粘滞阻尼器在北京银泰中心结构风振控制中的应用

0 引言 北京银泰中心工程钢结构主楼共有 63 层 ,总高度
为 24915m , 结构平面尺寸为 40m ×40m , 高宽比 6125 。 为改善高层豪华公寓的舒适度 ,工程采用粘滞阻尼器 对结构风振进行了减振设计 。消能减振设计在国内还
没有合适的规范可以依据或参考 。为了实现预期的性
能目标 ,工程结合粘滞阻尼器的应用在消能减振性能 化设计方面进行了一些探讨 。
53
01068 2 01054 1 01071 0 01055 1
52
01069 3 01053 3 01070 2 01054 3
51
01070 3 01057 0 01069 6 01052 0
图 7 顺风向阻尼器减振能量对比
横风向结构顶部加速度对比时程曲线如图 8 所 示 ,耗能如图 9 所示 ,上部楼层横风向加速度在安装阻 尼器前后的对比如表 4 所示 。
图 8 横风向结构顶部加速度时程曲线
10
图 9 横风向阻尼器减振能量对比
3 结论 通过适当选择粘滞阻尼器的动力参数 ,优化阻尼
器在结构主体中的布置 ,北京银泰中心钢结构主楼以 较为经济合理的方式改善了结构的舒适度 。动力时程 计算表明 ,粘滞阻尼器不仅对结构横风向振动加速度 有较好的控制作用 ,对顺风向和地震作用下的结构响 应也有一定的控制效果 。
结构在风荷载作用下的位移分为顺风向和横风向 位移 ,风荷载的模拟也依据结构位移的特点分为顺风 向和横风向 。两个方向风荷载的模拟都有相应的理论 和计算公式 ,不再赘述 。钢结构主楼在两个垂直方向 的刚度比较接近 ,以下主要在一个方向对时程计算结 果进行分析说明 。
顺风向结构顶部位移和层间位移角在减振前后的 对比如图 5 ,6 所示 ,耗能情况见图 7 ,加速度的对比见 表 3 。可以看出 ,与结构自身模态阻尼的耗能相比 ,阻 尼器的耗能作用比较明显 。
钢结构 主 楼 不 仅 采 用 了 粘 滞 阻 尼 器 进 行 风 振 控 制 ,同时 ,还用无粘结防屈曲支撑 (UBB) 来改善结构在 大震下的抗震性能 。粘滞阻尼器在结构弹性和塑性变 形过程中均可消能减振 ,UBB 在结构弹性变形时与普 通钢支撑性能相同 ,仅在结构进入塑性变形时发挥耗 能作用 。
图 5 顺风向结构顶部 位移时程曲线
图 6 顺风向结构 层间位移角
9
类别 顶层
豪华 公寓
上部楼层在顺风向的加速度 (mΠs2 )
表3
层号
x 方向 减振前 减振后
y 方向 减振前 减振后
60
01121 0 01092 0 01120 0 01091 0
54
01070 4 01056 3 01073 4 01057 2
层号
54 53 52 51
YTS4 波作用下结构位移计算结果
表5
层间位移角
减振前
减振后
最大位移 (mm)
减振前
减振后
1Π441
1Π503
29117
27017
1Π429
1Π490
28411
26318
1Π417
1Π476
27611
25616
1Π408
1Π465
26717
24912
类别 顶层
豪华 公寓
上部楼层在横风向的加速度 (mΠs2 )
Using Viscous Dampers to Control Wind2induced Vibration for Steel Tower of Beijing Yintai CenterΠZhao Guangpeng , Lou Yu , Li Peibin , Han Hejun , LüZuochao , Huang Jian(China Electronics Eng. Design Institute , Beijing 100840 , China) Abstract :Beijing Yintai Center steel tower is 24915m high. For improving the comfort of the luxury rooming houses on top of the building , viscous dampers (VD) are used