以下文章来源于减震技术
一、前言
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
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
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2、阻尼器的布置
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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
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。
RUP
3)柔性结构(T>3s)
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
@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
@ARUP
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
@ARUP
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2)旧金山181Fremont tower ,高244m,总建筑面积68263m2。抗侧系统采用外围采用框架+支撑,核心筒采用抗弯框架的双重抗侧力体系。由ARUP设计第一栋韧性铂金建筑,在大斜撑上首次采用BRB+粘滞阻尼器组合。
@ARUP
5、其他有特点的阻尼器
1) Yonge building 位于多伦多市中心63层住宅,在连肢墙上的连梁采用粘弹性阻尼器,用于提供附加阻尼以及地震下“fuse"耗能。
TBUH
2)日本消能减震技术也是百花齐放,我在Arup在日本高层抗震设计实例(一)中也列举了一些日本采用消能减震的实例。
2000-kN damper installed in the tallest building in Japan Abeno Harukas 300
@CTBUH
Swatch building—ARUP开发了自重式阻尼器(SMD),采用质量阻尼器(楼板)和高阻尼隔震系统
爱马仕大楼—ARUP开发Rocking阻尼系统,详见Arup在日本高层抗震设计实例(一)
参考资料:
1. Buildings Can Be Designed to Withstand Earthquakes
(https://www.nytimes.com/interactive/2019/06/03/us/earthquake-preparedness-usa-japan.html)
2. The Damped Outrigger - Design and Implementation Rob J. Smith
3. Damping technologies for tall buildings theory design guidance and case studies CTBUH
4. ARUP Journal
5. ARUP 公众号
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