分,對(duì)結(jié)果仔細(xì)分析,把每個(gè)桿件的最大受力與高阻尼反應(yīng)譜和振型分解法得出的結(jié)果對(duì)比,取其大者確定設(shè)計(jì)截面。Mayor大廈的設(shè)計(jì)者為我們提供了很好的先例。墨西哥Mayor大廈和42層概念設(shè)計(jì)的大樓都采用了高阻尼反應(yīng)譜作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其他幾個(gè)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)并未這樣采用,而只針對(duì)具體問題對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行改善:銀泰中心主要是應(yīng)用阻尼器改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力,盤古大觀主要以此作為大中型地震下的結(jié)構(gòu)保護(hù),它們都只謹(jǐn)慎地應(yīng)用了有限的阻尼器改進(jìn)結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)能力。2.2附加阻尼器的計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)附加阻尼比的計(jì)算在上述工程中采用了以下三種不同的計(jì)算方法。因篇幅所限,本文僅介紹其計(jì)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(jié)構(gòu)的附加有效阻尼比;Wc為所有消能部件在結(jié)構(gòu)預(yù)期位移下往復(fù)一周所消耗的能量;Ws為設(shè)置消能部件的結(jié)構(gòu)在預(yù)期位移下的總應(yīng)變能;Fi為質(zhì)點(diǎn)i的水平地震作用力標(biāo)準(zhǔn)值;ui為質(zhì)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的位移;T1為消能減震結(jié)構(gòu)的基本自振周期;Ci為第i個(gè)消能器由試驗(yàn)確定的線性阻尼系數(shù);θi為第i個(gè)消能器的效能方向與水平面的夾角;Δui為第i個(gè)消能器兩端的相對(duì)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(jì)算準(zhǔn)確,但在我國(guó)抗震規(guī)范中對(duì)非線性阻尼器耗能結(jié)構(gòu)的附加阻尼比計(jì)算并沒有深入討論。上述阻尼器的耗能計(jì)算,可以用手算,也可以用計(jì)算的小程序計(jì)算每個(gè)阻尼器的耗能,將結(jié)果疊加。(2)采用等效對(duì)比的辦法確定附加阻尼器結(jié)構(gòu)的附加阻尼,即波士頓111大樓和墨西哥Mayor大廈在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用的方式:在一個(gè)加設(shè)阻尼器的計(jì)算模型與一組未設(shè)置阻尼器不同阻尼比的計(jì)算模型上分別施加同樣的時(shí)程函數(shù)計(jì)算,對(duì)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)(如結(jié)構(gòu)位移)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果對(duì)比,進(jìn)而找到與附加阻尼器結(jié)構(gòu)反應(yīng)最為接近的某阻尼比反應(yīng)。以此阻尼比作為加設(shè)阻尼器結(jié)構(gòu)的阻尼比。對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算而言,這種方法更加可靠、安全,也可以更全面觀察結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。然而,當(dāng)對(duì)比不同外部激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)時(shí),如脈動(dòng)風(fēng)荷載、常遇地震、罕遇地震,會(huì)得到不同的附加阻尼比,特別是當(dāng)對(duì)比非線性阻尼結(jié)構(gòu)時(shí)更為顯見。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)不同情況給出所關(guān)心的結(jié)構(gòu)反應(yīng)對(duì)應(yīng)的阻尼比。(3)對(duì)結(jié)構(gòu)施加一個(gè)動(dòng)力脈沖δ-函數(shù),進(jìn)行時(shí)程積分,得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移反應(yīng)曲線如圖10所示,只要測(cè)量出曲線的衰減情況,根據(jù)阻尼比定義式(6)可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)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(biāo),根據(jù)記錄的曲線可分析衰減振動(dòng)的周期Td,對(duì)數(shù)減幅系數(shù)δ及阻尼比ζ,有:式中:tk為k個(gè)整周期相應(yīng)的時(shí)間間隔;Xi和Xi+k為相隔k個(gè)周期的振幅。