二, 建筑结构上液体粘滞阻尼器的应用与设计

 

  1. 什么样的建筑结构使用阻尼器

 

泰勒公司的液体粘滞阻尼器在建筑结构上得到广泛的应用。到2003年,在世界上已有近100个建筑工程。32座桥梁 (见表3 )。其中有46个工程为加固,翻新,抗震升级,其他为新建工程。值得一提的是, 其增长速度很快, 20022003年每年都有20几个新工程安置了泰勒公司的阻尼器。

3  2003年泰勒公司液体粘滞阻尼器完成工程统计

工程项目

数目

体育场馆

10

高层建筑

13

核电站

1

机场塔楼,交通中心,警察局,军事工程

12

住宅建筑,旅馆

8

办公楼, 博物馆

38

重重要建筑(计算机房,通讯大楼,医院)

11

其他, 工厂, 水库

5

桥梁, 高架路,

32

 

这些工程中包括一些世界著名建筑

 

原则上说所有需要控制位移,减少运动产生的附加力的地方均可以使用这种阻尼器来减振,减少地震了。从应用的角度上看,以下几种情况应优先考虑使用阻尼器, 这也是我们强力推荐的使用项目:

 

 

很多人会问,我们的传统建筑已经有上百年的抗风抗震历史,为什么还要考虑使用结构保护系统?这是因为:

有个桥梁的业主,问工程的设计人员“都什么时代了你们还不用阻尼器?”

在北京火车站抗震加固工程中, 我们曾对剪力墙和阻尼器两个方案作了如下对比(表4):

 

4  阻尼器和抗震剪力墙的对比

抗震剪力墙

阻尼器

 刚度大大增加, 加大了地震力

结构性质不变或基本不变

对结构其它部分反应有影响

对结构其它部分反应没有影响

给建筑上带来的困难大

建筑上容易处理

重量大, 加大了基础和结构负担

重量小

一旦破坏, 难以修复

容易修复和更换

只能抵抗水平振动

可以减少多方向地震反应

费用高

费用低

 

2。结构上阻尼器的安装

 

原则上说,阻尼器应安置在结构最大位移的可能发生方向和部位。最典型的安置方法有以下几个位置[11]

对角支撑型 (图57

人字形支撑(图58

配合基础隔振使用(图59

                                                 

5  阻尼器的三种常见安置方式

套索式安置(图610

                           6  套索式安置

 

Dr.  Constantinou 教授建议的可以承受双向受力的安置办法是一个好的选择。

 

配合TMD系统安置  (图11

 

下面我们介绍几个典型的工程上的安置:

 

    

7   对角支撑型                                          8     人字形支撑

9   配合基础隔振使用

10    套索式安置

 

 

                                                         11     配合TMD系统安置 

 

                                   12    西雅图可开启式体育场馆阻尼器的安置

 

3,阻尼器尺寸的估计与价格

 

泰勒公司阻尼器的尺寸可参见表5

5高性能液体粘滞阻尼器 High Capacity Fluid Viscous Dampers

 500 KN to 9000 KN Output

Model

A
mm

B
mm

C
mm

D
mm

E
mm

F
mm

500KN

3327.4

190.5

63.5

81.28

120.65

55.88

1000KN

3352.8

228.6

69.85

99.06

127.

60.96

1500KN

3505.2

292.1

76.2

107.95

133.35

68.58

3000KIP

3937.

406.4

152.4

190.5

254.

121.92

4500KN

4216.4

584.2

152.4

228.6

361.95

121.92

9000KN

4572.

660.4

203.2

279.4

431.8

152.4

 

阻尼器和其他机械产品不一样,一般安在结构分析的基础上选用。没有现成统一的价目表,寻求其价格要依据以下两个主要参数(表6 

 

6  阻尼器寻价表

 1

所需阻尼器数量

 

 2

最大阻尼力(KN)

 

 3

最大冲程(mm)

 

 

4. 美国设计规范的认同[3][4][5][12]

 

高质量的Taylor公司的液压粘滞阻尼器不仅赢得了学术界的赞同, 带来了设计者、建设者的青昧,更重要的是取得了美国国家的有关规程规范编制者的认同,以至美国国家的有关规程规范的粘滞阻尼部分都是参考泰勒公司的阻尼器性能和计算方法制定的。我们知道,美国对规范的执行办法和我国不同,一般的说, 美国的设计规范不是强行设计者强行使用。而是国家的有关部门,给出办法和指南,由各州自己决定是否执行,设计者负责并决定是否使用。

