大跨桥梁主梁涡振的转角抑振理念及伸臂阻尼实现

大跨桥梁频率低而密集且固有阻尼小,易出现风致振动,呈现出起振风速低、振动模态多和持续时间长的潜在风险。文章提出一种利用主梁转角变形附加旋转阻尼的大跨桥梁多阶模态减振方法,并提出伸臂阻尼系统的实现方式。首先,利用悬索桥的简化张拉梁模型研究伸臂阻尼系统对张拉梁多阶模态的阻尼效果,采用典型悬索桥的主缆索力和主梁抗弯刚度参数,分析表明单个伸臂阻尼系统能提升模态阻尼比达到0.8%;探究了主梁抗弯刚度与主缆索力比值、伸臂刚度和位置等对阻尼效果的影响规律。以舟山西堠门大桥为例,建立了带黏滞型伸臂阻尼系统桥梁的有限元模型。通过复特征值分析,研究了伸臂阻尼系统对多阶模态的阻尼效果、伸臂刚度和安装位置对阻尼的影响等。分析表明,大跨桥梁单侧塔梁设置刚性伸臂阻尼系统能够使大桥出现过涡激振动的7阶模态中的6阶模态阻尼比达到0.98%以上;双侧安装,上述6阶模态阻尼比能达到1.12%以上。实际设计伸臂抗弯刚度达到2倍主梁抗弯刚度时,可认为满足伸臂刚度需求。综上,文章提出的桥梁主梁转角抑振理念和伸臂阻尼系统的多模态阻尼减振控制效果良好。

基于伸臂-负刚度阻尼原理的应力带桥减振控制研究

随着城市建设水平的提高和旅游业的发展,对大跨人行景观桥建设需求不断增加。应力带桥因具有简洁的结构形式和优美的建筑外观,被逐渐应用于人行景观桥中,但其固有频率低、模态间隔紧密,在风、行人等动荷载作用下易发生振动。因此,为控制应力带桥振动,提出了基于伸臂-负刚度阻尼原理的应力带桥减振控制策略。首先,基于欧拉-伯努利梁理论建立了系统广义运动方程,并提出了基于复模态的系统动力特性计算方法。其次,系统地研究了应力带桥负刚度控制系统关键参数对系统动力行为的影响规律,并确定了关键参数设计准则。最后,基于案例分析对比验证了所提控制策略对应力带桥人致振动控制的有效性。提出的应力带桥减振控制方法与相应参数确定准则可为实际工程中应力带桥的建设提供参考。

惯容-负刚度-阻尼伸臂体系减震性能增效研究

为提升传统阻尼伸臂(CDO)体系的减震效果,基于惯容⁃刚度⁃阻尼三元被动减振理论,开展了惯容⁃负刚度⁃阻尼伸臂(INSDO)体系减震性能增效研究。采用Clough⁃Penzien谱模型模拟平稳随机激励,利用增广状态空间建立结构⁃阻尼器⁃激励系统的运动方程;通过求解Lyapunov方程获得随机地震作用下结构响应的均方根值(RMS),基于结构最大有害层间位移角与加速度的多目标控制确定了INSDO体系的最优参数;分析评估了典型实际地震作用下INSDO体系的减震性能。结果表明:在El⁃Centro和Kobe地震波作用下,相比CDO体系,INSDO最优化体系降低了底层位移角RMS均值的57.97%,以及顶层绝对加速度RMS均值的36.99%,验证了多目标优化方法的有效性;相比单独引入惯容或负刚度单元,同时引入两种单元可进一步放大阻尼单元的位移,提升阻尼器耗能与地震输入能量的比值,实现INSDO体系减震性能增效。

兰州环球港负刚度阻尼伸臂结构设计

兰州环球港项目地处8度设防烈度区,超高层塔楼建筑顶部高度317m,结构高度248m。考虑刚性伸臂引起的结构竖向刚度突变及普通阻尼伸臂耗能较小,在超高层塔楼中创新性地采用了带负刚度阻尼伸臂的钢框架-混凝土核心筒结构体系。负刚度阻尼伸臂是在普通阻尼伸臂基础上增设负刚度装置而成,由于负刚度装置对运动的促进作用,阻尼器行程得到放大,其耗能效果也得到提高。分析结果表明,采用负刚度阻尼伸臂后,结构的附加阻尼比得到显著提升,并以很少的阻尼器用量获得更好的降低位移和加速度的性能。

某框架-核心筒阻尼伸臂桁架结构分析

某建筑主体结构高度为172.4m,结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒+阻尼伸臂桁架。结构初步设计阶段进行了无加强层、刚性加强层、阻尼伸臂桁架层方案对比。分析了不同黏滞阻尼器参数对耗能效果的影响,不同位置设置阻尼伸臂桁架对耗能效果的影响,以及不同地震加速度作用下耗能效果的影响,本工程证实设置阻尼伸臂桁架层可有效的提供附加阻尼,降低主体结构地震响应。

