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          思沃新材技術周刊Ⅱ期|【行業知識】阻尼器在高層建筑中的抗風應用實例

          添加時間:2022-09-24 點擊量:

          一、前言

          目前世界上越來越多的結構采用消能減震或基礎隔震技術進行抗震抗風設計,采用這些技術的大樓也經歷了不同臺風考驗和大地震考驗,本篇主要介紹高層建筑中采用阻尼器抗風應用實例。


          二、阻尼、阻尼器 

          所謂的阻尼就是使自由振動的物體振幅穩定減少的作用,振幅不斷衰減的過程就是阻尼能量耗散的過程,其原理就是如下簡單的示意圖,那能提供阻尼的裝置就是所謂的阻尼器。采用阻尼器的結構稱之為消能減震(振)結構,美國也形象地稱作為結構保護系統(protective system)


                結構在風或地震作用下會發生振動/搖擺,較大的振動會引起結構/非結構構件的破壞,此外高層建筑因其細長而易于產生風振,從而可能導致較大的峰值結構加速度,也會引起用戶不舒服的感覺。通常減少結構振動的方法除了增加結構的剛度,硬“抗”,我們還可以有另外的選擇—增加結構消能減震的措施,通過采用阻尼器的方式,起到耗散能量、減少振動。


          三、阻尼器的前世 

          1969年美國世茂中心雙子塔首次采用粘彈性阻尼器,標志著阻尼器這項創新技術在高層建筑結構中應用。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個粘彈性阻尼單元,提供1%的附加阻尼,主要目的是用于減少塔樓的風致振動,以滿足用戶舒適性的要求。

          根據加州大學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列表如下:

          三、阻尼器的今生


          根據CTBUH的統計,截至2019年目前世界前20名最高的建筑,共有30%左右采用阻尼器。其中世界最高的已建成的10棟塔樓如下:


          1)上海中心(632m)—TMD

          2)平安金融中心(599m)—TMD

          3)臺北101(508m)—TMD

          4)上海環球金融中心(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也統計了世界最高50棟塔樓所采用阻尼器的特點

          1、按照塔樓的功能

          @CTBUH


          2、按主體結構材料劃分

          @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 主動質量阻尼器

          ATMD = Active Tuned Mass Damper主動調諧質量阻尼器

          BRB = Buckling Restrained Brace 防屈曲支撐

          HMD = Hybrid Mass Damper 混合質量阻尼器

          TLCD = Tuned Liquid Column Damper 調諧液體柱阻尼器

          TLD = Tuned Liquid Damper 調諧液體阻尼器

          TMD = Tuned Mass Damper 調諧質量阻尼器

          VD = Viscous Damper 粘滯阻尼器

          VED = Viscoelastic Damper 粘彈性阻尼器

          從CTBUH的統計來看,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、從地域分布來看,采用阻尼器的塔樓主要集中分布在臺風地區、地震多發地區。

          @CTBUH

          四、常見阻尼器類型及其工作原理示意


          目前塔樓所采用的阻尼系統,包括調諧質量阻尼器(TMD)、調諧液體阻尼器(TSD)和分布式阻尼系統(粘滯/粘彈性阻尼器)。調諧質量阻尼器的工作原理可以通過下面的一個小視頻了解▼





          廣州電視塔采用水箱阻尼器,發射器天線采用兩個2噸質量塊阻尼器。

          典型質量阻尼器型式

          一般擺式TMD布局

                   TMD通常包括通過彈簧和阻尼裝置連接于建筑的質量(通常位于最大振動處),阻尼裝置一般為粘性阻尼設備。將TMD頻率準確調諧到建筑頻率將產生TMD質量的慣性力,以抵消作用于建筑結構體系的側向風荷載或地震荷載,從而使建筑的風致振動降低。TMD設計通常有兩個重要的參數:質量比(目標振型中TMD質量與建筑廣義質量的比值)和TMD質量位移。根據目標性能和空間約束,質量比一般為0.5%到2.0%。TMD質量與結構廣義質量的比值與TMD位移成反比(即質量比增加,TMD位移減少) ,但是TMD質量的增加,將對結構造成更大的荷載,引起更大的支撐結構需求或地震響應。