美国,特别是加州的主要设计规范指南都已经制定了这种粘滞阻尼器应用的章节,给出了设计办法,如: ATC33 (Applied Technology Council         1995); FEMA 273, 274  (Federal Emergency Management Agency, 1997);    NEHRP 2000 Proposal 12-7 ( National Earthquake Hazards Reduction Program 2000)。对FEMA 273, 274  中的简化计算办法,美国专业委员会 2000年又作了补充修改,发表在FEMA 368中。2003年又通过了新修改的Chapter 15, Structures with Damping Systems 将公布在NEHRP 2003中。

所给出了的基于等效反应谱和振型分解法的简化计算办法已经得到了广泛的应用。其结果也和非线形的时程分析的办法的计算结果能很好的吻合。

            我国也已经有了关于阻尼器的相应设计规范。我们相信, 随着规范的完善和推广, 一定会和美国日本等先进规范接轨。

 

8.          设计阻尼比的选择

 

设计阻尼器前我们首先要设定一个目标阻尼比,通常我们桥梁结构的阻尼比为1%~5%。原则上我们提高到20%~50%

设定的太小,阻尼器的意义不大。设定太高了,对阻尼器的要求太高也不经济。

一般按经验,我们常选定在20%左右。

 

6 速度指数的确定

公式F=CVα 中的速度指数α,原则上可以取0.3-1之间,进入非线性后,对于同样的速度带来的阻尼力较小。换言之,对同样力大小的阻尼器,指数α越小,在一定的速度下,Vα 就越小,相应的阻尼值 C 就越大,阻尼器的效率就越高,阻尼器耗能也就越大。但考虑到过小的指数α会带来的实际困难,我们经常采用0.3-0.5 作为经验的设计参数。

 

7.阻尼器的计算分析[3][4][5][12]

 

安置了阻尼器后是非线性的体系,其计算分析办法有:

  振型分析法,简化计算设计办法

  非线性时间分析法

 

7.1  简化计算办法

对多数剪切型多层建筑,美国相应的规范都是建议采用以下计算办法,我们简单介绍如下

 

计算过程

I.                        先用传统动力分析的振型分析法求出结构的个层重量,结构周期T,振型F以及振型参与系数G1

II.                      分别计算前3个振型:

    假设一个增加阻尼比的值β1,求出阻尼衰减系数B[1],求出等效单自由度

的顶点位移,作为减振目标的一部分,看是否满意

    假定各层阻尼器的阻尼因子Co  值和各层比例Ki,计算出各层阻尼器的阻尼值

           Ci = Ki Co  

        计算Ci根据能量等效法[2]  

b 1= Syi/ (4pys)          

  这里yj 是第 I 层上的阻尼器耗能,  ys 是框架上最大的应变能。

                         对于线形粘滞阻尼,可以用简化的振型计算公式[2]                     

  b1=S Cj(Fj-Fj-1)2/(2w S MjFj2)                                                          ------ (3)

       j                                      j

这样, 从假设的假设的增加阻尼比的值β1 我们就可以求得各层的阻尼值    Ci进而得到阻尼因子Co

按层间位移按振型分配的近似办法,我们可以求得各层的层间位移,

    从而近似求得各层的最大速度,和最大阻尼力。

       第一振型经常是最重要的, 如果我们这时发现有不能满足设计要求之处

         可以重新假设要增加的阻尼比的值β1重新计算,直到满意为止。

III.                   计算出个振型的各层的层间位移,速度和阻尼力后,可以进行各振型叠加

IV.                   如果需要更精确的结果,需要考虑高振型的影响,可以按 Chapter 15, Structures with Damping Systems NEHRP 2003的办法进行分析。

V   如果需要,我们同样可以计算出另一个方向上的阻尼器参数计算值。

 

框图1   计算分析框图

结构动力分析

周期,振型,振型参与系数

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


7.2  非线性时程分析法

 

对于非剪切性结构,体育场馆等大跨空间结构,以及其他复杂结构,目前可以使用的最好计算办法只有用时程分析法的办法进行分析。如果采用非线性阻尼。我们就要采用非线形的时程分析。分析时只要将阻尼器的参数输入相应程序的“阻尼杆件”中,就可以得到相应的受力和地震反应。

如果时程分析的计算结果不能满足我们的设计要求,如位移过大,可以调整阻尼系数重新计算。如果受力过大,可以调整阻尼比或分成多个阻尼器解决。

条件允许,简化计算的结果,也可以用时程分析来进行检验。

 

  1.  定货阻尼器的主要参数

 

计算出的所需阻尼器的参数,可以添入下列表7

7    定货阻尼器的主要参数

 

 1

最大阻尼力(KN)

 

 2

最小安全系数

 

 3

从活塞位于中点计算,最小可以运动位移(最大冲程)(mm)

 

