阻尼器在高層建築中的抗震應用實例

FAM

2019-06-11

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一、前言

阻尼器是一種「動態修改設備」或「動態保護系統」，在高層建築中的首批應用之一，是在紐約市世界貿易中心安裝了10,000個粘彈性雙層剪切阻尼器。隨後，在紐西蘭進行了有關被動式阻尼器利用的重大研究。

然而，減震器發展的主要誘因是1980年代末和1990年代初發生了幾次地震，包括Loma Prieta（1989）和美國加州的Northridge（1994）以及日本阪神（1995）。同時抗風設計的並行發展發生在20世紀後期。

結構主要特性通常包括品質、剛度（週期）、阻尼。在剛性和品質上進行工作是一種常見的做法，但是另一種解決提案是在動態系統中進行阻尼或能量耗散的工作。

二、抗震消能減震系統介紹

1、主要消能減震系統介紹

目前在作品中所用到阻尼器主要有這幾種，它們是根據使用的控制機制進行分類的。定義了以下三個主要類別（請參閱表1）：被動、主動、半主動和混合以及隔震系統。

被動系統具有恆定的屬性，而主動，半主動和混合系統會根據負載需求更改其屬性，並且在大多數情況下，需要外部能源才能正常工作。隔震系統被認為獨立於其他兩個類別，因為主要機能是將建築在隔震層上下分成兩部分不同結構響應。

表2被動阻尼系統分類

位移型系統速度型系統混合系統運動型系統金屬阻尼器粘滯阻尼器摩擦擺品質調諧阻尼器自回覆系統

粘彈性阻尼器液體調諧阻尼器

主要阻尼器

2、阻尼器的配置

前面所介紹消能減震系統設計採用最多就是分佈式阻尼系統，有許多方法來實現結構中的分佈式阻尼。基本概念是將阻尼器連接到將發生運動的位置，例如梁和柱節點之間或地板之間，它們在剪切型運動中相對變形。阻尼器捕獲這些變形，並以相反的力在拉伸和壓縮方向上抵抗。

由於這些原因，該系統在典型的彎矩框架或支撐框架中或在剪力牆結構（例如，連梁、支腿系統、剪力牆減振器等）中均能很好地工作。在過去的二十年中，已經在建築物的設計和建造中引入並實施了幾種配置，其中採取放大阻尼器的感知運動來增強阻尼器的性能。

下圖提供了最常用的不同的幾何分佈阻尼配置，並總結了它們的主要優點和缺點。所有這些系統都需要以機構的形式創建各種裝置，以促進阻尼器端部的差速運動的放大，進而提高阻尼器的性能。但是，對於減震系統的評估，應在減震器的整體評估中考慮這些設備的剛度或柔韌性的衰減效果以及放大特性。

@CTBUH

分佈式阻尼系統根據使用的設備和使用的結構解決提案採用不同的配置。另外，由於這些設備跨越整個樓層高度，因對建築配置中的自由度造成了一些限制。因此，阻尼器的放置可能變得困難，因為用於阻尼器的位置可能被建築構件（例如，窗戶，門）佔據，尤其是在建築物翻新的情況下。

@CTBUH

三、消能減震的策略

1、結構動力響應特點

讓我們來看一下不同結構高度下地震響應。第一棟4層房子，結構T1=0.7s，第二棟12層，結構T1=1.5s 第三棟24層，結構T1=4s

我們對上面三棟結構分別輸入同一條基地時程波，大家會看到一個”奇怪「的結果，就是最高的建築反而受到」激勵「最小。為什麼呢？

我們由時域到頻域在看一下，看看我們計算地震力都非常熟悉的加速度反應譜

再看看位移譜，不同高度建築位移所帶來的反映是如何在位移譜呈現的:

@ARUP

前面概念性介紹不同結構在地震下響應，我們瞭解不同結構的動力特性及其響應，才能更好的有針對性的設計消能減震系統。

2、消能減震的策略

1）剛性結構（T<1s)

