高层建筑结构中粘滞阻尼器的新型安装方式

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

2010年12月

世󰀁界󰀁地󰀁震󰀁工󰀁程WORLDEARTHQUAKEENGINEERING

Vo.l26No.4

Dec.2010

文章编号:1007-6069(2010)04-0135-06

高层建筑结构中粘滞阻尼器的新型安装方式

汪志昊,陈政清

1,2

2

(1.华北水利水电学院土木交通学院,河南郑州450011;2.湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082)

摘󰀁要:在建筑结构中,一般粘滞阻尼器均布置在层间,但在有些情况下较小的层间位移差在一定程度上制约了阻尼器性能的充分发挥。系统回顾了为解决这一问题,目前最新的一些解决方案:改进层间阻尼器的连接方式,如基于连杆结构、杠杆原理与齿轮机构的位移放大系统,及大对角支撑;新型结构保护系统,如利用结构构件竖向振动位移及框架核心筒结构的加强层阻尼系统等,并重点分析了加强层阻尼系统。

关键词:结构保护系统;粘滞阻尼器;位移放大;框架核心筒结构;加强层中图分类号:P315.966;TU973󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

Newinstallationsofviscousdampersinhighrisebuildings

WANGZhihao,CHENZhengqing

1,2

2

(1󰀁SchoolofCivilEngineeringandTransportation,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,

Zhengzhou450011,China;2󰀁CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)

Abstract:Thedampersaregenerallyplacedbetweentheadjacentstoriesinbuildingstructures,butinsomeappl-icationstherelativesmalldisplacementhasrestrictedtheperformanceofdampers.Tosolvethisproblem,lotsofcountermeasureshavebeenproposed,whicharereviewedindetai.lOneistheimprovementoftheconnectingmethod,suchasthedisplacementamplificationsystembasedonlinkage,levermechanismsaswellasgearmecha-nisms,andbigdiagonalbraces.Therearenewtypesofstructuralprotectionsystems,suchasthesystemusingvert-i

caldisplacementbetweenstructuralcomponentsandtheoutriggerreinforcing-coursedampingsystemforframe-coretubestructure,heretheoutriggerdampingsystemhasbeenpaidmoreattention.

Keywords:structuralprotectionsystem;viscousdamper;displacementamplification;frame-coretubestructure;outriggerreinforcing-course

引言

自Yao展

[2-5]

[1]

1972年提出结构振动控制的概念以来,结构振动控制在过去的30多年里得到了长足的发

[6,7]

。结构振动被动控制,由于它的简单及可靠性,已得到广泛认可,并在世界范围内有了相当多的工程

。其突

[7]

实例。特别值得指出的是液体粘滞阻尼器,其可以有效降低结构在各种动力载荷作用下的反应出特点有

:(1)内置液体,本身没有可计算的刚度,不影响整个结构周期和原有的设计;(2)力与位移呈椭

󰀁󰀁收稿日期:2009-10-29;󰀁修订日期:2009-11-09󰀁󰀁基金项目:国家自然科学基金重点项目(50738002)

󰀁󰀁作者简介:汪志昊(1980-),男,博士研究生,主要从事结构振动控制研究󰀁E-mai:lzhihaowang1@gmai.lcom

通讯作者:陈政清(1947-),男,教授,博士生导师,主要从事结构风致振动与控制研究.E-mai:lzqchen@hnu.cn

136世󰀁界󰀁地󰀁震󰀁工󰀁程󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第26卷

圆型的滞回曲线,保证了安置在结构上的阻尼器在最大位移的状态下受力为0,最大受力情况下位移为0,这一性能对减小结构反应十分有利。

阻尼器的安装位置和阻尼系数是液体粘滞阻尼器在工程应用中首先要考虑的问题。整体来说,阻尼器应放置在结构内部具有较大相对位移的位置。在建筑结构中,阻尼器一般均布置在层间,但有些结构较小的层间位移差在一定程度上制约了阻尼器性能的充分发挥。文中系统总结了为解决这一问题,已有的一些努力与尝试。代表性工作有:新型的层间阻尼器连接方式,如基于连杆结构、杠杆原理与齿轮结构的位移放大系统,及大对角支撑;新型结构保护系统,如利用结构竖向振动位移及框架核心筒的加强层阻尼系统等。

1󰀁位移放大系统

1.1󰀁位移放大的作用

为了更好的理解位移放大在阻尼器耗能中的作用,首先以一个简单的例子加以说明。非线性粘滞阻尼器的力学模型可以表示如下:

FD=Csgn(v)|v|

a

(1)

式中:FD表示阻尼力;C表示阻尼系数;sgn(󰀁)表示符号函数;v表示阻尼器两端的相对速度;a表示速度指数,一般在结构抗震中常用范围为0.3~1。设阻尼器做振幅为A,圆频率为w的正弦运动,则阻尼器的位移u和速度v可以分别表示为:

u=Asin(󰀁t);v=󰀁Acos(󰀁t)

