黏滞阻尼器在超高层结构抗震设计中的应用研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
层间位移角X向
45
取同样的 3 条时程波进行分析。 表 6~8 分别为 3 种方案下层间位移角最大值、 基底剪力、阻尼器最大出力及附加阻尼比的对比。 从以上的分析结果可以看出，黏滞阻尼器的阻 尼系数越高，结构的层间位移角减小越多，基底剪 力减幅越大，结构的附加阻尼比也增加越多。 阻尼系数-阻尼力关系曲线
（a） 阻尼方案 1
（b） 阻尼方案 2
（c） 阻尼方案 3 （a） 轴测图 （b） 环带桁架 （c）伸臂桁架 图 3 黏滞阻尼器的布置形式
1.2 减震效果对比 图 4 为多遇地震作用下的不同阻尼方案的层间 位移角曲线。 表 1 为出不同阻尼方案减震效果对比。 三种黏滞阻尼器布置方案都不同程度地减小了结 构最大层间位移角，阻尼方案 3 减震效果优于阻尼 方案 1，2，原因是阻尼方案 3 的阻尼器两端相对位 移较大， 消耗更多的地震能量， 减震效果更为明显， 见表 2。
（a）阻尼方案 1,2 （b）阻尼方案 3 （c）加强层局部示意 图 6 对比方案立面图
2.2 分析结果对比 2.2.1 层剪力 图 7 为多遇地震下不同方案的层剪力分布曲 线， 表 4 为对应的基底剪力对比。 从对比可以看出， 相比阻尼方案 1，由于附加阻尼比的作用，阻尼方 案 2,3 的层剪力均小于阻尼方案 1；相比于阻尼方 案 2，阻尼方案 3 由于阻尼伸臂的动刚度作用，基 底剪力略有增大。 层剪力 X向
0
引言 传统的高层建筑框架 -核心筒结构体系存在侧
加强层中，研究了黏滞阻尼器的抗风作用。通过设 置黏滞阻尼器，可以明显地减小结构在风荷载作用 下的响应。
向刚度不足、核心筒内力偏大的缺陷，未能充分发 挥外框架抵抗侧向力的作用。通过设置抗弯和抗剪 刚度较大的伸臂桁架和环带桁架加强层，连接核心 筒和外框架，通过周边柱的轴向刚度来增加结构的 抗倾覆力矩，显著提高结构的抗侧刚度，减小结构 侧移，同时减小底部墙肢的拉力。核心筒倾覆力矩 的变化见图 1。但设置伸臂桁架和环带桁架会增大 结构刚度，导致地震作用增大，同时给结构带来加 强层附近内力、刚度突变等不利影响。 Smith R Willford 在菲律宾圣弗朗西斯科香格 里拉塔工程中，将黏滞阻尼器设置在超高层建筑的
方案 基底剪力/kN 减幅 X向 28976 基准
基底剪力对比
阻尼方案 1 Y向 28673 基准 阻尼方案 2 X向 21757 25% Y向 22775 21%
表4
阻尼方案 3 X向 23857 18% Y向 24559 14%
表 3 为三种对比方案经过计算得到布置阻尼伸 臂桁架结构附加阻尼比为 3.2%） ，图 6 为对比方案 立面图。 采用有限元分析软件 ETABS V9.7.4 进行多遇 地震下的时程分析，地震波选用 3 条（2 条天然波
表1
减幅 0 11% 12% 15%
和 1 条人工波） ，计算结果取最大值。
对比模型说明
阻尼方案 1 阻尼方案 2 阻尼方案 3 无加强层（4%模态阻尼比） 无加强层（4%模态阻尼比+3.2%附加阻尼比） 27 层布置阻尼伸臂桁架（4%模态阻尼比）
表3
多遇地震阻尼器两端最大相对位移及结构耗能情况
阻尼器两端最大 布置形式 阻尼方案 1 阻尼方案 2 阻尼方案 3 刚性方案 相对位移/mm 4 4.5 7 — 输入能量 /（kN· m） 2137 2148 2141 2453 /（kN· m） 413 516 722 —
（1）阻尼方案 1：单根阻尼支撑的布置形式， 将伸臂桁架与外框柱连接处的斜腹杆用黏滞阻尼 支撑代替，如图 3（a）所示。 （2）阻尼方案 2：水平方向布置黏滞阻尼器， 在伸臂桁架斜腹杆交点与核心筒的水平方向设置 黏滞阻尼器，如图 3（b）所示。 （3）阻尼方案 3：垂直方向布置黏滞阻尼器， 在伸臂桁架与外框柱的垂直方向设置黏滞阻尼器， 如图 3（c）所示。 时程分析采用 3 组地震波，为 2 条天然波和 1 条人工波，计算结果取最大值。黏滞阻尼器采用基 于 Maxwell 模型的 Damper 单元模拟。
54
2.2.2 层间位移角 图 8 为多遇地震下不同方案的层间位移角曲
线，表 5 为对应的层间位移角最大值对比。从对比 可以看出，相比阻尼方案 1，由于附加阻尼比的作 用，阻尼方案 2，3 的层间位移角均有较大减幅； 相比于阻尼方案 2，阻尼方案 3 由于阻尼伸臂的动 刚度作用，层间位移角进一步减小。
45 40
35
45 40
35
层剪力 Y向
30 பைடு நூலகம்5
层数
30 25
层数
20 15 10 5
0
20
15
方案一
方案二
方案一
10 5 0
方案二 方案三
方案三
0
10000
20000 层剪力 /kN
