黏滯阻尼伸臂桁架在超高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

李炳焱

（太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002）

1 黏滯阻尼伸臂構(gòu)造和變形

1.1 構(gòu)造

將傳統(tǒng)伸臂桁架與外圍框架柱斷開(kāi)后，豎向布置黏滯阻尼器于兩者的交接處，構(gòu)成黏滯阻尼伸臂桁架，下方為詳細(xì)構(gòu)造圖。

在高度為200米至400米之間的超高層建筑中，往往應(yīng)用整體高寬比較大的框架—核心筒結(jié)構(gòu)，在承受側(cè)方帶來(lái)的荷載壓力下，結(jié)構(gòu)整體會(huì)發(fā)生側(cè)向側(cè)向彎曲變形，應(yīng)用伸臂桁架具有的杠桿作用，可實(shí)現(xiàn)彎曲側(cè)向變形向軸向變形轉(zhuǎn)變，基于黏滯阻尼伸臂的工作原理可以知悉，與黏滯阻尼支撐利用結(jié)構(gòu)剪切變形達(dá)成工作目標(biāo)有所不同，黏滯阻尼伸臂是利用結(jié)構(gòu)彎曲變形來(lái)發(fā)揮作用［1］。

1.2 變形組成

黏滯阻尼伸臂由伸臂桁架和黏滯阻尼器構(gòu)成，并分別與外框架柱、核心筒相連，因而，框架柱、核心筒和伸臂桁架是致使黏滯阻尼器出現(xiàn)變形現(xiàn)象的主要因素，也就是說(shuō)，在框架柱出現(xiàn)軸向變形的情況下，由于其與黏滯阻尼伸臂相連，因而也會(huì)致使黏滯阻尼器出現(xiàn)軸向變形現(xiàn)象，此種變形為不利變形；在核心筒出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)變形的情況下，若伸臂剛度較大，即可利用伸臂桁架具有的杠桿效應(yīng)，將核心筒的轉(zhuǎn)動(dòng)變形轉(zhuǎn)為阻尼器的變形，此種變形為有利變形；在伸臂桁架受力變形的情況下，基于伸臂桁架剛度帶有的局限性特點(diǎn)，黏滯阻尼器的反力反而會(huì)使伸臂桁架的端部出現(xiàn)變形現(xiàn)象，此種變形為不利變形。

2 黏滯阻尼伸臂減震作用

總結(jié)來(lái)說(shuō)，黏滯阻尼伸臂減震作用的實(shí)現(xiàn)，具體可歸結(jié)于兩方面，即：附加阻尼和等效動(dòng)剛度［2］。

2.1 附加阻尼

超高層建筑物在承擔(dān)動(dòng)力荷載作用時(shí)，黏滯阻尼器可為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，以減少建筑物結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的相應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)震動(dòng)能量的耗散目標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，附加阻尼比是評(píng)判減震效果的關(guān)鍵指標(biāo)，在阻尼比增加的情況下，耗散能量的能力也會(huì)隨之增強(qiáng)，超高層建筑物承受的地震作用也會(huì)顯著降低。

2.2 等效動(dòng)剛度

所謂等效動(dòng)剛度，是指在黏滯阻尼器產(chǎn)生阻尼力的情況下，其可以強(qiáng)化外框架參與抗傾覆的程度，等效動(dòng)剛度帶有動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)。

3 伸臂桁架剛度與結(jié)構(gòu)減震效果的關(guān)系

所謂伸臂桁架剛度，就是單位豎向力作用下的變形。一般來(lái)說(shuō)，在伸臂桁架剛度增大時(shí)，超高層結(jié)構(gòu)的層間位移角和基底剪力減幅也會(huì)呈現(xiàn)出非線(xiàn)性增大的趨勢(shì)，直至伸臂桁架剛度超出特定值，減幅才會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，同理，附加阻尼比也是如此［3］。概括來(lái)說(shuō)，黏滯阻尼器效率、伸臂桁架剛度和減震效果為正相關(guān)關(guān)系，若伸臂桁架剛度增大，其他兩項(xiàng)參數(shù)也會(huì)隨之提升。若剛度過(guò)小，伸臂桁架會(huì)明顯變形，核心筒傳遞給黏滯阻尼器端部的變形也會(huì)隨之減少，在一定程度上，削弱了減震效果。在伸臂桁架剛度已經(jīng)超出臨界值的情況下，需將伸臂最大變形比例控制在10%以?xún)?nèi)。

4 黏滯阻尼器參數(shù)和減震效果的關(guān)系

4.1 阻尼指數(shù)

作為一種速度相關(guān)型消能器，黏滯阻尼器性能主要受阻尼指數(shù)和阻尼系數(shù)影響。一般來(lái)說(shuō)，在阻尼指數(shù)增加的情況下，阻尼器最大出力也隨之增大，而最大變形則相反，呈減小趨勢(shì)，且減小速度快于增大速度，也就是說(shuō)，阻尼指數(shù)增大，附加阻尼比會(huì)逐漸減小，進(jìn)而使減震效果逐漸變?nèi)酰虼耍谶M(jìn)行超高層建筑的施工時(shí)，要應(yīng)用阻尼指數(shù)較小的黏滯阻尼伸臂，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的減震效果［4］。

4.2 阻尼系數(shù)

一般來(lái)說(shuō)，阻尼系數(shù)增大的情況下，阻尼器的最大出力也隨之增大，最大變形則為減小趨勢(shì)，同時(shí)，在阻尼系數(shù)增大的情況下，同附加阻尼比一致，最大層間位移角減幅和基底剪力減幅為先加后減趨勢(shì)。由此可知，阻尼系數(shù)在一定的區(qū)間內(nèi)，可取得理想的減震效果，因此，在實(shí)際超高層建筑的施工中，要基于超高層建筑的實(shí)際情況，深入了解建筑的結(jié)構(gòu)特性，合理確定阻尼系數(shù)的最優(yōu)區(qū)間，以達(dá)到最優(yōu)的減震目標(biāo)［5］。

5 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)出如下幾點(diǎn)研究成果：一是黏滯阻尼伸臂的減震功能表現(xiàn)于附加阻尼和等效動(dòng)剛度；二是伸臂桁架的剛度和減震作用正相關(guān)，即一方增加的同時(shí)，另一方也隨之增加，為實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)效益，可將伸臂桁架最大變形比例控制在10%以?xún)?nèi)。三是選擇阻尼器時(shí)，要從產(chǎn)品的性能和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，最好選擇阻尼指數(shù)小的產(chǎn)品。四是為取得最優(yōu)的減震效果，可基于有效方式，如：采用最大層間位移角減幅與阻尼系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)，確定最優(yōu)的系數(shù)區(qū)間。總而言之，超高層建筑在我國(guó)建筑行業(yè)中規(guī)模逐漸上升，為保證建筑的整體質(zhì)量和穩(wěn)定性，有必要對(duì)黏滯阻尼伸臂桁架加以研究。