粘滞性阻尼器的设计方法研究论文

粘滞阻尼器：根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生节流阻力的原理而制成的，是一种速度相关型的耗能装置，它是利用液体的粘性提供阻尼来耗散震动能量，以粘滞材料为阻尼介质的被动速度型耗能减震装置。广泛应用于高层建筑、桥梁、建筑结构抗震改造、工业管道设备抗振、军工等领域。粘滞阻尼器分为建筑消能器和桥梁黏滞流体阻尼器两种。主要用于结构振动（包括风、地震、移动荷载和动力设备等引起的结构振动）的能量的吸收与耗散，适用于各种地震烈度区的建筑结构、设备基础工程等。结构组成：主要由缸体、活塞、阻尼介质和连接体所组成缸体中充满阻尼介质的装置。工作原理：活塞将缸体一分为二，活塞在缸体内往复运动的过程中，阻尼介质在两个分隔腔体内快速流动，介质的分子间，介质与活塞产生剧烈的摩擦，介质在通过活塞孔时产生巨大的节流阻尼，这些作用的合力成为阻尼力。流动中产生的阻尼力，通过活塞在阻尼介质中来回的运动，将地震动能转化为热量耗散掉，使活塞运动速度逐渐降低，达到阻尼耗能的目的。特点：粘滞阻尼器是一种无刚度的速度型阻尼器，工作时不会改变结构的固有动力特性，只对结构提供附加阻尼，阻尼力—位移滞回曲线饱满近似矩形，使其具有稳定的动力特性和很强的耗能能力。黏滞阻尼器可以用于建筑结构的基础隔震层，也可用于上部结构，因此在建筑减震结构中应用极为广泛。

TMD调质阻尼器TMD（Tuned Mass Damper）为一针对本大楼需求量身定做的的被动阻尼系统，其位置设置於87F~91F的核心位置，其主要目的为调谐及减低大楼受风力吹袭时之摆动，以确保大楼人员工作时的舒适度而设置。而有别於一般传统隐藏式阻尼系统，Taipei 101-TMD结合了建筑机能与结构功能之考量，在88FL及89FL将可一窥阻尼系统的整体运作。质量块（Mass Block）一直径公尺，由41层公分厚之实心钢板堆叠焊接而成的金色球体质量块，其重量达660公吨。钢索（Cable）球体质量块由8支直径9公分、长度42公尺的钢索串联并悬吊於92楼。为确保其柔性与延长使用年限，每支钢索均由超过2000条独立小钢线所组成，而其自重下之安全系数约达9，亦即每一支钢索均足以支撑TMD全部重量。调整构架（Tuning Frame）：调整构架位於91楼，经由串联束制所有悬吊钢索，并於后续量测实际大楼摆动周其频率，并调整钢索摆动长度以使大楼及TMD之 摆动周期相同，以确保TMD被动反向作用及达到最大的消能功效。阻尼与功效TMD可减少大楼受风力时的40％摆动量，而TMD平均在一年内将会有几次来回摆动约35公分。因TMD与大楼摆动周期相同，其摆动约7秒一次来回循环，因此在日常运转的情况下，TMD的作用与摆动并非显而易见。当罕见的大台风来袭时，例如100年回归期发生一次的大台风作用下，TMD将来回摆动150公分，而经过特殊设计的缓冲系统（Bumper System）将用来预防与减低超过150公分摆动时之影响。主要油压粘滞性阻尼器TMD质量块下共设置8支斜向的大型油压粘滞性阻尼器（Primary Hydraulic Viscous Damper），其设计概念在於自动的吸收球体质量块摆动时之冲击能量，并藉由大楼的摆动来抵消所吸收的能量。缓冲系统（Bumper System）TMD质量块下放置一可限制球体质量块摆动的缓冲环（Bumper Ring），缓冲环则连结8支水平向大型缓冲油压粘滞性阻尼器（Snubber Hydraulic Viscous Damper），其设计目的在於抑制罕见的大台风或大地震作用时造成TMD来回摆动超过150公分之消能及束制安全系统。Pinnacle-TMD高度达450~508公尺范围的细长塔尖（Pinnacle）内亦设置了两个小型调质阻尼器，每个质量块为6公吨，其设置目的为降低钢结构的疲劳应力。经分析估计，在塔尖平均每年约有18万次的来回摆动，此摆动频率与位移将因过度反覆摆动而造成钢结构的疲劳，而Pinnacle-TMD的设置将可减少40％的塔尖摆动量。设计：TMD由加拿大Motioneering公司负责设计、制造与施工，其承包费用约一亿三千万。另TMD之相关主体结构之需求与分析、设计配合则仍由本工程结构顾问－永峻工程顾问（股）公司负责整体结构设计。