采用黏滞阻尼伸臂桁架的超高层结构模型振动台试验研究

黏滞阻尼伸臂桁架兼具高效耗能和“有限刚度”加强层的特点,可提高结构的抗震性能,尤其适用于高烈度区超高层结构抗震设计。中国国际丝路中心塔楼建筑高度498m,是目前全球最高的采用黏滞阻尼伸臂桁架的高层建筑,为验证其抗震性能和减震措施的有效性,进行了1∶40的缩尺模型振动台试验研究。本文介绍了模型设计、试验过程及主要现象。试验测试了结构在8度小震、8度中震、8度大震地震波输入下的动力响应,包括结构自振特性、动力放大系数、楼层位移、层间位移角、损伤发展及阻尼器耗能等。将主要试验结果与有限元分析结果进行了对比,总体上吻合程度较好,可互为验证。试验及分析结果表明:结构设计合理,采取的减震措施有效,结构整体抗震性能满足规范及预定的抗震性能目标要求;黏滞阻尼伸臂桁架产生的附加阻尼比随地震作用强度增加而降低,并且随主体结构进入弹塑性后进一步降低。根据试验结果对结构设计提出了相应的建议,揭示的阻尼比变化规律可供类似项目设计参考。

黏滞阻尼伸臂对超高层框架-核心筒结构抗震性能的影响研究

超高层框架-核心筒结构通常设置伸臂桁架以提高结构刚度并满足层间位移角等规范控制指标。采用PERFORM-3D软件建立了带有普通伸臂的刚性方案模型和带有黏滞阻尼伸臂的阻尼方案模型,对比了两种方案在多遇、设防、罕遇地震作用下的层间位移角及结构受力情况,比较了罕遇地震作用下两种方案的残余变形及结构的损伤情况,最后结合构件的耗能对结构损伤进行量化分析。分析结果表明:阻尼方案改善了刚性方案结构刚度突变的问题,结构的抗侧刚度分布更为均匀,同时有效地降低了结构内力;与刚性方案相比,阻尼方案结构顶部残余变形显著减小,核心筒以及外框架的损伤情况得到改善。在地震作用下,黏滞阻尼伸臂充当结构第一道抗震防线,提高了结构的抗震韧性,有较好的应用前景。

高层建筑加强伸臂结构分析及应用

加强伸臂技术的采用是高层建筑技术发展的主要驱动力之一,一般刚性伸臂加强作用非常明显,但容易造成楼层刚度突变,耗能性能也相对较弱,在超高层建筑中将屈曲支撑、黏滞阻尼器等技术与一般伸臂技术结合,可以在发挥刚度加强作用的同时,提高伸臂耗能效果。介绍了一般刚性伸臂、BRB伸臂、黏滞阻尼伸臂以及基于放大技术黏滞阻尼伸臂的性能,与一般的刚性伸臂技术相比,基于新技术组合型伸臂材料选择更加多样化,综合性能也更加突出,可以显著提高主体结构附加阻尼,减少地震输入,改善竖向楼层刚度突变,为超高层建筑结构提供了更好的创新和发展空间。

带伸臂超高层建筑风振控制方法对比分析

风荷载对超高层建筑结构的安全性和舒适性有着重要的影响,研究超高层结构风振控制方法具有较大的工程实用价值.本文选用一栋高304.2 m且带有伸臂加强层的超高层建筑作为算例,设置调谐质量阻尼器、伸臂加强层阻尼体系以及两者混合控制的方案进行三维有限元建模计算,对比不同控制方法的控制效果.结果显示:调谐质量阻尼器的控制效果较其他方案稍弱,设置伸臂加强层阻尼体系和混合控制方案都能显著降低结构的风振响应,混合控制方案仅从控制效果方面来看在所给的四种方案中最优.