to control wind2induced structural vibration. The vibration analysis spreads both in time2domain and energy2domain with computing structural response along and vertical wind. The earthquake2induced structural response is also computed. The results show that VD had obvious influence for wind2induced structural response and certain effect for earthquake2induced structural vibration. Keywords :Beijing Yintai Center ; vibration2control ; viscous damper ; time2domain analysis ; energy analysis
第 37 卷 第 11 期
建 筑 结 构
2007 年 11 月
粘滞阻尼器在北京银泰中心结构风振控制中的应用
赵广鹏 娄 宇 李培彬 韩合军 吕佐超 黄 健
(中国电子工程设计院 北京 100840)
[提要 ] 北京银泰中心钢结构主楼高 24915m ,为改善其上部豪华公寓的舒适度 ,采用粘滞阻尼器对风荷载作 用下的结构水平振动进行了控制设计 。设计风荷载考虑了顺风向和横风向脉动风的作用 ,并以时程分析和能 量分析相结合的方法进行了计算分析 。另外 ,对阻尼器在改善结构抗震性能方面的作用也做了补充计算 。结 果表明 ,粘滞阻尼器的合理应用不仅能有效地降低主体结构的风振加速度 ,满足标准中对舒适度的要求 ,在缓 解地震的不利作用方面也具有一定的效果 。 [ 关键词 ] 北京银泰中心 振动控制 粘滞阻尼器 时程分析 能量分析
小 ,结构的舒适度有了提高 。 212 地震作用下的时程分析
粘滞阻尼器对地震作用下结构动力响应的控制作 用也做了补充计算 。地震波选取了 El Centro 波 , YTS1 波(持时 63158s) 和 YTS4 波 ( 持时 45s) ,峰值加速度为 70cmΠs2 。工程处于 8 度设防区 ,第一组 , Ⅱ类场地土类 别 , Tg = 0138s ,结构阻尼比取 ξ= 2 %。YTS4 波作用下 的结构时程计算结果如表 5 所示 。可以看出粘滞阻尼 器对地震也有一定的控制作用 。
工程中α取 014 。此外阻尼力还与活塞面积 、阻尼孔大
8
图 1 粘滞阻尼器构造图
小和长度 、振动频率 、温度 、阻尼材料类别等因素有关 。 112 粘滞阻尼器的布置
阻尼器的布置主要考虑以下几个因素 :1) 将耗能 阻尼器设 置 在 会 产 生 较 大 层 间 位 移 和 相 对 速 度 的 楼 层 ,振动控制效果最好 ,性价比最高 ;2) 阻尼器应尽量 在结构的两个主轴方向上对称设置 ,在地震 、风振作用 的随机方向上 ,阻尼器均能够提供阻尼作用 ;3) 阻尼器 在结构的同一个方向上也应结合结构刚度情况均匀设 置 ,同一个方向上 ,相互平行的多排框架结构的耗能能 力应保持一致 ,避免结构耗能的不均衡 ;4) 阻尼器与主 体结构的连接尽量做到使阻尼力传力路径简洁 ,节点 受力合理 。
多的能量 ,滞回曲线也更饱满 。工程采用了非线性粘
滞阻尼器 。
在罕遇地震作用下 ,构件的组合内力控制在1 200
kN 以内 。为避免粘滞阻尼器在罕遇地震下破坏 ,其设
计内力也定为1 200kN。由表 1 和图 2 可知 ,阻尼器的平
面布置在一些楼层是不对称的 ,工程中选用了两种不同
阻尼器 编号
Damper1 Damper2
别布置了 7 个阻尼器 ,内筒自层 44 起基本连续布置阻 尼器 ,平面上也尽量对称分布 , 阻尼器立面布置见图 3 ,安装完成的阻尼器见图 4 。
图 2 阻尼器的平面布置
图 3 阻尼器布置南立面
113 粘滞阻尼器的选择
