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三．结构保护系统—液体粘滞阻尼器在体育场馆上的应用

Application of Fluid Viscous Dampers – Structural Protection System For Sports Stadium

内容提要：

  作为二十世纪结构工程界最伟大的科技成果之一 –结构的保护系统，特别是早已在其他领域里广泛应用的液体粘滞耗能阻尼器，在近十几年来，在我们结构工程中的发展非常迅速，超出了我们的想象。已经有十个以上的体育场馆，其中6个大型体育场馆应用了这一先进技术。这一保护措施大大的提高了结构的抗震和抗风的能力， 还为有的工程，与传统的设计办法相比节省了大量资金。 数以百计的结构工程实例，特别是世界重大桥梁，建筑工程事例已经给我们工程领域的发展开辟了一个新的天地，带来了质的飞跃。墨西哥和美国加州大量设置了阻尼器的建筑和桥梁结构经受了实际地震的检验，给人类能在地球上安全的生活带来了希望。美国西雅图棒球场可开启屋顶的建筑给了我们一个完整的示例，希腊2004年奥林匹克体育馆 – 和平与友谊体育馆将在奥运会时天天展示在我们的电视机中。本文将重点介绍液体粘滞阻尼器在体育场馆上的工程应用和前景。

一，    阻尼器的发展过程简介

    大家知道，使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，我们称为阻尼器[1]。

 利用阻尼来吸能减震不是什么新技术，在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器(或减震器)来减振消能。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中，其发展十分迅速。特别是有五十多年历史的液压粘滞阻尼器， 在美国被结构工程界接受以前，经历了一个大量实验，严格审查，反复论证，特别是地震考验的漫长过程。下面的流程1中示的过程，就概括了它在美国的发展过程：

• 在航天、航空、军工、机械等行业中广泛应用，几十年成功应用的历史

• 上世纪80年代开始在美国东西两个地震研究中心等单位作了大量试验研究， 发表了几十篇有关论文

• 90年代，美国国家科学基金会和土木工程学会等单位组织了两次大型联合，由第三者作出的对比试验，给出了权威性的试验报告，供教授和工程师们参考

• 在肯定以上成果的基础上被几乎各有关机构，规范审查，肯定并规定了应用办法

• 管理部门通过，带来了上百个结构工程实际应用。 这些结构工程，成功地经历了地震、大风等灾害考验，十分成功。

流程1 阻尼器的发展过程

了解和研究美国液压粘滞阻尼器的这一发展过程， 也应该就是世界液压粘滞阻尼器的发展过程，对我国地震工程的发展是十分有意义的。学习和了解这些经验，能帮助我国尽快赶上世界先进水平。这里，我们主要是想介绍液压粘滞阻尼器在体育场馆上的应用。

二．体育场馆上的特点和应用

大型体育场馆的建筑都是公众使用的重要建筑。我们必须要考虑在地震荷载的作用下，特别是在难于预测的超值地震的作用下的安全；要考虑能在这种高屋顶空间结构起设计主导作用的大风中屹立。 在这些考虑中， 阻尼器可以起到重要的作用。

我们知道，大型体育场馆的建筑结构和一般的建筑结构不同。绝大多数大型体育场馆是大跨度的空间结构： 如座落在柱子上的网架屋顶， 悬挂屋顶； 大型门式刚架。 虽然使用阻尼器的基本原理一样，但在具体安放上，可能是和我们常见的建筑结构阻尼器的安放上是完全不同的。这里我们根据现在完成的工程和阻尼器的安放原理说明在大型体育场馆上可能的几个安放部位。

1．    大型屋盖和柱头间的连接。屋盖和柱头的连接，可能是铰接，也可能是允许自由滑动的支座。这一部位安放阻尼器不仅可以增加整体结构的阻尼，又可以大大的限制屋盖和柱子间的相对位移。对大风和地震都可以起到很好的减震作用。当然，支座如果是用基础隔震系统。阻尼器就更加重要。希腊2004年奥林匹克体育馆 – 和平与友谊体育馆就是这种安置的最好案例（图8）。

2．    三铰接门式刚架的上部铰接处。为了考虑屋盖部分的可能温度变形。上部铰接处可能并不设在屋顶当中，而是设在屋盖部分和柱子的铰接处。美国西雅图棒球场可开启刚架就是采用这种结构（图1）这一连接处，允许温度等荷载作用下的缓慢变形， 在大风和地震时，也就是可能的最大变形处。安置阻尼器的效果应该是最理想的。

3．    大型屋盖中。在大型屋盖上，可能最大的位移或变形处，用阻尼器取代原来的一些超静定多余杆，或另加阻尼器的办法，会加大屋盖的阻尼比，减少其地震力和地震反应。