上述三種計(jì)算方法都各有理由和優(yōu)缺點(diǎn):第一種規(guī)范公式的計(jì)算方法較為常用,可以把結(jié)構(gòu)減振效果和應(yīng)用阻尼器的大小、個(gè)數(shù)直接掛鉤。只要阻尼器設(shè)置的均勻合理,這一計(jì)算結(jié)果是可靠的?？紤]到設(shè)計(jì)人所關(guān)心的結(jié)構(gòu)反應(yīng)和阻尼器布置的可能不均勻性,可采用第二種辦法核對(duì)。鑒于阻尼比的重要性,建議進(jìn)行更深入的研究。2.3結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)大量的計(jì)算模型分析、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)都證明在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)臨界阻尼比的增加可以判斷結(jié)構(gòu)的減振效果。以2.5%阻尼比為參照,參考文獻(xiàn)。給出在不同阻尼比下結(jié)構(gòu)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(gè)高層建筑設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)以達(dá)到各自的減振預(yù)期為控制目標(biāo)。盤古大觀以提高結(jié)構(gòu)抗震能力為目標(biāo),波士頓111大樓、銀泰中心及菲律賓香格里拉塔以改善結(jié)構(gòu)抗風(fēng)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(shè)置阻尼器的目的是在大震和中震下保護(hù)結(jié)構(gòu),全面提高結(jié)構(gòu)的抗震能力,通過計(jì)算各種結(jié)構(gòu)變量,評(píng)價(jià)設(shè)置阻尼器前后的結(jié)構(gòu)反應(yīng)變化,其中包括:層間位移轉(zhuǎn)角、頂點(diǎn)位移、最大彈性位移與兩端水平位移平均值比值(觀察扭轉(zhuǎn))、樓層加速度譜(觀察附屬結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng))、頂點(diǎn)對(duì)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(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)使其滿足規(guī)范要求,還可以全面、大幅度提高結(jié)構(gòu)整體的抗震能力。在安置了108個(gè)液體黏滯和液體黏彈性阻尼器后,結(jié)構(gòu)在大、中、小地震中都有很好地減震效果,結(jié)果匯總?cè)缦?大震:原設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不加阻尼器結(jié)構(gòu)屈服,加阻尼器后全部在彈性范圍內(nèi)工作;小震:結(jié)構(gòu)層間位移減小很多;結(jié)構(gòu)整體抗震能力得到增強(qiáng),提高了結(jié)構(gòu)安全性及抗震儲(chǔ)備,結(jié)構(gòu)的附屬結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻和大樓的裝置設(shè)備都受到很好的保護(hù)。采用高阻尼反應(yīng)譜進(jìn)行設(shè)計(jì)的墨西哥市長(zhǎng)大樓,與常規(guī)設(shè)計(jì)相比,減小了構(gòu)件截面,并采用時(shí)程分析驗(yàn)證其可靠性,使得其結(jié)構(gòu)在2003年墨西哥7.6級(jí)地震中能夠保持在彈性范圍內(nèi),沒有任何破壞,對(duì)結(jié)構(gòu)抗震帶來難以估量的價(jià)值。此外,采用阻尼器還可以解決抗震、抗風(fēng)的其他問題:如結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題,局部振動(dòng)問題,可以直接施加阻尼器,也可以組成TMD系統(tǒng)減少風(fēng)振。因各個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)置阻尼器的目的不同,很難給出一個(gè)有參考價(jià)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(jié)構(gòu)也應(yīng)不難做到。3阻尼器的經(jīng)濟(jì)性說起阻尼器,已經(jīng)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(duì)于已有建筑的改造,確實(shí)如此,但對(duì)于新建筑,完全可以靠合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理的采用阻尼器取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jià)。實(shí)際上很多減震要求用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是不能或難以實(shí)現(xiàn)的,對(duì)于抗震加固的高層建筑,更能體現(xiàn)出它的經(jīng)濟(jì)效益(表3)。