          五、超高層阻尼器案例

          1、臺北101,采用質量660噸的單擺質量阻尼器,是世界上第一個引入建筑關鍵視覺元素的TMD。重現期為6個月的峰值加速度從7.9milli減少到 5.0milli-g 

          2、上海中心首次采用電渦流單級擺TMD,其質量塊重大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式TMD首次應用。工作原理如下:導體在磁場中運動時,由于其感生電動勢的作 用,磁場總是阻礙導體運動。將塊狀導體在磁場中 運動的機械功在電渦流阻尼過程中通過導體的電阻 熱效應被消耗掉,從而產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600噸的可變回復力單擺TMD。

          @RWDI

          本項目中粘滯阻尼器連接主要質量塊和主體結構,在TMD相對時,粘滯阻尼器連桿伸長或者縮短,一部分振動的能量被吸收并以熱能形式耗散。


          4、紐約111 West 57th Street 


          高度達到435m,她是世界上目前最纖細的建筑,高寬比達到1:24.3。采用雙級擺(Dual-stage Pendulum TMD),總質量為800噸。


          雙級擺包括兩個質量塊組件,其中一個質量塊由纜索懸掛支撐,另一個由關節式支撐桿支撐,這種相關聯運動的方式使得整個系統能夠在接近結構自振頻率的預計頻率下運動。雙級擺TMD比單質量塊相比節約大量的空間。

          @Sources: SHoP Architects, WSP



          5、蘇州國金中心93 層 


          高450m。塔樓頂層采用590T消防水箱設計用于水箱TLD設計 . 在TLD 的 作用下, 10年回歸期下風致加速度將由 17gal降低到12gal.


          @RWDI

          6、維也納多瑙河城市大廈 Danube City Tower


          號稱奧地利最高的塔樓,高度220m,采用自控型調頻質量阻尼器(Real-Time Controlled TMD),MAURER自控型調頻質量阻尼器由一個300噸的單擺式質量體和半主動阻尼器組成,可依照無阻尼動力減振器原理,根據實際振動頻率實時調節頻率和阻尼,從而阻尼力可以實現無極變化,在50-100毫秒間阻尼器的響應力可以從3-110kn變化。其性能優于被動型調頻質量阻尼器高達 68%。由于顯著提高的效能允許自身調頻質量減小到被動型調頻質量阻尼器的標稱值80%左右,也減少了裝置所需空間。


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



          7、舊金山181 Fremont Street 大樓


          世界首個耐震韌性鉑金獎建筑,它處在地震高發區的美國西海岸,同時也是臺風地區,為節省頂部建筑空間,結構沒有采用傳統的TMD,而是采用VD+BRB組合阻尼系統,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目。隨著多年的項目實踐和設計演進,那里的VCD(Viscoelastic Coupling Damping Technology)系統被用來為風適應性(建筑運動和側移)提供最佳額外阻尼結構方案。雖然增加的阻尼為抵御大型風荷載和大地震提供好處,但其作為一個保守的設計方法,設計團隊一般不考慮粘彈性阻尼耦合系統(VCD)進行強度設計用于風力和地震。

                                  @Michael Montgomery,etc.

          采用VCD系統,結構附加阻尼比約增加2%,根據頻繁的風力條件(1年一遇和10年一遇)的增加阻尼等級,預期的橫向加速度反映減少21%。


          六、后續


          高層建筑采用阻尼器抗風,雖然是TMD為主要選擇,但是還是“百花齊放”,沒有絕對最優的方案,只有最適合的方案。
          留個“彩蛋”給大家,猜猜下面圖片的項目是什么?采用什么阻尼器方式減振?前三名留言答對的,贈送ARUP“神秘”電子書一本。




          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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