󰀁󰀁若通过某种方式,可将结构的振动位移放大󰀁倍,放大后的位移u󰀁和速度v󰀁可以分别表示为:

u󰀁=󰀁u;v󰀁=󰀁v

󰀁󰀁设阻尼器在一个周期内消耗的能量分别为E󰀁,E,那么二者之间的比值󰀁可以表示为:

󰀁=

E󰀁

=E

(2)(3)

󰀁󰀁Csgn(v)|v|

0

2󰀁/󰀁0

2󰀁/󰀁

Csgn(󰀁v)|󰀁v|d(󰀁u)

a

a

=󰀁

1+a

(4)

d(u)

󰀁󰀁从式(4)可以看出,当a越大,放大位移后的阻尼器相对放大前消耗的能量也就越多。即使对应摩擦型阻尼器a=0,仍有󰀁=󰀁>1。1.2󰀁连杆机构

Constantinou等率先提出了基于连杆机构的位移放大系统

[8]

[8]

,并有了一些实际工程实例。此外,Sigaher

图1󰀁各种安装方式下的位移放大比Fig󰀁1󰀁Thedifferentdisplacementamplificationratiosofinstallations

图2󰀁剪刀型阻尼器布置方式

Fig󰀁2󰀁Theenergydissipationsystemofscissor-jack-damper

第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁汪志昊,等:高层建筑结构中粘滞阻尼器的新型安装方式137

与Constantinou进一步提出了阻尼器的剪刀型布置

[9]

。图1对比分析了各种阻尼器安装方式对应的位移放

大比,从图中可以看出,常用的第1、第2种即对角式和人字形安装或减小了层间位移,或正好等于层间位移。而第3种对应的剪刀型,和第4、第5种对应的连杆安装对位移放大都非常有效。图2给出了剪刀型布置在实际结构应用时可能存在的具体安装形式1.3󰀁齿轮与杠杆机构

[9]

,其所占空间非常小,特别适合安装空间受限制的结构。

[10]

Berton与Bolander采用在机械领域广泛应用的齿条齿轮加速器来放大结构振动传给阻尼器的位移,

如图3所示。当结构产生位移u时,由于齿轮2的半径相对齿轮1较大,连在齿条齿轮末端齿条的阻尼器活塞杆位移将得到放大。试验结果表明,该位移放大系统配合阻尼器工作切实可行。

[11]

Kubota等提出了基于杠杆原理的位移放大系统,如图4所示,对这一单自由度结构,当结构产生X的位移,安装的阻尼器位移将得到󰀁倍的放大。Ribakov与Reinhorn等提出了基于杠杆原理的位移放大系统在建筑结构中的实际应用,如图5所示,图5(a)给出了阻尼器的整体安装示意图,图5(b)进一步给出了杠杆与阻尼器的局部连接示意图。对一个7层建筑结构的数值仿真分析表明,减震效果显著。

[12]

图3󰀁齿轮结构位移放大系统Fig󰀁3󰀁Displacementamplificationsystembasedonrackandpinionmechanism

图4󰀁杠杆位移放大系统Fig󰀁4󰀁Displacementamplificationsystem

basedonleverarmmechanism

图5󰀁基于杠杆原理位移放大的建筑结构阻尼系统

Fig󰀁5󰀁Thedampingsystemforabuildingbasedonthedisplacementamplificationwithleverarm

2󰀁新型结构保护系统

2.1󰀁阻尼器连接件阻尼系统

常规的阻尼器均是利用层间的侧向位移,正如前文论述的位移放大系统,放大的也都是层间位移差。Rahimian提出了利用结构竖向位移的阻尼器安装方式

[13,14]

,见图6。图6左图表示阻尼器的安装示意图,右

图表示在结构高阶振型(3阶模态)下的结构变形与阻尼器位移示意图。从图中可以看出,该系统将阻尼器安装在两个相互独立的桁架间,阻尼器两端的位移差由层间位移与桁架引起的竖向位移差2部分组成。文献[14]通过一个20层的建筑结构耗能减震系统设计,说明了相对传统的粘滞阻尼器安装,这种安装方式在138世󰀁界󰀁地󰀁震󰀁工󰀁程󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第26卷

不增加阻尼器的情况下,仍可以大幅提高结构前几阶模态阻尼比。对于高层建筑效果应该会更好,因为高层建筑的支撑体系会呈现更大的竖向位移。典型的工程应用就是墨西哥第一高楼墨西哥市长大楼间安装有显著提高

[14,15]

[14]

,如图7

所示,且其阻尼器又采用隔层大型支撑方法安装,极大的放大了阻尼器两端的位移,减振效果相对比单一层

,并且经受了2003年6.7级的实际地震考验。

图6󰀁阻尼器连接件阻尼系统Fig󰀁6󰀁Dampingsystemwiththedampedlink

图7󰀁墨西哥市长大楼的阻尼器安装

Fig󰀁7󰀁TheinstallationofviscousdampersinTorreMayor

2.2󰀁加强层阻尼系统

所谓加强层,即从核心筒或剪力墙外伸并与外围框架柱连接在一起的具有较大刚度的水平构件。在水平荷载作用下,由于加强层的存在,使得与加强层相连的两侧外柱分别沿轴向受拉和受压,形成的反力矩抵消了由外荷载产生的部分倾覆力矩,同时减小了结构侧移

