液体粘滞阻尼器在超高层建筑抗风中的应用

液体粘滞阻尼器在超高层建筑抗风中的应用

邓梓泳

广州大学土木工程学院 广东省广州市 510006

摘要：近年来，我国超高层建筑发展迅猛，遮蔽物较少，导致上部楼面受较强的风荷载。从而使高层建筑产生强烈的震动，并且会使人们产生强烈的不安和惊慌。因此，以抗风为主的消能减振需求逐渐浮出水面，结构工程师也开始采用不同的消能和减振方案。

关键词：超高层建筑；液体粘滞阻尼器；应用分析

引言

液体粘性阻尼装置是近几年发展较为成熟、广为人知的一种新型抗风装置，它能有效地增强建筑物本身的结构抵御风荷载，针对这种情况，本文就如何将液体粘性阻尼器用于超高层建筑的抗风性能进行探讨。

1液体粘滞阻尼器构造与原理

液体粘性减振器内部包含了活塞，气缸，以及硅油等各个部分，在具体加工过程中，具有很高的加工精度。它的基本原理是：当活塞杆在圆柱内移动时，活塞头在圆柱内向一个特定的方向移动，使其内部的粘稠的硅油受到压力，沿活塞头部的空隙和活塞头部与外部圆筒的间隙向另一端流动，从而对活塞形成一个逆向的阻力，从而使减振器的耗能完全由流体在管道中流动时产生的粘滞效应来完成。由于硅油在一端流动，压力和粘性逐渐减小，密封精度高，使硅油不会泄漏。

为了确保液体粘性阻尼器在较短的时间内响应迅速，在流体粘性阻尼器的油缸中会产生一个初期的压力。美国泰勒公司的液体粘性减振器在制造过程中，必须对其进行内压测试，使其在使用一段时间后仍能保证其内部压力在容许范围内。在《桥梁用粘滞流体阻尼器》 JT/T926-2014的国家规范中，对其内部压力的检测有一定的规定。它规定，液体粘性减振器在最大压力的1.5倍下，可以保持两分钟的负载，而不会有任何的渗漏和破损。

2液体粘滞阻尼器在超高层抗风中的优势

尽管国外已有几种采用粘滞阻尼器进行抗风的超高层建筑，但在工程界中应用最多的仍是 AMD、 ECD、 TLD等。超高层建筑中，质量调谐质量块数动辄数百吨，占用大量空间，造成的经济损失很大，例如台北101大楼重量为680吨，占四层。悬挂在高层的巨大钢珠可以左右摇摆，以减少大楼的摇晃，这对于支撑结构和建筑物本身的要求都很高，再加上巨大的钢珠有可能会坠落，如果掉下去，那就是一场灾难。但如果采用粘弹阻尼器进行防风，则需要大量的粘弹型阻尼器，而且这种阻尼器的安装位置比较隐秘。由此可以看出，粘弹性阻尼器板之间的粘弹材料因暴露在空气中，其粘滞效应会随着时间的流逝而减弱，而且因其种类繁多，安装位置也比较特殊，很容易造成维修和更换。因此，在目前实际使用粘弹性减振器的超高层建筑很少。与上述两种不同的是，在超高层建筑中采用的液体粘性阻尼器具有明显的优越性。(1)在安装过程中是比较简便的，在已经设计好的建筑物中可以使用该种设备，在对现有的建筑物进行改建时，同样可以安装这种设备；(2)在建筑物内装有液体粘性减振器，它不仅具有防风功能，而且还能辅助防震；(3)通常安装于超高层结构加固层，或隐蔽于隔板内部，既能充分利用空间，又不会造成建筑占用；(4)使用次数减少，安装位置显著，便于后期维修、更换；(5)安装方法简便，不存在任何安全风险；(6)从整体上看，采用液体粘性阻尼器比前两种抗风方式更为经济。