多道负刚度阻尼伸臂结构减震性能的随机响应分析

针对传统黏滞阻尼伸臂(conventional damped outrigger, CDO)结构中由于外柱刚度有限造成最大附加阻尼比受限的不足,引入负刚度机制,将负刚度装置与阻尼器并联,形成负刚度阻尼伸臂(negative stiffness damped outrigger, NSDO)结构,在降低阻尼需求、控制结构的风振及地震作用响应方面具有显著的优势。基于连续化的Timoshenko梁建立多道负刚度阻尼伸臂结构的简化分析模型,并通过虚拟小质量法建立核心筒-伸臂结构的状态空间方程,最终通过求解Lyapunov方程得到结构的随机地震响应。并以两道伸臂为例,对两道NSDO(简称“2NSDO”)结构、两种布置方案的混合伸臂结构进行了随机地震响应参数化分析。结果表明:与传统阻尼伸臂结构相比,合理设置的NSDO结构的减震效果明显提高,层间位移角与无控结构(仅核心筒)层间位移角之比(即层间位移角减震效果)从0.68降至0.25以下,有害层间位移角的减震效果从0.71降至0.4以下,加速度、基底剪力和倾覆弯矩的减震效果均从0.7左右降至0.5以下;对比不同的NSDO布置形式,对于有害层间位移角、加速度、基底剪力和倾覆弯矩指标,2NSDO结构和传统伸臂(conventional outrigger, CO)在下部、NSDO在上部(1CO+1NSDO)的混合伸臂结构具有基本相同的显著减震效果,均能降至0.55以下,NSDO在下部、CO在上部(1NSDO+1CO)混合伸臂结构的可降至0.82以下;对于层间位移角,2NSDO结构的减震效果最好,可降至0.25左右,1CO+1NSDO和1NSDO+1CO结构的分别降至0.3和0.4以下。综合考虑减震效果及对结构静力刚度的影响,工程中更推荐采用1CO+1NSDO的伸臂布置形式。

集成黏滞阻尼伸臂减震装置超高层建筑结构续建改造设计

为了在超高层建筑结构续建改造设计中减少已建结构的改造工程量,通过附加黏滞阻尼装置有效提高高层建筑在地震作用下的结构耗能,从而降低结构的内力和变形响应。研究了黏滞阻尼伸臂的变形放大原理,介绍了黏滞阻尼伸臂的最优布置方法,并提出了续建改造多状态矩阵,分析了续建改造项目典型驱动因素,总结了集成黏滞阻尼伸臂减震装置的超高层建筑结构续建改造设计策略,最后以工程实例验证该方法的有效性及准确性。结果表明:黏滞阻尼伸臂适用于以弯曲变形为主的超高层建筑结构,变形放大系数可近似为区格的跨度与高度之比,理论放大系数一般为2~3;采用基于阻尼耗能排序不变假定的黏滞阻尼伸臂设计方法,仅需对结构进行一次满布阻尼计算分析即可确定耗能排序及各附加阻尼方案;在以弯曲变形为主的框架核心筒结构中,阻尼伸臂布置在中、高区减震效果最好,距离该位置越远,耗能效果越差,相邻两道伸臂式阻尼提供的附加阻尼比相差约15%;在续建改造项目中布置黏滞阻尼减震系统,黏滞阻尼器提供的附加阻尼并非越大越好,存在使结构综合成本最低的集成减震设计方案;黏滞阻尼伸臂减震集成设计方法在提升结构抗震性能的同时有效降低了结构续建改造成本,具有实际工程价值。

黏滞阻尼伸臂桁架在超高层结构中的应用研究

黏滞阻尼伸臂桁架是针对核心筒-伸臂桁架结构将黏滞阻尼器竖向布置于伸臂桁架端部的一种消能减震技术,对位于高烈度抗震设防区的超高层框架-核心筒结构,采用该技术不仅可以有效地降低地震作用,还可以避免传统刚性伸臂桁架所带来的不利影响。为研究黏滞阻尼伸臂在超高层结构中的减震规律,对设置黏滞阻尼伸臂的超高层框架-核心筒结构进行减震作用分析,同时研究伸臂桁架刚度以及阻尼器参数对减震效果的影响。结果表明:黏滞阻尼伸臂具有附加阻尼和等效动刚度双重减震作用;综合考虑减震效果和经济性,伸臂桁架存在最优刚度;阻尼指数越小,减震效果越好;阻尼系数存在较优区间,使得黏滞阻尼伸臂取得较好的减震效果。

位移放大型黏滞阻尼伸臂桁架减震效果及动力试验研究

为提高黏滞阻尼伸臂桁架在地震作用下的耗能效率,设计了一种带位移放大装置的黏滞阻尼伸臂桁架。对分别设置传统型和位移放大型黏滞阻尼伸臂桁架的超高层结构进行有限元分析,对比了结构的地震响应及阻尼器的工作状态。通过动力荷载试验,考察两种黏滞阻尼伸臂桁架的滞回性能,对比阻尼器的位移及耗能,研究位移放大系数的变化规律,分析伸臂桁架刚度对黏滞阻尼伸臂桁架工作效率的影响。结果表明:相比传统型黏滞阻尼伸臂桁架,采用位移放大型黏滞阻尼伸臂桁架可将阻尼器的耗能效率提高至原来的1.5~1.8倍,使结构获得更好的减震效果;位移放大型黏滞阻尼伸臂桁架滞回曲线光滑、对称、饱满,具有良好的工作性能,且能有效放大阻尼器的工作位移并增大耗能;提出了黏滞阻尼伸臂桁架的位移放大系数的计算式,计算值与试验值吻合较好;为保证黏滞阻尼伸臂桁架的工作效率,建议伸臂桁架的刚度比取值不小于9。