如反應譜所示，剛性結構的加速度響應（小於1.0秒）非常大，高達規範規定荷載的4.5倍。基礎隔震最常用於醫院、政府高層建築、公司總部、科研設施（敏感設備）以及最近許多住宅大樓。

如果業主不願意投資基礎隔震提案，只要結構系統非常靈活（即低高度，但鋼框架、木框架等），阻尼器可能會有一定效果。然而，附加阻尼通常最多為+1%到+3%。因此，設計荷載仍很可能遠大於規範規定值，比「標準等級」結構更昂貴。

@ARUP

隔震系統的有效性目標應為4.0至5.0秒的模態週期。在罕遇地震作用下，隔震位移應控制在500mm以下，阻尼器可以用於減小隔震系統的位移響應。

@ARUP

2）普通結構（1s<T<3s)

從技術上講，在1到2秒的時間範圍內，基礎隔震和阻尼裝置提案都可以工作建築物的比例（寬高比）將是基礎隔震是否有利於結構的一個因素-高寬高比將導致較大的傾覆力矩，而傾覆力矩又必須由承重裝置抵抗。隔震支座的壓縮/拉伸能力是有限制。因此，高寬比小→基礎隔震體系是有利的，高寬比大→阻尼裝置系統是有利的

結構的第二模態週期很可能在1.0秒左右。雖然品質參與的百分比可能很小，但由於反應可能是3到4倍，因此效果可能是顯著的。請注意，選定的阻尼提案也會抑制此模式。

@ARUP

3）柔性結構（T>3s)

如反應譜所示，就地震加速度響應而言，第一模態週期的激勵可能不是一個問題。但是，要注意低頻地震運動的可能性，它可能會與結構共振。風荷載很可能也是巨大的，可能恆威細長結構的控制因素。→選擇對小振幅振動有效的阻尼器類型。TMD/AMD也非常有效。結構的第二模態週期很可能在1.5秒或更長的範圍內。雖然品質參與的百分比可能很小，但由於反應是2倍多，因此效果是顯著的。應用阻尼器控制第二個振型的地震響應。

四、消能減震案例

目前在高層、超高層抗震設計中採用阻尼器系統一般以被動系統為主，比較常採用的是

1、以BRB、剪切型為代表的金屬型阻尼器，代表案例有重慶來福士商業大樓

2、以粘滯阻尼器為代表

1）菲律賓馬尼拉St Francis Towers

粘滯阻尼器主要利用支撐、腰桁架、伸臂桁架中，最具代表和創新的是ARUP第一次在212m的菲律賓馬尼拉St Francis Towers中採用伸臂阻尼器系統。

大部分人認為伸臂阻尼器主要是用來降低風荷載，滿足舒適度要求；其實這棟大樓距活動斷層（Marikina斷層）不到2公里，也是一個高烈度地區。伸臂阻尼器所提供的附加阻尼，在475年回歸期地震下消能減震也是顯著的。這項技術在11個國家申請專利，同時與3家供應商（Taylor Devices Freyssinet FIP）簽訂許可協議。

@ARUP

下表可以看出結構475年中震比風洞試驗結果大50%以上。

2）徐家匯中心

上海徐家匯中心T2塔樓建築高370m，為目前浦西最高塔樓，結構體系採用框架+服務核+2道腰桁架。結構利用設備層的腰桁架配置了約100多根粘滯阻尼器，實現結構韌性設計。設置阻尼器後框架樑、柱的損傷都較小，絕大部分仍處於彈性狀態未發生破壞；連梁損傷得到明顯改善，中區破壞嚴重的連梁數量減少，高區連梁損傷程度減小；底部剪力牆混凝土受壓、中區剪力牆鋼筋受拉有所改善；達到採取設置阻尼器能改善結構損傷韌性設計目標的要求。