粘滞阻尼器有线性和非线性之分 ,相对于线性阻
尼器 ,非线性阻尼器可以在受力较小的情况下吸收更
工程中用 ETABS 程序进行了结构在风荷载及地 震作用下的消能减振弹性时程分析 。结构模型中粘滞 阻尼器采用 Damper 单元模拟 ,单元的各项参数按照表 2 取值 ,UBB 采用 Plastic 单元模拟 ,钢结构的弹性模量 取 2106 ×105NΠmm2 ,泊松比取 013 ,钢材的屈服强度取 345NΠmm2 。 211 风荷载作用下的时程分析
移动时会在活塞两边的阻尼介质中产生压力差 ,使其
通过阻尼孔 ,从而产生阻尼力 ,达到消能减振的目的 。
在结构中设置多个粘滞阻尼器后 ,其阻尼力矩阵[ F ]
可表示为 :
[ F] = [ C] [ Vα] [ I ]
(1)
式中[ C]为阻尼矩阵 ,[ V ]为阻尼器两端点间相对运动
速度矩阵 ,[ I ]为阻尼器空间定位矩阵 ,α为阻尼指数 ,
外 筒
东 (西) 南 (北) 合计 东
———3
2 (2) 1 (2) 7
3
———1
2 (2) 1 (2) 7
—
———1
8 6 14 16
内 筒
西南北
1
3
2
3
3
1
1
1
1
———
1
1
1
14 16 13
表1
合计 9 10 4 — 4 59
表 1 所示 ,平面布置如图 2 所示 。 外筒由于建筑功能要求 ,仅在设备层 46 和 55 分
粘滞阻尼器设计参数
设计内力 ( kN)
1 200 1 200
阻尼系数 C ( kN·( sΠm)α)
2 000
1 500
速度指数 α
014 014
表2
最大行程 (mm) 100 100
图 4 阻尼器安装完成照片
阻尼系数的粘滞阻尼器以保证这些楼层在两个垂直方 向的耗能能力基本相同 ,阻尼器的设计参数见表 2 。 2 计算分析
表4
层号
x 方向 减振前 减振后
y 方向 减振前 减振后
60
01300
01233
01305
01238
54
01233
01197
01225
01200
53
01229
01194
01219
01198
52
01225
01192
01213
01196
51
01222
01189
01208
01193
根据规程 J GJ99 —98[4] 第 51511 条第三款 ,可以计 算出 层 60 的 顺 风 向 和 横 风 向 最 大 加 速 度 分 别 为 01048 ,01260mΠs2 (阻尼比取 115 %) ,时程计算结果与之 相比偏大 。由计算结果可以看出 ,设置粘滞流体阻尼 器后 ,结构顶部加速度最大值为 01233mΠs2 ,小于公共 建筑 的 加 速 度 限 值 0128mΠs2 , 豪 华 公 寓 的 加 速 度 为 0120mΠs2 ,也基本满足公寓建筑的舒适度要求 。消能减 振后 ,风荷载作用下的顶部振动加速度有较明显的减
参考文献
[ 1 ] Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering [ M ] . Chichester. John Weley & Sons ,Ltd. ,1997.
[2 ] 建筑抗震设计规范 ( GB50011 —2001) [ S] . 北京 :中国建筑工业出 版社 ,2001.
阻尼器在实际安装中会在很大程度上受到建筑结 构布局的限制 。工程中钢结构主楼在层 44～56 内 、外 筒共布置了 73 个粘滞阻尼器 ,其中 x 方向 (南北向) 35 个 , y方向 ( 东西向) 38个 ,各楼层阻尼器分布情况如
பைடு நூலகம்
楼层 编号
56 55 47～54 46 44～45 总计
粘滞阻尼器空间布置 (个)
1 消能减振的性能化设计 111 粘滞阻尼器工作原理
粘滞阻尼器是一种无初始刚度 、速度 相 关 型 的 阻
尼器 ,应用于建筑结构的被动控制 。其核心部分是一
液压装置 ,包括导杆 、汽缸 、活塞 、阻尼孔 、密封材料和
阻尼材料 (阻尼介质) 等几部分 。工程采用的粘滞阻尼
器如图 1 所示 。与结构共同工作的粘滞阻尼器在活塞