减震技术丨阻尼器在高层建筑中的抗震应用实例

三泰书斋 2020-09-11

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来源：Philosophy of Structure，获授权转载。

一、前言

阻尼器也叫动态修改设备或者叫保护系统在高层建筑中的首批应用之一是在纽约市世界贸易中心安装了10,000个粘弹性双层剪切阻尼器。随后，在新西兰进行了有关被动式阻尼器利用的重大研究。然而，减震器发展的主要诱因是1980年代末和1990年代初发生了几次地震，包括Loma Prieta（1989）和美国加利福尼亚的Northridge（1994）以及日本的Kobe（1995）。同时抗风设计的并行发展发生在20世纪后期。

一个结构主要特性通常包括质量、刚度（周期）、阻尼。在刚度和质量上进行工作是一种常见的做法，但是另一种解决方案是在动态系统中进行阻尼或能量耗散的工作。

二、抗震消能减震系统介绍

1、主要消能减震系统介绍

目前在项目中所用到阻尼器主要有这几种，它们是根据使用的控制机制进行分类的。定义了以下三个主要类别（请参阅表1）：被动、主动、半主动和混合以及隔震系统。

被动系统具有恒定的属性，而主动，半主动和混合系统会根据负载需求更改其属性，并且在大多数情况下，需要外部能源才能正常工作。隔震系统被认为独立于其他两个类别，因为主要功能是将建筑在隔震层上下分成两部分不同结构响应。

表1 阻尼器的分类

表2被动阻尼系统分类

位移型系统	速度型系统	混合系统	运动型系统
金属阻尼器	粘滞阻尼器	摩擦摆	质量调谐阻尼器
自回复系统		粘弹性阻尼器	液体调谐阻尼器

表3 主要分布式阻尼器对比

@CTBUH

主要阻尼器示意图：

@ARUP

2、阻尼器的布置

前面所介绍消能减震系统设计采用最多就是分布式阻尼系统，有许多方法来实现结构中的分布式阻尼。基本概念是将阻尼器连接到将发生运动的位置，例如梁和柱节点之间或地板之间，它们在剪切型运动中相对变形。阻尼器捕获这些变形，并以相反的力在拉伸和压缩方向上抵抗。由于这些原因，该系统在典型的弯矩框架或支撑框架中或在剪力墙结构（例如，连梁，支腿系统，剪力墙减振器等）中均能很好地工作。在过去的二十年中，已经在建筑物的设计和建造中引入并实施了几种配置，其中通过放大阻尼器的感知运动来增强阻尼器的性能。下图提供了最常用的不同的几何分布阻尼配置，并总结了它们的主要优点和缺点。所有这些系统都需要以机构的形式创建各种装置，以促进阻尼器端部的差速运动的放大，从而提高阻尼器的性能。但是，对于减震系统的评估，应在减震器的总体评估中考虑这些设备的刚度或柔韧性的衰减效果以及放大特性。

@CTBUH

分布式阻尼系统根据使用的设备和使用的结构解决方案采用不同的布置。另外，由于这些设备跨越整个楼层高度，因对建筑布局中的自由度造成了一些限制。因此，阻尼器的放置可能变得困难，因为用于阻尼器的位置可能被建筑构件（例如，窗户，门）占据，尤其是在建筑物翻新的情况下。

@CTBUH

三、消能减震的策略

1、结构动力响应特点

让我们来看一下不同结构高度下地震响应。第一栋4层房子，结构T1=0.7s，第二栋12层，结构T1=1.5s 第三栋24层，结构T1=4s

我们对上面三栋结构分别输入同一条场地时程波，大家会看到一个'奇怪“的结果，就是最高的建筑反而受到”激励“最小。为什么呢？

我们由时域到频域在看一下，看看我们计算地震力都非常熟悉的加速度反应谱

在看看位移谱，不同高度建筑位移所带来的反映是如何在位移谱体现的:

@ARUP

前面概念性介绍不同结构在地震下响应，我们了解不同结构的动力特性及其响应，才能更好的有针对性的设计消能减震系统。

2、消能减震的策略

1）刚性结构（T<1s)

如反应谱所示，刚性结构的加速度响应（小于1.0秒）非常大，高达规范规定荷载的4.5倍。基础隔震最常用于医院、政府高层建筑、公司总部、科研设施（敏感设备）以及最近许多住宅楼。