第十部分：科技资料翻译一科技资料原文二科技资料翻译RTICLE IN PRESSEngineering Structures ( ) –新结构控制概念的应用Xilin Lua,_, Zhiguo Gongb, Dagen Wenga, Xiaosong Rena同济大学国家重点防震减灾土木工程实验室,上海四平路1239号, 200092, 中国上海建筑科学研究院(集团)有限公司,上海200032,中国2005年12月21日收到; 2006年10月5日修订; 2006年10月6日通过审查摘要:目前已经提出并广泛研究了联合建筑控制的概念.但是仅限于关于两条平行相邻建筑的理论与实验研究. 进一步,本文扩大了控制应用的范围,对一个高层建筑(60层总高333米)和周边大型平台架构(10层共49米),以主要减少平台结构的地震扭转效应导致的刚度和质量偏心. 首先引入一个宏观有限元结构的概念来简化建筑物. 简单的介绍了连接粘滞性阻尼器的模型分析和测试结果. 接下来,分析了建筑的双向水平地震作用包括了两个不同的回归周期的地震影响. 结果表明,使用连接阻尼器,可有效减少平台架构的地震扭转反应. 此外,主楼抗震性能可以采用不同的方法提高 最后,平台和主楼用每个最大容量600KN的粘滞性阻尼器连接,此建筑已经在2005年竣工并投入使用. 关键词:连接建筑物控制手段;主楼; 大型平台架构;连接流体阻尼器;地震的扭转反应;实际应用1. 介绍由于高强度材料和现代建筑技术使用的不断增长、现代化城市设计和建造了越来越多的高楼大厦. 在市中心,很多建筑由于土地的限制和集中功能的需要而造的靠近或者设计成复合式. 为了防止温度裂缝和不均匀沉降,这些建筑物没有任何联系结构. 如果它们的距离不足以调节,可能在强烈地震作用下发生相互碰撞事件.在以前的强烈地震中,已经发现了临近建筑碰撞的后果[[12].怎样防止相互撞击是个严重的问题.它是为邻近的建筑物的设计或者被波及的建筑设计的.研究者在过去30年已经作出相关努力, 调查分析相邻两单自由度系统地震的冲击效应. 我们建议安装粘弹性阻尼器在碰撞可能接触的位置. 可能在动力设计中没有预料的是,阻尼器可能使冲击荷载在两个系统中传递. Westermo [4] Westermo建议使用连接绞连接两相邻相对楼层,那么显然这个系统能减震. 但是可能在一定程度上改变不连接建筑物的地震动特性.如果建筑在几何上不对称,那么就加大了地震反应. 而且增加了建筑的基础剪力. 事实上,刚联结建筑物受力特点更像一个单一建筑体系.因此, 只有在设计阶段采取适当的措施,才能采用新的临近建筑体系的建议. 但对邻近现有建筑物的防震,他们之间有相互作用因而这个建议不能正确的实现其功能. 进一步,消极的想法只是避免结构的相互冲击、 更积极的想法是要利用撞击减少建筑物的动态效应. 提出用被动阻尼器,半主动阻尼器或者主动阻尼器连接临近建筑或者复合式建筑的想法来改进抗震或抗风性能.减震建筑系统具有两个基本特点.当地震或者强风发生的时候,第一是地震或者强风作用下两个邻近的建筑物之间的相互作用. 第二是联结减震器的耗能作用. 后者在减震中更加重要而且它一般情况下部分取决于前者. 结合这两个特点,下文中用阻尼器连接临近建筑的控制概念称为联合建筑控制.在美国,Klein [5] 在1972年第一次提出平动-扭转耦联体系来增强抗风性能的计划.在日本, Kunieda [6] 在1976年建议连接多重结构减少地震反应.从那时以来,许多调查已经对探查控制建筑物的动态反应的可能性使用连接建筑物控制手段的对策. 