放大型黏滞阻尼伸臂减震性能分析

以某超高层建筑为工程背景,对原有的黏滞阻尼伸臂方案进行改进,在伸臂桁架端部加入T型杠杆机构以增加地震中阻尼器的变形,构成了放大型黏滞阻尼伸臂方案。对分别采用这两种减震方案的超高层结构的减震效果进行了对比分析,并对影响减震效果的主要设计参数(阻尼器参数和杠杆率)进行了研究。结果表明:放大型黏滞阻尼伸臂方案能有效放大原方案中阻尼器两端的相对速度和变形,放大倍数近似等于T型杠杆机构的杠杆率;随着杠杆率的增大,放大型黏滞阻尼伸臂方案中阻尼系数的最优值逐渐减小,放大型黏滞阻尼伸臂方案中最优阻尼系数与杠杆率的乘积近似等于原黏滞阻尼伸臂的最优阻尼系数。

大型项目中间的工程力学解决方案

近年来国内外大量大型复杂、"超限"的建筑结构相继建立,这些工程大多属于不规则结构,甚至是特别不规则结构,在对这类结构进行设计时,往往会遇到超过规程适用范围或者规程中未规定的问题。这些问题并不能套用现行标准,并缺少明确目标、依据和手段。该类问题往往需要以工程力学原理为基础,提出针对性的解决方案。该文针对奥雅纳工程咨询公司(ARUP)在国内一系列大型工程项目,对该类工程力学解决方案进行整理介绍。

中国国际丝路中心大厦结构分析与设计

本工程位于高烈度地区,通过研究超高层建筑结构受力和变形的特点,结构设计采用消能减震设计方案,在核心筒和外框柱之间采用传统伸臂桁架和阻尼伸臂桁架相结合的形式。小震弹性分析、中震等效弹性分析及大震弹塑性分析结果表明该结构体系受力合理,阻尼伸臂桁架提供的附加阻尼可有效控制结构地震反应,特别是大震下的弹塑性变形,保护关键构件,提高整体结构抗震性能。

基于损伤控制的某超高层建筑减震方案对比研究

超高层建筑遭受地震后普遍存在修复难度大、成本高、耗时长等问题。基于损伤控制理念,提高超高层建筑在地震作用下的可修复性很有必要。消能减震技术是实现结构损伤控制设计的有效手段。目前消能减震技术在国内超高层建筑中已有一定的应用,但基于损伤控制设计仍较少。本文结合一个超高层工程案例,对比分析了不同减震方案的特点和损伤控制效果。该分析对后续类似的工程具有一定的借鉴意义。

名古屋丰田每日大厦的制振设计

本建筑为250m高超高层智能型办公商业综合大楼,建造于日本名古屋市,竣工于2006年9月。地上为外围框架+中央核心筒+伸臂桁架的综合钢结构体系,地下为型钢钢筋混凝土结构,主楼的中央核心筒由高强钢钢板墙构成,伸臂桁架内设置了油阻尼器,主楼和裙房之间也设置了油阻尼器。在大地震和强风频发的名古屋设计这样一栋超高层建筑时,需要对地震影响和风的影响进行全面、综合考虑。本文具体介绍了结构设计师是如何思考并解决这些影响的。

黏滞阻尼器在超高层建筑中的应用研究

随着建筑高度的增加,结构的侧向变形和舒适度问题逐渐突出。传统方法通过改进结构体系、提高结构刚度、强度和延性来提高结构抗震和抗风能力,其造价随结构高度的增加成倍增长。为探寻更优的解决思路,结合具体的工程案例,提出安装黏滞阻尼伸臂和黏滞阻尼墙的组合阻尼减震方案。结构分析结果表明,与传统的提高结构刚度方法相比,组合阻尼减震方案具有更好的综合性能。另外,对案例结构阻尼伸臂和阻尼墙的布置位置和参数进行优化分析,得出较优的布置位置和阻尼参数。最后,对结构进行了罕遇地震下的结构响应分析,证明了组合阻尼减震方案的有效性。组合阻尼减震方法可为类似的工程设计提供有益参考。

华润深圳湾总部大楼结构设计

华润深圳湾总部大楼采用密柱外框筒+劲性钢筋混凝土核心筒结构体系,通过斜交网格柱在高区和低区加强形成密柱外框筒,形成了可靠的二道防线;提出了新型外框偏心节点,研究了偏心节点受力性能和其对整体结构的影响,实现了建筑的无柱空间要求;高区核心筒采用新颖的斜墙收进方案,既满足了建筑的使用功能,也保证了结构传力的安全有效性,避免了刚度的突变。比较分析了伸臂阻尼器数量对舒适度的影响,确定了经济有效的一道伸臂阻尼器形式。此外对总体结构进行了大震弹塑性计算分析,有力地保证了工程的安全性、合理性。