4．    双排柱间。和普通结构一样。在双排柱间或门架柱间设置阻尼器，增加结构阻尼比，增加抗震能力。当然也可以侧向使用，增加结构侧向抗震能力。

5．    开启屋面的运动终止处：现代体育场馆建筑设计中要求我们的可移动，可开启的移动过程也要求我们尽力减少运动中的机械和碰撞振动（图8）

6．    屋面安置的TMD垂直减震系统。 对于垂直震动可能为第一振型主导作用的大型屋面。安置垂直使用的TMD垂直减震系统会十分有效。

7．    为防止看台突发性扰动带来的看台的垂直震动的TMD 系统。芝加哥战士体育场新建工程使用了这种TMD系统十分有效（图18）。

实际上，我们的体育馆建筑是多种多样的。我们可能应用的阻尼器的安置办法也是可能千变万化的。只要我掌握阻尼器的基本原理，不断试验，创新，就可能提出建设性的好方案。当然，我们更强调的是阻尼器的质量。没有阻尼器质量的保证，没有严格的规范管理和质量监督，盲目使用低质量的阻尼器，不仅起不到减震作用，有时还是很危险的。

下面我们介绍一下美国西雅图可开启式棒球馆、希腊2004年奥林匹克体育馆 – 和平与友谊体育馆、有名的芝加哥橄榄球场等工程。这里面包括新建的体育场馆，也包括翻新改造，抗震升级和加固的原有体育场馆。

三，西雅图可开启式棒球场

在体育场馆运用 Taylor 公司液压粘滞阻尼器的实例中，最有意义，最杰出的作品要算西雅图棒球场。 我们重点介绍一下该工程(图 1， 图2， 图3)。。

于1999年竣工交付使用的这一建筑工程，整个屋顶面积为 192m x 200m， 屋顶高度为64米（图1）。 由三部分屋顶块组成的最后屋顶，可以按建筑功能的需要开启和关闭。全部屋顶的重量为一万吨重。支托屋顶的刚架，是一个不对称三饺拱刚架。这个庞然大物屋顶的结构座落在美国太平洋沿岸地震带的北部城市西雅图。属于美国 Zone 4 地震区。该建筑又要经受太平洋沿岸的大风。设计中要求这一万吨重的屋顶在地震和大风，以及开启屋盖时运动中的安全，最小的运动碰撞的需要。下决心使用液压粘滞阻尼器，选择阻尼器的位置、数量、计算大小都是需要精心考虑和设计的。

按建筑功能的考虑，整个主体结构是两边支持高度不同，柱子高度不同的门式钢架。高起的部分为四品三节间。低下的部分为四品二节间， 设在建筑的两端。在移动开启时，低下的一部分移动到高起部分下并和高跨门架一起移开赛场位置。形成了开敞的部分。设计中的主要考虑是地震和大风中的横向受力和变形。为了允许可能的温度及其他荷载引起的慢速位移，该门架上部为铰接点。这点就会产生最大的可能位移，阻尼器设置在门架的柱子和屋顶部分的连接处去减少这一位移是合理的。对于中间位置的高起的这四品门架，设在高起的外侧连接处 （见图 5）。考虑到结构上连接点的距离，设计者设计了四个世界上最大的7米长的阻尼器（见图 4）。这四个阻尼器的单个受力能力，要求达到500吨，每个重量4.5吨。允许运动冲程375mm。建筑师还给阻尼器的尺寸提出了特殊严格要求：不允许直径有25％以上的变化。为了防止西雅图海鸥粪便的污染、腐蚀， 这里制造的阻尼器都要经过特殊的防锈化学处理，使材料的防锈能力比普通不锈钢还要高出许多。

在四个低跨门架上，阻尼器被安置在屋顶绗架和柱子的连接处（见图 6）。也是低跨门架最大的可能位移处。4个同样承受能力和冲程但不同长短的液压粘滞阻尼器被设置在这里。

加上以上阻尼器后，和常规设计相比，结构节省了四百二十万美圆。是设计人员和泰勒公司共同完成的一个杰作。

图1 西雅图SAFECO 棒球馆全景

图2 西雅图SAFECO 棒球馆关闭屋顶时的状态       图3 西雅图SAFECO 棒球馆开启屋顶时的状态

为了减少屋顶在开启和关闭过程中的碰撞带来的晃动，在门架运动的可能碰撞点都设置了Taylor公司减振阻尼器，共有36个（图 7）。这些阻尼器对减少机械运动带来的碰撞起了很大作用。