调查的绝大部分是理论上和数字的分析.涉及被动控制技术[7–12], 半自动和自动控制技术 [13–17]. 此外,一些实验研究也证明了控制手段的有效性[18,19]. 这些调查得出一个共同的结论. 如果两个邻近的建筑物的粘滞性阻尼器在适合位置恰当安装,那么风应力和地震动力响应将被减少很多. 基于这些研究,日本正在进行大规模试验或正在考虑中. 如我所知,1989年东京建造的鹿岛智能建筑是第一个应用有关连接建筑物控制手段的[20]. 在这计划中,有一种凹型绞安装在办公室楼的5-层楼和9-层楼. 这种钢质凹型绞有一种稳定的滞后性.它能在强烈地震期间通过屈服而吸收振动能量. 但是,刚性绞也能明显改变单独的建筑物的动态特性. 2003年,Asano and Yamano et al. [21]在日本东京建设局也描述了这种刚性绞.为什么连接建筑物控制手段是少见的?有两点理由: 第一,是邻近的建筑物的相互影响有可能产生潜在不良反应, 特别对于那些联结阻尼器,例如粘弹性阻尼器或者粘滞性阻尼器.他们可能有害于地震附近建筑. Xu and Lu et al提出了一个简单的解决方案. [10,18,19], 就是向连接建筑物使用减速阻尼器例如各种各样粘滞性阻尼器. 将两个建筑的动响应降低到最小同时将屈服阻尼升到很高的水准 因此,这在设计很快将在工程中得到应用. 第二,邻近的建筑物中连接建筑物控制并没有很多适合的例子. 通常新设计的大厦, 结构工程师通过改变结构布置或者改变结构体系来解决撞击问题或扭转力问题. 因此,对于适用的建筑控制耦合限于有限范围.为了使控制方法提高到更加适用的水平,本文对基于大型平台架构的高层控制的实际应用进行了全面研究.此建筑为一个简单的例子. 然后对宏观结构的有限元模型进行解析其性能测试和分析模型采用的阻尼. 随后,联结阻尼器提高建筑的抗震性能的效果.特别是通过一系列地震反应分析的估计解决平台架构的结构扭力反应.2. 建筑描述. 建设纲要该项目为位于上海南京路步行街起点的上海世茂国际广场. 这是中国最著名的商业街. 整个工程包括主楼、平台结构和公共广场. 主楼,其低层作为高档办公楼,其高层是五星级饭店, 共60层及三层地下室. 主楼楼顶海拔约246米, 若附加在装饰天线桅杆,总高度达到 333米,这将是上海市区黄浦江以西最高的建筑了.其结构图和建筑表现图将在一年内出图. 图1上海世茂国际广场配置结构和连接阻尼的安排[注:平台和广场为点ABCD主楼的点A0,B0,C0,D0,7楼到10楼安排阻尼器的位置 图2:同济大学用三轴震动台试验的1:35模型. 结构体系主楼为钢筋混凝土核心筒,外加支腿系统. 从第一层至11层、外墙钢筋混凝土框架和核心筒选段一级 钢筋混凝土框架的外墙改为钢筋混凝土框架结构. 3个支点组成悬臂桁架结构加强主楼、 各自位于11层和28层和47层. 该平台部分,设计10层钢筋混凝土框架墙结构抵制纵向和横向荷载. 至于广场部分,从一到六层是空地,除了一些支撑七到十层的填充柱,屋顶有一个巨大跨度的网架结构.在第七至十楼有一个平台广场.. 结构设计是主要难点在初步结构设计中, 对整个平台及广场安装巨大的斜支撑来加强细长的混凝土柱解决刚度分配不均匀的问题. 然而,为了保持弹性空间加强斜撑的建议被取消了. 因此,为整个平台和广场,扭转反应可能会因大偏心突出刚度和质量分布而加剧.广场部分刚度过于薄弱,其位移响应可能严重到失控的程度,设计规范不能完全满足. 作为一个解决办法, 设计师尝试在各楼层之间安装刚性杆来连接主楼与整个广场及平台. 尽管如此, 连接杆强度和变形能力可能不足以抵御地震.因为主楼和整个广场及平台刚度和质量差别很大. 同济大学市政工程系在防震减灾国家重点实验室进行了一系列振动台模型试验来验证是否可以使用连接杆连接主楼与周边部分.振动台试验结果表明,在预先设计的建筑仅在基本地震下运行 (50年一遇) 根据地震基本烈度,建筑物发生各种损害情况.