30000
40000
0
10000
20000 层剪力 /kN
30000
40000
（a）X 向
（b）Y 向
图 7 多遇地震层剪力分布曲线 （a）塔楼整体 （b）核心筒 （c）外框架 （d）加强层 图 5 超高层项目 B 结构示意图
（d） 结构平面布置图 图 2 超高层项目 A 结构示意图
以该超高层项目为背景，在高度 0.45H、0.71H 处的伸臂桁架处设置不同布置形式的黏滞阻尼器：
图 4 多遇地震层间位移角曲线对比 53
多遇地震黏滞阻尼器布置方案减震效果对比
布置形式 刚性方案 阻尼方案 1 阻尼方案 2 阻尼方案 3 最大层间位移角 1/642 1/709 1/688 1/746 减幅 0 9% 7% 14% 最大基底剪力/kN 24480 21856 21430 20520
表2
阻尼器耗能 阻尼耗能 百分比 19% 24% 34% —
2
黏滞阻尼器伸臂桁架减震机理分析 在超高层结构中，黏滞阻尼器伸臂桁架的减震
2.1 减震机理分析及模型建立 机理可以从两方面理解：一是黏滞阻尼器的耗能作 用给结构带来的附加阻尼作用，随着结构阻尼比的 增大，地震作用下结构的响应也随之减小；二是黏 滞阻尼器的等效动刚度作用，可以增强外框架参与 抗倾覆力矩的程度。 为了对以上机理做出验证，以某超高层项目 B 为基础，建立对比模型进行验证。项目 B 采用了型 钢混凝土外框架 + 钢筋混凝土核心筒混合结构体 系，同时为满足规范的层间位移角限值要求，必须 在 10 层和 27 层同时布置伸臂桁架和环带桁架，如 图 5 所示。
减
震
技 术
黏滞阻尼器在超高层结构抗震设计中的应用研究
丁洁民 1，吕西林 2，吴宏磊 1，虞终军 1
（1 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092； 2 同济大学土木工程学院国家重点实验室，上海 200092）
[摘要] 超高层框架-核心筒结构体系中，加强层可显著提高结构抗侧刚度、减小结构侧移，但会带来结构刚度、 内力突变等不利影响。研究了黏滞阻尼器在伸臂桁架中的布置形式、黏滞阻尼器伸臂桁架的减震机理、阻尼器参 数选取对结构的影响以及黏滞阻尼器在伸臂桁架和环带桁架中布置的效率对比。分析结果表明：黏滞阻尼器在伸 臂桁架上最有效的布置形式是竖向布置，在减震过程中具有等效阻尼比和等效动刚度的双重作用，阻尼器的参数 选取必须同时考虑技术、安全和经济性的要求。一般来说阻尼系数越大、阻尼指数越小对于耗能越有效；将黏滞 阻尼器布置在伸臂桁架上的效果优于布置在环带桁架上。 [关键词] 超高层建筑；伸臂桁架；环带桁架；黏滞阻尼器
52
[1]
（a） 无伸臂结构
（b） 有伸臂结构
注：w 为侧向荷载，M 为倾覆力矩。 图 1 核心筒承担倾覆力矩的变化
本文将分析探讨黏滞阻尼器的减震机理及参 数选取对结构的影响。同时通过在加强层体系中设 置黏滞阻尼器，研究黏滞阻尼器在伸臂桁架和环带 桁架中的抗震作用，并对黏滞阻尼器的布置形式进 行分析，探讨不同方案的减震效果。 1 黏滞阻尼器在伸臂桁架体系中布置形式对比 某超高层项目 A 位于甘肃省兰州市， 抗震设防 烈度为 8 度（0.2g） ，结构高度 250m。采用了组合 结构外框架 + 钢筋混凝土核心筒 + 伸臂环带桁架的 结构体系，沿竖向在 23 层、36 层、52 层设置了环 带桁架，在 23 层、36 层设置了伸臂桁架（刚性方 案） ，如图 2 所示。 1.1 黏滞阻尼器布置形式说明
Application research of viscous fluid damper in seismic design of super high-rise buildings Ding Jiemin1，Lü Xilin2，Wu Honglei1，Yu Zhongjun1
（1 Architectural Design and Research Institute of Tongji University （Group） Co., Ltd.，Shanghai 200092, China； 2 State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China） Abstract: In the high-rise frame-core wall structural system, the outriggers and belt members can significantly improve the lateral structural stiffness and decrease the lateral deflection. However they will bring adverse effect to structural