 4

阻尼系数  C (kN/(m/s)0.4)

 

 5

阻尼的速度指数 α

 

 6

使用温度

 

 7

最大风能输入(如果要求)

 

 8

最大的阻尼器尺寸 (如果空间有限)

 

 9

阻尼器的安置示意图 (如果已有)

 

 

9.     阻尼器的测试和验收[11]

 

阻尼器的测试和验收是设计的另一个重要组成部分。

建筑结构都是百年大计, 对于阻尼器的测试和验收一定要满足以下三方面的要求:

A.     设计规范和规程

在我国暂时还没有有关规范前,可以参考采用相应的美国规定。如美国加州的有关规定“AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications 和“FEMA 275  Federal Emergency Management Agency 对阻尼器制造的要求

B.     阻尼器的预先质量检测

泰勒公司的阻尼器经过了大量预先的原型检验,安装到结构上后的整体分析和振动台的试验和安装到桥梁上的实际观测。最有说服力的是美国科学基金会(NSF) 1995年组织的针对美国旧金山金门大桥工程,世界上最好的四种阻尼器的对比检验。采用其它阻尼器也应该有相应的检测史。

C.     出厂检验

泰勒公司的阻尼器出厂前都要邀请用户参与,观察全部产品检测。 他们有世界最严格的检测过程。

泰勒公司的产品无条件的保修35年。只要按照所提供的维修手册去作,使用百年是完全可以作到的。

 

13  泰勒公司的可达800吨的动力测试设备

 

            10. 阻尼器的连接

以下是阻尼器最简单的连接。我们的设计中可能会用到

14  阻尼器的连接

 

11 基础隔振和TMD 减振系统上的配合使用

 

采用铅芯橡胶垫或其他的隔振支座的基础隔振系统,如果能配合使用阻尼器,能起到减少位移,同时又降低地震力的好效果。在结构上加上小质量的TMD的谐振装置是我们结构工程师又一个巧妙抗震的办法。其中阻尼器又可以避免附加的谐振质量块产生过大的位移。这种复合的结构保护系统已经得到了成功的工程应用。

其使用原理和设计计算办法我们都将另文介绍。

 

REFERENCES

[1]  T.T. Soong, G.F. Dargush: Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, John Weley & Sons.

[2] M.C. Constantinou, T.T. Soong, G.F. Dargus: Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, Monograph Series, MCEER

[3]  National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) 2000 Proposal 12-7 and Chapter 15, Structures with Damping Systems.

[4 ]   Fderal Emergency Management Agent (FEMA ) Commentary on the Guidelines for the Seismic Rehabilitation of  Buildings.” Reports        FEMA 273, P 2-23, FEMA 274, FEMA 368

[5]   ATC-33.03, BSSC Seismic Rehabilitation Project C9, Seismic Isolation and Energy Dissapation P 9-36,          Redwood City, CA

 [6]  Constantinou, M.C., Symans, M.D., 1992, “Experimental and Analytical Investigation of Seismic Response of Structures with Supplemental Fluid Viscous Dampers,” Technical Report NCEER-92-0032, National Center for Earthquake Engineering Research, Buffalo, New York.

[7]  Taylor, D.P., Constantinou, M.C., 1998, “Development and Testing of an Improved Fluid Damper Configuration for Structures having High Rigidity,” Proceedings of the 69th Shock and Vibration Symposium.

[8]  Highway Innovative Technology Evaluation Center (HITEC) of A service Center of the Civil Engineering Research Foundation (CERF): “ Summary of Evaluation Findings for the Testing of Seismic Isolation and Energy Dissipating Devices, CERF Report #40404 July 1999.

[9] Pre-qualification Testing of Viscous Dampers for the Golden Gate Bridge Seismic Rehabilitation

   Project, A report to T.Y. Lin International, Inc. and the Golden Bridge District, Report No EERCL/

   95-03, Earthquake Engineering Research Center, University of California at Berkeley, December

   1995”

[10] Section 32 Shock Transmission Units AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications 2002 Interim Edition.

 [11] Douglas P. Taylor, History, Design, and Applications of Fluid Dampers in Structural Engineering.

[12] Oscar. Ramirez, M.C. Constantinou etc “ Development and Evaluation of Simplified Procedures for Analysis and Design of Buildings with Passive Energy Dissipation Systems. MCEER-00-0010 , 2001.

 

[13] AA Seleemah and M.C. Constantinou: Investigation of Seismic Response of          Buildings with linear       and Nonlinear Fouid Viscous Dampers”, National Center for Earthquake Engineering Research” NCEER-97-004, 1997.5.21.  

[14]      胡律贤地震工程学” P 284 地震出版社 1988