目前世界上越来越多的结构采用消能减震或基础隔震技术进行抗震抗风设计,采用这些技术的大楼也经历了不同台风考验和大地震考验,本篇主要介绍高层建筑中采用阻尼器抗风应用实例。
一、阻尼、阻尼器
所谓的阻尼就是使自由振动的物体振幅稳定减少的作用,振幅不断衰减的过程就是阻尼能量耗散的过程,其原理就是如下简单的示意图,那能提供阻尼的装置就是所谓的阻尼器。采用阻尼器的结构称之为消能减震(振)结构,美国也形象地称作为结构保护系统(protective system)。
结构在风或地震作用下会发生振动/摇摆,较大的振动会引起结构/非结构构件的破坏,此外高层建筑因其细长而易于产生风振,从而可能导致较大的峰值结构加速度,也会引起用户不舒服的感觉。通常减少结构振动的方法除了增加结构的刚度,硬“抗”,我们还可以有另外的选择—增加结构消能减震的措施,通过采用阻尼器的方式,起到耗散能量、减少振动。
二、阻尼器的前世
1969年美国世茂中心双子塔首次采用粘弹性阻尼器,标志着阻尼器这项创新技术在高层建筑结构中应用。双子塔从7~107层在楼板水平桁架和外围柱之间安装了约一万个粘弹性阻尼单元,提供1%的附加阻尼,主要目的是用于减少塔楼的风致振动,以满足用户舒适性的要求。
根据加州大学伯克利分校地震工程研究中心一些资料,早期(1994年以前所采用的阻尼系统列表如下:
三、阻尼器的今生
根据CTBUH的统计,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栋塔楼如下:
1)上海中心(632m)—TMD
2)平安金融中心(599m)—TMD
3)台北101(508m)—TMD
4)上海环球金融中心(492m)—ATMD
5)6)、吉隆坡双子塔(452m)—TMD
7)432 Park Avenue (426m)—TMD
8)Princess Tower (413m)—TLD
9)23 Marina (392m)—TMD
10)Almas Tower (360m)—TMD
CTBUH也统计了世界最高50栋塔楼所采用阻尼器的特点:
1)按照塔楼的功能
2)按主体结构材料划分
3)按照阻尼器的类型
Types of Dampers 阻尼器常见类型
AMD = Active Mass Damper 主动质量阻尼器
ATMD = Active Tuned Mass Damper主动调谐质量阻尼器
BRB = Buckling Restrained Brace 防屈曲支撑
HMD = Hybrid Mass Damper 混合质量阻尼器
TLCD = Tuned Liquid Column Damper 调谐液体柱阻尼器
TLD = Tuned Liquid Damper 调谐液体阻尼器
TMD = Tuned Mass Damper 调谐质量阻尼器
VD = Viscous Damper 粘滞阻尼器
VED = Viscoelastic Damper 粘弹性阻尼器
从CTBUH的统计来看,超高层采用的阻尼器类型有48%采用TMD减振,其次是20%采用Viscous Damper 粘滞阻尼器。
4)从地域分布来看,采用阻尼器的塔楼主要集中分布在台风地区、地震多发地区。
四、常见阻尼器类型及其工作原理示意
目前塔楼所采用的阻尼系统,包括调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TSD)和分布式阻尼系统(粘滞/粘弹性阻尼器)。
广州电视塔采用水箱阻尼器,发射器天线采用两个2吨质量块阻尼器。