stiffness and internal force of mutations. The arrangement form of viscous fluid damper in outrigger truss, energy dissipating mechanism of viscous fluid dampers in outrigger truss, influence of parameter selection on super high-rise buildings , as well as energy dissipation effectiveness comparison of damping outrigger and belt truss were studied. The results show that the most effective way to arrange viscous fluid damper in outrigger truss is vertical connection and damping outrigger plays double role in reducing seismic action, which are additional damping ratio and equivalent dynamic stiffness. The technique, safety and economy requirement must be considered when selecting damping parameter. Generally, the higher the damping efficiency is and the smaller the damping index is, it is more effective for the viscous fluid dampers. On the other hand, it is more favorable to put dampers on outrigger truss than to put them on belt truss. Keywords: super high-rise buildings; outrigger；belt truss；viscous damper
1000 900 800 700
阻尼力 /kN
层 间 位 移角 Y向
45
40
45
取同样的 3 条时程波进行分析。 表 6~8 分别为 3 种方案下层间位移角最大值、 基底剪力、阻尼器最大出力及附加阻尼比的对比。 从以上的分析结果可以看出，黏滞阻尼器的阻 尼系数越高，结构的层间位移角减小越多，基底剪 力减幅越大，结构的附加阻尼比也增加越多。 阻尼系数-阻尼力关系曲线
（a） 阻尼方案 1
（b） 阻尼方案 2
（c） 阻尼方案 3 （a） 轴测图 （b） 环带桁架 （c）伸臂桁架 图 3 黏滞阻尼器的布置形式
1.2 减震效果对比 图 4 为多遇地震作用下的不同阻尼方案的层间 位移角曲线。 表 1 为出不同阻尼方案减震效果对比。 三种黏滞阻尼器布置方案都不同程度地减小了结 构最大层间位移角，阻尼方案 3 减震效果优于阻尼 方案 1，2，原因是阻尼方案 3 的阻尼器两端相对位 移较大， 消耗更多的地震能量， 减震效果更为明显， 见表 2。
（a）阻尼方案 1,2 （b）阻尼方案 3 （c）加强层局部示意 图 6 对比方案立面图
2.2 分析结果对比 2.2.1 层剪力 图 7 为多遇地震下不同方案的层剪力分布曲 线， 表 4 为对应的基底剪力对比。 从对比可以看出， 相比阻尼方案 1，由于附加阻尼比的作用，阻尼方 案 2,3 的层剪力均小于阻尼方案 1；相比于阻尼方 案 2，阻尼方案 3 由于阻尼伸臂的动刚度作用，基 底剪力略有增大。 层剪力 X向
0
引言 传统的高层建筑框架 -核心筒结构体系存在侧
加强层中，研究了黏滞阻尼器的抗风作用。通过设 置黏滞阻尼器，可以明显地减小结构在风荷载作用 下的响应。
向刚度不足、核心筒内力偏大的缺陷，未能充分发 挥外框架抵抗侧向力的作用。通过设置抗弯和抗剪 刚度较大的伸臂桁架和环带桁架加强层，连接核心 筒和外框架，通过周边柱的轴向刚度来增加结构的 抗倾覆力矩，显著提高结构的抗侧刚度，减小结构 侧移，同时减小底部墙肢的拉力。核心筒倾覆力矩 的变化见图 1。但设置伸臂桁架和环带桁架会增大 结构刚度，导致地震作用增大，同时给结构带来加 强层附近内力、刚度突变等不利影响。 Smith R Willford 在菲律宾圣弗朗西斯科香格 里拉塔工程中，将黏滞阻尼器设置在超高层建筑的
方案 基底剪力/kN 减幅 X向 28976 基准
基底剪力对比