图7 西雅图SAFECO 棒球馆36个防碰撞阻尼器安置位置

阻尼器的质量，特别是耐久性，是致关重要的。特别是在结构上起重大作用的阻尼器。总有人希望了解它的可靠性。 无论从实用和研究的角度，作使用中的在线无损监测都是很有意义的。美国西雅图在SAFECO棒球场作的阻尼器这一长期工作十分有意义。我们在这里介绍一下所有这些阻尼器都经过严格的质量检验。均能达到设计的质量保证要求。然而，业主和有关设计人员为了能更好的监测所安置的阻尼器系统。设计并使用了在线无损检测。在所有8个阻尼器的部位都安置了位移和应变传感器，在相应的结构部位，安置了加速度计量计（图8，9，10）。

SAFECO工程采用的是美国DATAQ INSTRUMENTS 公司的信号采集系统。他们将阻尼器上传感器上采集的信号传给DI-75B采集装置，DI-75B 中内设 5B类型信号条件模块，将信号放大并与不相关信号分离。DI-75B和一个无线传递信号的DI-720 装置相连，将信号通过无线电传送到总控制室。以上DI-75B和DI-720均设置在现场的控制盘内（图11）。

总控制室可以设在该工程的任何部位。为了更好的观察，监测和对比这一安装了阻尼器工程的结构反应在线数据，特别是在西雅图大风下的反应，在总控制室还安设了加速度计，风速计和风向计。所以这些信号和现场三个盘的信号一起，通过一个以太网络送进中心计算机进行分析。分析的软件是DATAQ INSTRUMENTS 公司提供的：WinDaq Pro 。 以上过程示在下框图（图12）内：

图12  在线无损检测设置示意图

整个监测系统是每天24小时在线监测。每个控制盘和总控制室内都设有5个小时的UPS 断电保护器。从监测系统的计算机就很容易判断结构和阻尼器是否出现异常，发生问题。值得一提的是，位于太平洋板块附近的西雅图也是地震高发区。在1999年安置了阻尼器后，已经经历了多次中小地震。也采集了很多地震记录，如下图13。

图13  SAFECO采集的地震记录

在这些地震和大风中，该结构和它的阻尼器一起都经历了考验，完好无损。

西雅图棒球场是个5亿美元的工程项目。在使用了阻尼器以后，使承受地震力和风荷载的能力大增，从而节省了420万美元的开支。这是一个典型的使用效益和经济双向收益的工程项目。Taylor 公司现在已经完成的已有10个不同的体育场馆建筑（见表8 ），其中两个都是可开启的。对于地震区，在新建体育场馆中占有很大的比例。 图 14示出的是美国休士顿可开启式棒球场。

        图 14美国休士顿可开启式棒球场

3. 希腊和平与友谊2004年奥运会主赛馆

   计划在2003年完工的希腊和平与友谊体育馆，是一个抗震升级，翻新，加固工程。在马鞍型屋顶和柱子之间设置了128个泰勒液体粘滞阻尼器，用来吸收地震能量。大大的减少了地震情况下屋顶的相对位移和柱子的受力。它将作为2004 Olympics 运动会的主赛馆。 从而显示了20世纪末期我们结构工程师的最新科研成果(图15，16，17)。

图15   2004年 奥林匹克主赛场，和平与友谊体育馆

图16   2004年 奥林匹克主赛场，和平与友谊体育馆远景

图17  2004年 奥林匹克主赛场，和平与友谊体育馆使用的阻尼器

4、芝加哥战士体育场看台TMD系统（图18，19）

     在历时两年，著名的芝加哥战士体育场看台上，人们首次安置TMD减振系统来控制看台上观众移动和突发性扰动所可能带来的振动，甚至倒塌。36个泰勒液体粘滞阻尼器，配合TMD系统设置在这里。大大的减少了这一振动和支持受力

图18  芝加哥战士体育场看台

图19 芝加哥战士体育场看台TMD减振系统

五 结论

结构保护系统在我们土木工程中的应用，是上个世纪末我们人类在抗震、抗风、抗振动设计中最重要的成果之一。在我国大兴土木之时，特别在为2008奥林匹克体育场馆规划设计之时，学习世界先进技术，应用到我们的工程中是十分重要的。这项新技术：

• 可以在传统设计的基础上，大大提高我们结构的抗震、抗风、抗振动的能力。
• 可以大大加强对我们所预计不到的地震等振动破坏的抵抗能力。
• 可以节省我们的建设费用。
• 学习和使用世界最先进的技术，对我国未来土木工程的发展有不可估量的意义。

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

[4] Douglas P. Taylor, Seismic Damper Installation at the New Pacific Northwest Baseball Park

[5] 结构保护系统--液体粘滞阻尼器在结构工程上的测试，设计和应用的发展

陈永祁 地震工程博士， 高级工程师

美国蓝湖国际工程咨询公司总裁

表二Taylor 液体粘滯阻尼器体育场馆的应用