一、前言

目前世界上越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)采用消能減震或基礎(chǔ)隔震技術(shù)進(jìn)行抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)，采用這些技術(shù)的大樓也經(jīng)歷了不同臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)和大地震考驗(yàn)，本篇主要介紹高層建筑中采用阻尼器抗風(fēng)應(yīng)用實(shí)例。

二、阻尼、阻尼器 

所謂的阻尼就是使自由振動(dòng)的物體振幅穩(wěn)定減少的作用，振幅不斷衰減的過(guò)程就是阻尼能量耗散的過(guò)程，其原理就是如下簡(jiǎn)單的示意圖，那能提供阻尼的裝置就是所謂的阻尼器。采用阻尼器的結(jié)構(gòu)稱之為消能減震（振）結(jié)構(gòu)，美國(guó)也形象地稱作為結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)(protective system)

，時(shí)長(zhǎng)00:05

      結(jié)構(gòu)在風(fēng)或地震作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)/搖擺，較大的振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)/非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，此外高層建筑因其細(xì)長(zhǎng)而易于產(chǎn)生風(fēng)振，從而可能導(dǎo)致較大的峰值結(jié)構(gòu)加速度，也會(huì)引起用戶不舒服的感覺。通常減少結(jié)構(gòu)振動(dòng)的方法除了增加結(jié)構(gòu)的剛度，硬“抗”，我們還可以有另外的選擇—增加結(jié)構(gòu)消能減震的措施，通過(guò)采用阻尼器的方式，起到耗散能量、減少振動(dòng)。

三、阻尼器的前世 

1969年美國(guó)世茂中心雙子塔首次采用粘彈性阻尼器，標(biāo)志著阻尼器這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)在高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。雙子塔從7~107層在樓板水平桁架和外圍柱之間安裝了約一萬(wàn)個(gè)粘彈性阻尼單元，提供1%的附加阻尼，主要目的是用于減少塔樓的風(fēng)致振動(dòng)，以滿足用戶舒適性的要求。

根據(jù)加州大學(xué)伯克利分校地震工程研究中心一些資料，早期（1994年以前所采用的阻尼系統(tǒng)列表如下：

三、阻尼器的今生

1）上海中心（632m）—TMD

2）平安金融中心（599m）—TMD

3）臺(tái)北101（508m）—TMD

4）上海環(huán)球金融中心（492m）—ATMD

5）6）、吉隆坡雙子塔（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也統(tǒng)計(jì)了世界最高50棟塔樓所采用阻尼器的特點(diǎn)

1、按照塔樓的功能

@CTBUH

2、按主體結(jié)構(gòu)材料劃分

@CTBUH

3、按照阻尼器的類型

@CTBUH

Types of Dampers 阻尼器常見類型

AMD = Active Mass Damper 主動(dòng)質(zhì)量阻尼器

ATMD = Active Tuned Mass Damper主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器

BRB = Buckling Restrained Brace 防屈曲支撐

HMD = Hybrid Mass Damper 混合質(zhì)量阻尼器

TLCD = Tuned Liquid Column Damper 調(diào)諧液體柱阻尼器

TLD = Tuned Liquid Damper 調(diào)諧液體阻尼器

TMD = Tuned Mass Damper 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器

VD = Viscous Damper 粘滯阻尼器

VED = Viscoelastic Damper 粘彈性阻尼器

從CTBUH的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，超高層采用的阻尼器類型有48%采用TMD減振，其次是20%采用Viscous Damper 粘滯阻尼器。

4、從地域分布來(lái)看，采用阻尼器的塔樓主要集中分布在臺(tái)風(fēng)地區(qū)、地震多發(fā)地區(qū)。

@CTBUH

四、常見阻尼器類型及其工作原理示意

廣州電視塔采用水箱阻尼器，發(fā)射器天線采用兩個(gè)2噸質(zhì)量塊阻尼器。▼

典型質(zhì)量阻尼器型式

一般擺式TMD布局

         TMD通常包括通過(guò)彈簧和阻尼裝置連接于建筑的質(zhì)量(通常位于最大振動(dòng)處),阻尼裝置一般為粘性阻尼設(shè)備。將TMD頻率準(zhǔn)確調(diào)諧到建筑頻率將產(chǎn)生TMD質(zhì)量的慣性力,以抵消作用于建筑結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向風(fēng)荷載或地震荷載,從而使建筑的風(fēng)致振動(dòng)降低。TMD設(shè)計(jì)通常有兩個(gè)重要的參數(shù)：質(zhì)量比(目標(biāo)振型中TMD質(zhì)量與建筑廣義質(zhì)量的比值)和TMD質(zhì)量位移。根據(jù)目標(biāo)性能和空間約束,質(zhì)量比一般為0.5%到2.0%。TMD質(zhì)量與結(jié)構(gòu)廣義質(zhì)量的比值與TMD位移成反比(即質(zhì)量比增加,TMD位移減少) ,但是TMD質(zhì)量的增加,將對(duì)結(jié)構(gòu)造成更大的荷載,引起更大的支撐結(jié)構(gòu)需求或地震響應(yīng)。