阻尼方案 1 Y向 28673 基准 阻尼方案 2 X向 21757 25% Y向 22775 21%
表4
阻尼方案 3 X向 23857 18% Y向 24559 14%
表 3 为三种对比方案经过计算得到布置阻尼伸 臂桁架结构附加阻尼比为 3.2%） ，图 6 为对比方案 立面图。 采用有限元分析软件 ETABS V9.7.4 进行多遇 地震下的时程分析，地震波选用 3 条（2 条天然波
表1
减幅 0 11% 12% 15%
和 1 条人工波） ，计算结果取最大值。
对比模型说明
阻尼方案 1 阻尼方案 2 阻尼方案 3 无加强层（4%模态阻尼比） 无加强层（4%模态阻尼比+3.2%附加阻尼比） 27 层布置阻尼伸臂桁架（4%模态阻尼比）
表3
多遇地震阻尼器两端最大相对位移及结构耗能情况
阻尼器两端最大 布置形式 阻尼方案 1 阻尼方案 2 阻尼方案 3 刚性方案 相对位移/mm 4 4.5 7 — 输入能量 /（kN· m） 2137 2148 2141 2453 /（kN· m） 413 516 722 —
（1）阻尼方案 1：单根阻尼支撑的布置形式， 将伸臂桁架与外框柱连接处的斜腹杆用黏滞阻尼 支撑代替，如图 3（a）所示。 （2）阻尼方案 2：水平方向布置黏滞阻尼器， 在伸臂桁架斜腹杆交点与核心筒的水平方向设置 黏滞阻尼器，如图 3（b）所示。 （3）阻尼方案 3：垂直方向布置黏滞阻尼器， 在伸臂桁架与外框柱的垂直方向设置黏滞阻尼器， 如图 3（c）所示。 时程分析采用 3 组地震波，为 2 条天然波和 1 条人工波，计算结果取最大值。黏滞阻尼器采用基 于 Maxwell 模型的 Damper 单元模拟。
54
2.2.2 层间位移角 图 8 为多遇地震下不同方案的层间位移角曲
线，表 5 为对应的层间位移角最大值对比。从对比 可以看出，相比阻尼方案 1，由于附加阻尼比的作 用，阻尼方案 2，3 的层间位移角均有较大减幅； 相比于阻尼方案 2，阻尼方案 3 由于阻尼伸臂的动 刚度作用，层间位移角进一步减小。
45 40
35
45 40
35
层剪力 Y向
30 பைடு நூலகம்5
层数
30 25
层数
20 15 10 5
0
20
15
方案一
方案二
方案一
10 5 0
方案二 方案三
方案三
0
10000
20000 层剪力 /kN
30000
40000
0
10000
20000 层剪力 /kN
30000
40000
（a）X 向
（b）Y 向
图 7 多遇地震层剪力分布曲线 （a）塔楼整体 （b）核心筒 （c）外框架 （d）加强层 图 5 超高层项目 B 结构示意图
（d） 结构平面布置图 图 2 超高层项目 A 结构示意图
以该超高层项目为背景，在高度 0.45H、0.71H 处的伸臂桁架处设置不同布置形式的黏滞阻尼器：
图 4 多遇地震层间位移角曲线对比 53
多遇地震黏滞阻尼器布置方案减震效果对比
布置形式 刚性方案 阻尼方案 1 阻尼方案 2 阻尼方案 3 最大层间位移角 1/642 1/709 1/688 1/746 减幅 0 9% 7% 14% 最大基底剪力/kN 24480 21856 21430 20520
表2
阻尼器耗能 阻尼耗能 百分比 19% 24% 34% —
2
黏滞阻尼器伸臂桁架减震机理分析 在超高层结构中，黏滞阻尼器伸臂桁架的减震
2.1 减震机理分析及模型建立 机理可以从两方面理解：一是黏滞阻尼器的耗能作 用给结构带来的附加阻尼作用，随着结构阻尼比的 增大，地震作用下结构的响应也随之减小；二是黏 滞阻尼器的等效动刚度作用，可以增强外框架参与 抗倾覆力矩的程度。 为了对以上机理做出验证，以某超高层项目 B 为基础，建立对比模型进行验证。项目 B 采用了型 钢混凝土外框架 + 钢筋混凝土核心筒混合结构体 系，同时为满足规范的层间位移角限值要求，必须 在 10 层和 27 层同时布置伸臂桁架和环带桁架，如 图 5 所示。
减
震
技 术
黏滞阻尼器在超高层结构抗震设计中的应用研究
丁洁民 1，吕西林 2，吴宏磊 1，虞终军 1
（1 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092； 2 同济大学土木工程学院国家重点实验室，上海 200092）
[摘要] 超高层框架-核心筒结构体系中，加强层可显著提高结构抗侧刚度、减小结构侧移，但会带来结构刚度、 内力突变等不利影响。研究了黏滞阻尼器在伸臂桁架中的布置形式、黏滞阻尼器伸臂桁架的减震机理、阻尼器参 数选取对结构的影响以及黏滞阻尼器在伸臂桁架和环带桁架中布置的效率对比。分析结果表明：黏滞阻尼器在伸 臂桁架上最有效的布置形式是竖向布置，在减震过程中具有等效阻尼比和等效动刚度的双重作用，阻尼器的参数 选取必须同时考虑技术、安全和经济性的要求。一般来说阻尼系数越大、阻尼指数越小对于耗能越有效；将黏滞 阻尼器布置在伸臂桁架上的效果优于布置在环带桁架上。 [关键词] 超高层建筑；伸臂桁架；环带桁架；黏滞阻尼器