幾乎每個(gè)工程的設(shè)計(jì)者都認(rèn)為運(yùn)用阻尼器是個(gè)經(jīng)濟(jì)的方案。墨西哥Mayor大廈采用了96個(gè)大出力阻尼器,耗資400萬美元建造了一座遠(yuǎn)比常規(guī)設(shè)計(jì)更安全的建筑。設(shè)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(shè)計(jì)相比所使用的結(jié)構(gòu)鋼材從23000t減少到18000t。使用高阻尼的場(chǎng)地反應(yīng)譜分析結(jié)構(gòu)的沉箱,典型的直徑1.5m,支撐鋼筋混凝土板的基礎(chǔ)沉箱,比常規(guī)設(shè)置深度要淺20%,長(zhǎng)度僅55m。建筑在地震中振動(dòng)的減少,也會(huì)給所有建筑裝修、附屬結(jié)構(gòu)帶來很大的好處而使造價(jià)降低。如,玻璃幕墻搭接長(zhǎng)度的減少、暖通和水管搭接長(zhǎng)度的減少,對(duì)天花板、外墻掛板、設(shè)備和裝置、計(jì)算機(jī)、甚至家具的振動(dòng)保護(hù),都使整個(gè)建筑成為一個(gè)安全的空間。在使用了阻尼器后建筑的安全性得到回報(bào),它的保險(xiǎn)費(fèi)用還減少了33%。菲律賓香格里拉塔的設(shè)計(jì)者介紹,使用了16個(gè)加強(qiáng)層阻尼器的建筑,比其他設(shè)計(jì)方案節(jié)省了400萬美元的費(fèi)用。北京盤古大觀方案分析過程中,分別采取兩種辦法對(duì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比(表4):方案1,同時(shí)加大原結(jié)構(gòu)柱和支撐截面;方案2,增加原結(jié)構(gòu)支撐截面及數(shù)量。兩種方案與使用阻尼器的方案對(duì)比結(jié)果顯示,在同樣荷載下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)中,阻尼器方案結(jié)構(gòu)反應(yīng)最低,價(jià)格卻最省。方案造價(jià)對(duì)比來看,黏滯阻尼器方案花費(fèi)節(jié)省了約200~700萬元。阻尼器的絕對(duì)投資在整個(gè)建筑費(fèi)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(gè)工程中阻尼器的基本花費(fèi)都僅占整個(gè)建筑投資的5‰以下,而在抗風(fēng)、抗震中起的減震作用都在10%~40%以上。結(jié)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(gè)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(shè)性一次投資,再加上幾十年的維護(hù)保養(yǎng)使用、地震后的恢復(fù),采用高質(zhì)量免維護(hù)、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(jīng)濟(jì)效益。4關(guān)于這些問題的討論4.1tmd在應(yīng)用前景上還需要進(jìn)一步探討直接在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器或在頂部設(shè)置TMD系統(tǒng)目前都被用于解決高層結(jié)構(gòu)的風(fēng)振問題,二者也有類似功效。此處討論的7個(gè)高層結(jié)構(gòu)中有4個(gè)都是用阻尼器抗風(fēng)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(qiáng)層垂直布置,而芝加哥凱越酒店和著名的臺(tái)灣101大廈一樣采用質(zhì)量調(diào)諧阻尼器系統(tǒng)(TMD)。TMD系統(tǒng)減振的方法,巧妙利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,外加一個(gè)振動(dòng)體系,使其振動(dòng)頻率和主體第一振型(或多個(gè)振型的MTMD)一樣,達(dá)到減少主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的,“以動(dòng)制動(dòng)”。這種減振體系計(jì)算簡(jiǎn)單,只要能與主結(jié)構(gòu)體系頻率一樣,就能減少主體振動(dòng),甚至可以達(dá)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(jù)計(jì)算分析和運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)看,有下列幾個(gè)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(huì)引起TMD系統(tǒng)頻率的變化,都不適于應(yīng)用在TMD系統(tǒng)中?？紤]到結(jié)構(gòu)在日常運(yùn)行中的屈服和荷載變化,引起結(jié)構(gòu)周期的改變,如不及時(shí)調(diào)整,TMD也會(huì)改變效果,甚者失去作用。從理論的計(jì)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(fù)作用。