五、超高層阻尼器案例

1、臺(tái)北101,采用質(zhì)量660噸的單擺質(zhì)量阻尼器，是世界上第一個(gè)引入建筑關(guān)鍵視覺元素的TMD。重現(xiàn)期為6個(gè)月的峰值加速度從7.9milli減少到 5.0milli-g 

2、上海中心首次采用電渦流單級(jí)擺TMD，其質(zhì)量塊重大1000噸。是目前已建成的最大阻尼器，也是電渦流和可變阻尼在被動(dòng)式TMD首次應(yīng)用。工作原理如下:導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于其感生電動(dòng)勢(shì)的作 用，磁場(chǎng)總是阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)。將塊狀導(dǎo)體在磁場(chǎng)中 運(yùn)動(dòng)的機(jī)械功在電渦流阻尼過(guò)程中通過(guò)導(dǎo)體的電阻 熱效應(yīng)被消耗掉，從而產(chǎn)生電渦流阻尼耗能作用。

                                                              @RWDI

@RWDI

3、紐約432 Park Avenue

@Marshall Gerometta

紐約432 Park Avenue 高度為426m, 高寬比1：15，采用2個(gè)600噸的可變回復(fù)力單擺TMD。

@RWDI

本項(xiàng)目中粘滯阻尼器連接主要質(zhì)量塊和主體結(jié)構(gòu)，在TMD相對(duì)時(shí)，粘滯阻尼器連桿伸長(zhǎng)或者縮短，一部分振動(dòng)的能量被吸收并以熱能形式耗散。

4、紐約111 West 57th Street 

雙級(jí)擺包括兩個(gè)質(zhì)量塊組件，其中一個(gè)質(zhì)量塊由纜索懸掛支撐，另一個(gè)由關(guān)節(jié)式支撐桿支撐，這種相關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)的方式使得整個(gè)系統(tǒng)能夠在接近結(jié)構(gòu)自振頻率的預(yù)計(jì)頻率下運(yùn)動(dòng)。雙級(jí)擺TMD比單質(zhì)量塊相比節(jié)約大量的空間。

@Sources: SHoP Architects, WSP

5、蘇州國(guó)金中心93 層 

@RWDI

6、維也納多瑙河城市大廈 Danube City Tower

米蘭的CityLife Isozaki Tower也采用類似阻尼器技術(shù)，但是以Bracing作為解決方案。@ARUP

7、舊金山181 Fremont Street 大樓

世界首個(gè)耐震韌性鉑金獎(jiǎng)建筑，它處在地震高發(fā)區(qū)的美國(guó)西海岸，同時(shí)也是臺(tái)風(fēng)地區(qū)，為節(jié)省頂部建筑空間，結(jié)構(gòu)沒(méi)有采用傳統(tǒng)的TMD，而是采用VD+BRB組合阻尼系統(tǒng)，附加阻尼約為8%。   

@ARUP

@ARUP

8、多倫多某住宅樓

        建筑高度200m，高寬比11。粘彈性阻尼在加拿大多倫多安大略省已被廣泛研究用于的高層住宅項(xiàng)目。隨著多年的項(xiàng)目實(shí)踐和設(shè)計(jì)演進(jìn),那里的VCD（Viscoelastic Coupling Damping Technology）系統(tǒng)被用來(lái)為風(fēng)適應(yīng)性(建筑運(yùn)動(dòng)和側(cè)移)提供最佳額外阻尼結(jié)構(gòu)方案。雖然增加的阻尼為抵御大型風(fēng)荷載和大地震提供好處,但其作為一個(gè)保守的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一般不考慮粘彈性阻尼耦合系統(tǒng)(VCD)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)用于風(fēng)力和地震。

                        @Michael Montgomery,etc.

采用VCD系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)附加阻尼比約增加2%，根據(jù)頻繁的風(fēng)力條件(1年一遇和10年一遇)的增加阻尼等級(jí),預(yù)期的橫向加速度反映減少21%。

六、后續(xù)

參考資料：

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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