当评估建筑物的抗震性能(见2000年期刊), 整个广场及平台刚性杆扭转反应还是很大的. 应当指出,抗震设计实施的的三个层次的保护措施,要按全国抗震设计规范与上海本地的法律的规定设计. 其中 一级地震基本做到了详细设计和施工,另外两项措施须经计算地震作用. 上海本地的规范中震幅7度时加速度在 and 对应 相应的三个层次. 表a:1940年E1地震中心E–W 和 S–N的加速时间表b:记录在加州理工学院的1952年7月21日发生在肯德基州的E–W 和S–N方向的加速时间历史表c: 上海SHW2人工加速度产生的峰值为图三加速时间历史对三个地震模拟振动台模型试验. 联结阻尼器的应用为了避免刚性杆件的缺点,有人建议在主楼及周边配备部分安装粘滞性阻尼器来代替刚杆刚性使耗能阻尼器更有效地控制地震反应、尤其是减少整个广场及平台的扭转反应. 图表1显示上海世茂国际广场中粘滞性阻尼器的计划配置. 在一系列优化之前用SAP 2000设计的简化模型进行详细的分析. 对三个方案进行时程分析来比较减弱的效果X. Lu et al. / 工程结构 ( ) – 5表 17楼到10楼中点A到点D不同的阻尼遭受的相对水平位移Floor Point Case 1 Case 2 Case 37FA 情况1, 主楼及周边部分没有联结阻尼器情况2: 主楼及周边部分从七楼到十楼分布40个联结阻尼器情况3:主楼及周边部分从一楼到 十楼分布100个联结阻尼器十楼从A点到D点的位移比较如表1. 可以得出情况2能得到比较满意的减弱效果.但是情况2增加的阻尼器效果增加不明显.所以采用情况2中阻尼器的数量和位置详细分析.3:选择的联结阻尼器和结构的动荷载.分析模型及基本假设文中建立了两个分析模型.SAP2000软件建立的有限元模型, 主要用于进行特征值分析和弹性分析、由于地震的不确定性和局限性,不能满足非线性时程分析的要求.用CANNY软件进行非线性时程分析的宏观单元模型. 图4为宏观要素分析模型.该模型是用来描述杆件基于剪力墙材料的应力应变关系. 图5为钢筋混凝土在循环荷载下的应力应变曲线. 找出钢筋混凝土三轴压应变最高的压应力, __c and "u是压力应变控制点的下降部分所能承受的最大压力. _t是钢筋混凝土最高单轴应力相关应变._ "t 是下降点的最大强度控制点; "0 是起点,到达之前的定点 _c; --为参数,指示混凝土应力卸载前到达_c _y和"Y是钢材拉伸屈服应力和相关的应变. _0y and "0y 是钢的相关的压缩屈服强度和变形. --是卸载控制参数. 考虑到矩轴力互动和材料应力应变曲线. 此体系能自动形成双向弯矩-曲率关系根据有限元模型的结果,宏观模型采用的详细楼层重量在表2. 阻尼比率是结构预测响应的关键组成之一. 经过仔细比较不同类型阻尼比的分析反应. 电脑模式对于模式1和模式2定义4%临界阻尼为瑞利型阻尼.在计算中采用以下基本假设:(1)楼层是刚性平面;(2) 忽视土和结构的相互作用;(3) 基础能承载上部结构;(4) 忽视地震垂直作用.. 联结阻尼器分析模型根据粘滞性阻尼器减少临近建筑的变形反应的优越性[19], 设计中采用一种非线性粘滞性阻尼器.粘滞性阻尼器的机械特性可用下式表示:Fd = CvSign(V/Vmax)@_(1) Cv: 阻尼系数 (kN).V: 活塞和容器中的流体相对速率(mm/s).Vmax: 活塞和容器中的流体最高速率(mm/s)._:速度指数,通常介于和. --等于时,线性速度存在. 随着--的数值下降, 在小型平台阻尼力随速度增长很快,但在大型平台,阻尼力随速度增长速度缓慢. OBE和SEE对高层建筑,如上海世茂国际广场的设计必须都满足上海本地抗震设计规范. 为了充分利用耗能阻尼器的能力, _应该选择较小值. 同时根据两个因素判定_ 和Cv的阻尼系数 (1) 流体阻尼器耗能表现佳,为在OBE范围下减少平台架构下的扭转反应,表4用CANNY程序进行整体结构的宏观模型分析