52
[1]
（a） 无伸臂结构
（b） 有伸臂结构
注：w 为侧向荷载，M 为倾覆力矩。 图 1 核心筒承担倾覆力矩的变化
本文将分析探讨黏滞阻尼器的减震机理及参 数选取对结构的影响。同时通过在加强层体系中设 置黏滞阻尼器，研究黏滞阻尼器在伸臂桁架和环带 桁架中的抗震作用，并对黏滞阻尼器的布置形式进 行分析，探讨不同方案的减震效果。 1 黏滞阻尼器在伸臂桁架体系中布置形式对比 某超高层项目 A 位于甘肃省兰州市， 抗震设防 烈度为 8 度（0.2g） ，结构高度 250m。采用了组合 结构外框架 + 钢筋混凝土核心筒 + 伸臂环带桁架的 结构体系，沿竖向在 23 层、36 层、52 层设置了环 带桁架，在 23 层、36 层设置了伸臂桁架（刚性方 案） ，如图 2 所示。 1.1 黏滞阻尼器布置形式说明
Application research of viscous fluid damper in seismic design of super high-rise buildings Ding Jiemin1，Lü Xilin2，Wu Honglei1，Yu Zhongjun1
（1 Architectural Design and Research Institute of Tongji University （Group） Co., Ltd.，Shanghai 200092, China； 2 State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China） Abstract: In the high-rise frame-core wall structural system, the outriggers and belt members can significantly improve the lateral structural stiffness and decrease the lateral deflection. However they will bring adverse effect to structural stiffness and internal force of mutations. The arrangement form of viscous fluid damper in outrigger truss, energy dissipating mechanism of viscous fluid dampers in outrigger truss, influence of parameter selection on super high-rise buildings , as well as energy dissipation effectiveness comparison of damping outrigger and belt truss were studied. The results show that the most effective way to arrange viscous fluid damper in outrigger truss is vertical connection and damping outrigger plays double role in reducing seismic action, which are additional damping ratio and equivalent dynamic stiffness. The technique, safety and economy requirement must be considered when selecting damping parameter. Generally, the higher the damping efficiency is and the smaller the damping index is, it is more effective for the viscous fluid dampers. On the other hand, it is more favorable to put dampers on outrigger truss than to put them on belt truss. Keywords: super high-rise buildings; outrigger；belt truss；viscous damper
1000 900 800 700
阻尼力 /kN
层 间 位 移角 Y向
45
40