(2)地震荷載是個(gè)難于確定、多頻率的復(fù)合荷載,地震中結(jié)構(gòu)的頻率又很容易隨著結(jié)構(gòu)構(gòu)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(yīng)該是在常年不停的運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮作用,如果設(shè)計(jì)不當(dāng),阻尼器很容易發(fā)熱破壞。對(duì)于大質(zhì)量、大功率的TMD系統(tǒng),應(yīng)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(jié)構(gòu)無用質(zhì)量的增加會(huì)引起結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的放大,都屬嚴(yán)重的副作用。至今,我國(guó)關(guān)于高聳結(jié)構(gòu)TMD真實(shí)減振效果和可靠性的驗(yàn)證十分少見。本文認(rèn)為:對(duì)于既可以用TMD又可以用阻尼器直接減振的結(jié)構(gòu)(如高層建筑抗風(fēng)、鐵路橋梁橫向減振),從計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)、價(jià)格分析和長(zhǎng)期運(yùn)行的維護(hù)管理來說,直接運(yùn)用阻尼器減振要可靠得多、優(yōu)越得多。當(dāng)然,對(duì)單純抗風(fēng)的結(jié)構(gòu),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(dòng)或半主動(dòng)控制的AMD系統(tǒng),他們大多數(shù)是在TMD的基礎(chǔ)上附加作動(dòng)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(fēng)系統(tǒng),雖然這種系統(tǒng)比起整個(gè)結(jié)構(gòu)受力的主動(dòng)控制要容易得多,但和其他主動(dòng)控制體系一樣,同樣有價(jià)格昂貴和難于維護(hù)的缺點(diǎn)。4.2阻尼器體系的優(yōu)點(diǎn)目前,大多數(shù)高層建筑剪力墻是結(jié)構(gòu)水平側(cè)力的主要補(bǔ)充體系,或主要體系,這已經(jīng)在絕大部分建筑中廣泛應(yīng)用并深入人心。盡管這種結(jié)構(gòu)可能因?yàn)榧袅Φ淖饔糜行У胤乐沽私Y(jié)構(gòu)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(huì)引起結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備及玻璃幕墻等附屬結(jié)構(gòu)的破壞,這些破壞往往是損失巨大并難于修復(fù)的。美國(guó)42層Peer大廈的設(shè)計(jì)者嘗試采用阻尼器取代剪力墻的設(shè)計(jì)理念,如果這個(gè)方向得到驗(yàn)證,會(huì)給我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)用阻尼器體系有以下優(yōu)點(diǎn):(1)不用或少用剪力墻后將使用結(jié)構(gòu)周期變長(zhǎng),一般會(huì)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(jié)構(gòu)的第一周期由原來的4.1s變成5.54s,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)下降。(2)使用阻尼器使結(jié)構(gòu)阻尼比增加,進(jìn)一步減少了結(jié)構(gòu)反應(yīng)。從上述兩點(diǎn)可以看出,只要設(shè)計(jì)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(xiàn)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)圖:粗黑線2BD2.5為沒有取消剪力墻、結(jié)構(gòu)為阻尼比2.5%時(shí)的層間位移反應(yīng)曲線。如果我們?nèi)サ艏袅?并靠阻尼器把阻尼比提到10%,得到2BDNSWD10曲線,其結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng),除下部幾層外,均比用剪力墻的體系小得多(圖12)。結(jié)構(gòu)的層間剪力和基底剪力也都比原剪力墻結(jié)構(gòu)有成倍的下降(圖13)。且剪力墻是個(gè)一經(jīng)破壞難以修復(fù)的體系,而設(shè)計(jì)合理、質(zhì)量可靠的阻尼器在設(shè)計(jì)地震中不易破壞可重復(fù)使用,采用阻尼器的優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)減震方案時(shí),設(shè)計(jì)者采用層間對(duì)角設(shè)置位移型阻尼器(UBB或BRB)減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(diǎn)。最近,周云教授等提出在高層建筑上設(shè)置耗能層的理念,筆者也在天津某正在設(shè)計(jì)工程中推薦在加強(qiáng)層內(nèi)用層間Toggle設(shè)置方法。結(jié)果顯示,起到很好的減振效果