[16,17]

应用,国内外已有了较多的工程实例。变,对结构抗震存在不利因素。为此,周云等

[18]

[16]

。这种结构类型在高层建筑中得到非常广泛的

虽然加强层的设置可以有效减小高层建筑在水平荷载下的侧向位移,但同时在加强层的位置形成了刚度突

提出将加强层桁架中的支撑用耗能部件(支撑+阻尼器)代替,形

成耗能减振层。Jeremiah最早提出将加强层与外围框架柱断开,利用加强层与外围框架柱间相对大的位移差,布

[19]

设竖向粘滞阻尼器的创新思想,图8给出了这种阻尼系统的概念示意图。Smith等引用大量的高层建筑阻尼实测数据说明了建筑结构固有阻尼的不确定性,同时通过数值分析,指出了结构阻尼对高层建筑结构动力设计的重要性。基于此,他们开发了类似于文献[19]的阻尼减振系统,并已成功应用到目前菲律宾最高住宅楼的设[21]

计,阻尼器的具体安装示意图如图9所示。大楼沿2个方向共安装16个阻尼器,每个框架柱与邻近的加强层墙体安装2个阻尼器,每个阻尼器的最大出力约为3000kN。分析表明,该楼安装的阻尼系统可将结构的1阶模态阻尼比提高到11%,从而减小了结构设计对结构固有阻尼的依赖,并大幅降低了大楼在风荷载作用下的关键设计指标-倾覆弯矩与舒适度控制指标-结构顶楼加速度,从而实现了结构的安全、舒适及经济性设计。

[20]

图8󰀁加强层阻尼器系统示意图Fig󰀁8󰀁Theconceptofoutriggerdamping

图9加强层阻尼系统的阻尼器布置示意图Fig󰀁9󰀁Thelayoutofoutriggerdampingsystem

第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁汪志昊,等:高层建筑结构中粘滞阻尼器的新型安装方式139

󰀁󰀁陈政清等以设置一个加强层的框架-核心筒结构为例,提出了简化的加强层阻尼系统模型

[22]

。对于框架-核心筒超高层结构体系,由于

核心筒体的抗侧刚度远大于外钢框的抗侧刚度,从而使水平剪力中的绝大部分由内筒来承担;另一方面,在水平力的作用下,核心筒体的侧向变形类似于悬臂梁,呈弯曲型。因此特引入以下假定,以得到简化计算模型:核心筒或剪力墙承担全部水平荷载,并简化为等截面欧拉-伯努利悬臂梁;加强层视为刚度无穷大而质量忽略不计的刚臂;结构框架柱轴向刚度足够大,忽略轴向变形;结构固有模态阻尼为常数。计算简图如图10所示,其中󰀁A,EI,h,ah,e,󰀁,cd分别表示核心筒的单位长度质量、抗弯刚度及高度,加强层的位置、半宽(偏心距),结构的固有模态阻

图10󰀁耗能减振系统计算简图Fig󰀁10󰀁Thecalculationdiagram

尼比和线性粘滞阻尼器的阻尼系数。ofenergydissipationsystem

[22]

结合Galerkin方法和虚位移原理,陈政清等推导了单自由度加强层阻尼器的自由运动方程:

Mq󰀁(t)+(C+C1)q󰀁(t)+Kq(t)=0

h

(7)

式中:M=󰀁A󰀁(x)dx,C=2ecd(󰀁(ah)),K=EI(󰀁(x))dx分别表示结构等效模态质量,阻尼与刚

0

0

󰀁

2

h

2

󰀁

2

󰀁

󰀁2

--󰀁表示结构固有阻尼。从等效模态参数的定义可以看出,由于偏心距e的平方项效应,结构

KM

的等效模态阻尼得到明显的放大,并且其还与转角振型函数在加强层处的取值有很大关系。简单来看,似乎度;C1=2

阻尼系数越大,结构的模态阻尼也就越大。事实上,当阻尼无限大时,加强层就变成了与外围框架柱直接刚性相连,根本起不到耗能减振的作用。因此,通过单自由度模型,只能定性地了解这一新型耗能减振系统,定量的分析必须采用多自由度模型。进一步的通过多自由度模型分析表明,优化设计的粘滞阻尼器可以大幅提高结构前4阶振型模态阻尼比。该耗能减振系统通过牺牲加强层与外围框架柱协同工作时的附加静力刚度,而换取结构动力性能的改进。

3󰀁结论与展望

文中系统总结了建筑结构耗能减震系统中新近出现的各种位移放大系统及工程应用。采用位移放大系统,可以有效提高阻尼器的减震效果,并且有的位移放大机构只需要很小的安装空间。相对基于各种机械装置的位移放大系统,新型结构保护系统更有前景,特别是随着大规模超高层建筑的兴建,加强层阻尼系统有着较好的应用前景。

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