如果业主不愿意投资基础隔震方案，只要结构系统非常灵活（即低高度，但钢框架、木框架等），阻尼器可能会有一定效果。然而，附加阻尼通常最多为+1%到+3%。因此，设计荷载仍很可能远大于规范规定值，比“标准等级”结构更昂贵。

@ARUP

隔震系统的有效性目标应为4.0至5.0秒的模态周期。在罕遇地震作用下，隔震位移应控制在500mm以下，阻尼器可以用于减小隔震系统的位移响应。

@ARUP

2）普通结构（1s<T<3s)

从技术上讲，在1到2秒的时间范围内，基础隔震和阻尼装置方案都可以工作建筑物的比例（宽高比）将是基础隔震是否有利于结构的一个因素-高宽高比将导致较大的倾覆力矩，而倾覆力矩又必须由承重装置抵抗。隔震支座的压缩/拉伸能力是有限制。因此，高宽比小→基础隔震体系是有利的，高宽比大→阻尼装置系统是有利的

结构的第二模态周期很可能在1.0秒左右。虽然质量参与的百分比可能很小，但由于反应可能是3到4倍，因此效果可能是显著的。请注意，选定的阻尼方案也会抑制此模式。

@ARUP

3）柔性结构（T>3s)

如反应谱所示，就地震加速度响应而言，第一模态周期的激励可能不是一个问题。但是，要注意低频地震运动的可能性，它可能会与结构共振。

风荷载很可能也是巨大的，可能恒威细长结构的控制因素。→选择对小振幅振动有效的阻尼器类型。TMD/AMD也非常有效。

结构的第二模态周期很可能在1.5秒或更长的范围内。虽然质量参与的百分比可能很小，但由于反应是2倍多，因此效果是显著的。应用阻尼器控制第二个振型的地震响应。

四、消能减震案例

目前在高层、超高层抗震设计中采用阻尼器系统一般以被动系统为主，比较常采用的是

1、以BRB、剪切型为代表的金属型阻尼器，代表案例有重庆来福士项目

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2、以粘滞阻尼器为代表

1）粘滞阻尼器主要利用支撑、腰桁架、伸臂桁架中，最具代表和创新的是ARUP第一次在212m的菲律宾马尼拉StFrancis Towers项目中采用伸臂阻尼器系统。大部分人认为伸臂阻尼器主要是用来降低风荷载，满足舒适度要求；其实这个项目距活动断层（Marikina断层）不到2公里，也是一个高烈度地区。伸臂阻尼器所提供的附加阻尼，在475年一遇地震下消能减震也是显著的。这项技术在11个国家申请专利，同时与3家供应商（TaylorDevices\Freyssinet\FIP）签订许可协议。

@ARUP

下表可以看出结构475年中震比风洞试验结果大50%以上。

2）徐家汇中心项目

上海徐家汇中心T2塔楼建筑高370m，为目前浦西最高塔楼，结构体系采用框架+核心筒+2道腰桁架。结构利用设备层的腰桁架布置了约100多根粘滞阻尼器，实现结构韧性设计。设置阻尼器后框架梁、柱的损伤都较小，绝大部分仍处于弹性状态未发生破坏；连梁损伤得到明显改善，中区破坏严重的连梁数量减少，高区连梁损伤程度减小；底部剪力墙混凝土受压、中区剪力墙钢筋受拉有所改善；达到通过设置阻尼器能改善结构损伤韧性设计目标的要求。

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@蓝科

3、隔震案例

国内隔震系统一般用在多/高层以及一些连桥/连体结构。闵行莘庄地铁上盖项目是上海第一个采用层间隔震的TOD项目。

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可以说日本把隔震技术发挥比较极致，不仅仅多层用，高层也用，不仅仅基础隔震，层间隔震应用也多。

Nakanoshima Festival Tower (Osaka)

Shiodome Sumitomo Building

层间隔震会影响电梯上下运行，隔震层下面的电梯井道要按照最大地震变形考虑预留井道的宽度。

4、组合减隔震技术

高层结构中除了上面比较常见消能减震技术外，现在也越来越多采用组合减隔震技术。位移型与速度型结合就是一个不错的选择，如采用粘滞阻尼器+BRB,粘滞阻尼器+剪切型金属阻尼器，根据结构地震下变形特点，沿结构高度采用不同阻尼器系统。

1）重庆来福士广场的空中连桥