3液体粘滞阻尼器在抗风中的应用

为使液体粘性阻尼器能够在高层建筑的各种位置上进行安装，以满足结构的位移要求和建筑空间的需要。液体粘性阻尼器有多种不同的连接方式。在此过程中比较常用的连接方式包含对角，人字形，以及剪刀型等连接方式。如果受到了剪力而出现变形的情况，那么可以采用人字形，套锁，以及剪刀型的连接方式，除此之外也可以采用开放空间连接的方法，伸长杆接头适合于以弯曲变形为主的结构，而对角接线在这两类变形中均能起到良好的阻尼作用。

3.1位移放大系数

对角点连接是比较简单的一种连接方式，而人字形，剪刀型，以及套锁等连接方式都是由对角点进行发展和完善的，其中液体粘性阻尼器的相对位移是通过结构的剪变形来实现的。利用位移放大系数 f来表达变形转移的效率，在相同的框架内，剪力位移会受到不同连接方式的影响，不同的连接方式所产生的放大系数是不同的。

3.2 部分连接形式应用案例

3.2.1 对角连接

对角接线方法简便，而且不管是以剪力为主，还是以弯曲变形为主，斜接式减振器都能起到很好的效果，所以在结构设计中得到了广泛的应用。但由于位移放大系数在1以下，采用此方法的粘滞减振器的使用效率不高。在实际工程中，为了防止结构不稳定，常采用一端法兰连接，一端铰接。

3.2.2人字形连接

在人字型连接中，将液体粘性阻尼器安装在人字型框架的顶端，通过结构的剪切变形引起的位移来消耗减振器的能量。人字型接缝可以用一种液态粘性阻尼器来消耗能量，而人字型接头可以在两侧安装一种液态粘性阻尼器来消耗能量。北京车站的“人”字型支撑结构为“双”字型，这样的层高对“人”字型支撑体系的稳定起到了很好的作用。

3.2.3 套索连接

在国内，套索接头也被称作“肘节接头”，它是由两个连杆组成的，它的一端与连杆的斜角相交，另一端固定在一条连杆上。当结构的层间位移比较小时，由于位移放大系数 f>1，因此，采用套索形式的连接形式可以更好地发挥消能的作用。另外，与斜联式液体粘性阻尼器相比，当目标达到同样的情况下，可以有效地降低整体结构中的液体粘性阻尼器的数目。

3.2.4 剪刀形连接

剪刀型接头主要包括：液力阻尼器、上下两个接合板、四个铰接杆。上部板设于结构横梁，下部板设于柱脚。在受到外力作用的情况下，结构会产生剪力作用，使其产生剪力作用，使中间的液体粘滞阻尼器产生伸缩运动。剪刀型接头更适合空间狭小、紧凑、安装阻尼装置困难重重、或追求美感的部位。塞浦路斯奥林匹克委员会大楼使用的剪刀式连接减震器，见图2-16。

3.2.5 伸臂连接

在机架核心筒结构中，为了使机芯筒的外部有一根伸杆桁架，杆的一端与芯筒固定，杆的另一端和外框柱子之间由一根垂直或倾斜的液力阻尼器相连接，该阻尼器的系统简化图见2-17。这种联接方式主要是利用结构的挠曲变形引起的位移差异，使中间的液体粘性阻尼器起到一定的推动作用。其生产成本较高，执行起来也比较麻烦。

其中最有名的是菲律宾马尼拉香格里拉双塔的227米长的伸缩式阻尼器，它的减振效果由0.256 m/s2下降到0.094 m/s2，减振效率高达63.3%。

2.4.3 液体粘滞阻尼器连接杆

在液体粘性减振器等几种不同的连接方式中，除了液体粘性减振器主体之外，其他构件也起到了很大的作用，特别是连杆（支承构件），对减振器的作用效果有直接的影响。

结束语

总之，液体粘性阻尼器是一种非常有效的结构，它可以显著地改善结构的抗风性能，而且随着工程人员对它的使用和它的计算方法的改进，相信在未来的几年里，一定会有更多的高层建筑采用液体粘性阻尼器。相关人员在采用液体粘性阻尼器时，要了解相应的原理，并且要按照步骤规范进行操作，这样才能够保证其发挥一定的作用和效果，从而保证整个工作的顺利开展。

参考文献：

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