阻尼器系數對懸掛建筑結構減震效率影響研究

吳延飛，張曉姍，吳 岳

(1.杭州建工集團有限責任公司，杭州 310000；2.華北理工大學，河北 唐山 063000)

0 引言

隨著時代的發展以及科技的不斷進步，懸掛結構體系的工程應用之路變得更加明朗與寬闊，各種各樣的懸掛式建筑在世界各地被建立起來，如加拿大溫哥華西海岸辦公大樓、南非約翰內斯堡的標準銀行大樓、倫敦中區泰晤士河畔的河岸廣場加減工程，以及中國香港匯豐銀行總部大樓等。而且隨著懸掛原理在建筑中的不斷應用和實踐，懸掛式建筑的結構理論和實際運用也愈加趨向成熟，應用方向從住宅、辦公樓、醫院到旅館、展覽館等均有涉及，建筑高度最高的甚至能夠達到27層130米。懸掛結構的受力性能與結構高度、懸掛樓層數、吊桿半徑、樓層阻尼器系數因素有關，本文主要討論分析樓層阻尼器系數對懸掛結構的減震效果。

1 建立懸掛建筑結構體系運動方程

理論設定一個14層核筒懸掛建筑結構，簡化為葫蘆串模型，將14層懸掛結構體系分為兩個7層懸掛系統，1-7層懸掛在第一根吊桿上，8-14層懸掛在第二根吊桿上，懸掛體系每一樓層中均加設阻尼器，以提高懸掛結構的抗震效果。設坐標系XOY固定在地平面上，懸掛系統的第一振型為φ(z)，不考慮其余干擾振型影響，則第一根吊桿、第二根吊桿聯接的懸掛系統中樓層位移為u1，u2，可得[1]：

(1)

根據拉格朗日方程建立核筒懸掛建筑結構體系的運動方程式，如下。

(2)

2 計算實例及結果分析

2.1 阻尼器系數對層間位移的影響

根據計算得出表1和圖1。從中可以看出，在阻尼器系數由3 000 kN/(m·s)增加到7 000 kN/(m·s)的過程中，每一個相對應樓層的層間位移都隨之增加；但是當阻尼器系數為1 000 kN/(m·s)時，對應的層間位移則大于當阻尼系數為3 000 kN/(m·s)時的層間位移。阻尼器主要是耗損地震震動導致的層間位移，對其運動產生阻力。當阻尼器系數增大，對樓層運動的阻力就會增大，相對于3 000 kN/(m·s)的阻尼器系數，7 000 kN/(m·s)的阻尼器系數就增大了樓層震動的整體性，這與普通無懸掛的結構體系近似無差異。因此應該存在一個最優的阻尼器系數使層間位移取最小的值。通過表1和圖1中反映的數據可得出，當阻尼器系數為3 000 kN/(m·s)時，對懸掛結構減震效率最優，相較于無懸掛結構1層的層間位移減小震效率可達到97%。

表1 懸掛結構與無懸掛結構層間位移的比較 mm

圖1 阻尼器系數與層間位移的關系

2.2 阻尼器系數對層位移的影響

同樣根據運動方程計算得出表2和圖2，從中可看出，在阻尼器系數由3 000 kN/(m·s)增加到7 000 kN/(m·s)的過程中，每一個懸掛體對應樓層的層位移都隨之減小，但是隨著樓層的增高，層位移則相應增大。普通無懸掛建筑結構7層與1層相比較層位移提高值達到77%，但對于加設阻尼器的懸掛建筑結構而言，阻尼器系數為3 000 kN/(m·s)時，7層與1層相比較提高值僅為5%，由此可得出結論：有阻尼器的懸掛結構，其震動的整體性趨于平穩，在阻尼器系數為7 000 kN/(m·s)時，相較于無懸掛結構其層位移減小更為明顯，7層的層位移減小效率達到72%。

表2 懸掛結構與無懸掛結構層位移的比較 mm

圖2 阻尼器系數與層位移的關系

2.3 阻尼器系數對層速度的影響

根據運動方程計算得出表3和圖3，從中可看出，在阻尼器系數由3 000 kN/(m·s)增加到7 000 kN/(m·s)的過程中，每一個懸掛體對應樓層的層速度都隨之減小，而隨著樓層的增高，層速度則相應增大。無懸掛建筑結構7層與1層相比較層速度提高值達到75%，但對于加設阻尼器的懸掛建筑結構而言，阻尼器系數為3 000 kN/(m·s)時，7層與1層相比較層速度提高值僅為2%，從而不難得出，有阻尼器的懸掛結構，其震動的整體性趨于平穩，在阻尼器系數為7 000 kN/(m·s)時，相較于無懸掛結構其層速度減小更為明顯，7層的層速度減小效率達到83%。

表3 懸掛結構與無懸掛結構層速度的比較 m·s-1

圖3 阻尼器系數與層速度的關系

2.4 阻尼器系數對層加速度的影響

從表4和圖4中可看出，在阻尼器系數由3 000 kN/(m·s)增加到7 000 kN/(m·s)的過程中，各懸掛體對應樓層的層加速度都隨之增大，伴隨樓層的增高，層加速度也對應增大。無懸掛建筑結構7層與1層相比較，層加速度提高值達到67%，但對于加設阻尼器的懸掛建筑結構而言，隨著樓層增加層加速度反而降低。懸掛建筑結構由于地震的震動影響，建筑物會跟著吊桿擺滑，擺動越小，抗震性能越佳。通過表4、圖4中數據不難分析出，有阻尼器的懸掛結構，其震動的整體性趨于平穩，在阻尼器系數為3 000 kN/(m·s)時，相較于無懸掛結構其層加速度減小更為明顯，1層的層加速度減小效率達到78%。

表4 懸掛結構與無懸掛結構層加速度的比較 m·s-2

圖4 阻尼器系數與層加速度的關系

3 結論

(1)阻尼器系數的不同對懸掛建筑結構的減震效果具有明顯影響，樓層的層間位移、層位移、層速度以及層加速度沿結構高度的分布趨于均勻，且相對于普通無懸掛建筑結構相對應值都大幅度減小。

(2)懸掛建筑結構加設阻尼器后，存在一個最優的阻尼器系數可使層間位移取最小的值。經過數據計算分析，阻尼器系數為3 000 kN/(m·s)時可達到最優效果。

參考文獻：

[1] 劉晶波，杜修力.結構動力學[M].北京：機械工業出版社，2006：152-178.

[2] 葛楠，蘇幼坡，王興國，等.豎向剛度對FPS滑移摩擦擺系統隔震性能影響研究[J].工程抗震與加固改造，2010，32(4)：20-25.

[3] 周錫元，閻維明，楊潤林.建筑結構的震動、減振和振動控制[J].建筑結構學報，2002，23(2)：2-11.