减 震 技 术 纽 约 西 44 街 4 号 超 高 层 建 筑 用 伸 桁 架 器 的 性 能 和 测 试 马 良? 陈 永 祁 北 京 奇 太 振 控 科 技 发 展 有 限 公 司 北 京 摘 要 风 荷 载 是 控 制 超 高 层 结 构 设 计 的 主 要 因 素 纽 约 西 44 街 4 号 风 洞 试 验 得 出 超 过 规 范 简 化 估 算 出 的 风 荷 载 和 结 构 反 应 设 计 使 用 了 伸 桁 架 器 这 是 续 马 拉 香 格 里 拉 酒 店 工 程 后 世 界 上 第 二 个 采 用 伸 桁 架 系 统 的 工 程 详 细 提 出 了 器 的 测 试 要 求 按 这 一 要 求 对 该 建 筑 做 出 了 详 细 全 面 的 超 高 层 结 构 抗 风 伸 器 的 测 试 报 告 测 试 后 的 个 金 属 密 封 无 摩 擦 器 已 经 顺 利 安 置 在 已 经 完 工 的 该 建 筑 上 关 键 词 伸 桁 架 器 测 试 无 摩 擦 金 属 密 封 器 00 /$.'% $ ( 00 5-!"&' &'(')*+, -!! : /(''/ ( /.0/: 0/( 4 /44 &/ / /0'0/+/' /+'(' /,$00 /,+// (/+!'#//'.0+00/00 /,+/(6++/ &=+!'$/+0( /, (,+%,,+ /+(/0+ /.000 /,+/*%(/ //(('/,',+// /, (/.0 "#$ 00 /,+ / ('/,',+ & 超 高 层 结 构 抗 风 和 器 随 着 高 层 超 高 层 建 筑 的 发 展 结 构 在 风 振 下 的 反 应 越 来 越 成 为 重 要 的 考 虑 内 容 这 不 仅 因 为 结 构 面 临 着 强 刚 度 甚 至 防 止 倒 塌 等 诸 多 问 题 同 时 结 构 的 舒 适 度 问 题 也 更 为 突 出 实 际 上 往 抗 风 会 成 为, 以 上 的 高 层 结 构 控 制 设 计 的 主 要 因 素 规 范 对 高 度 4, 以 上 的 高 层 结 构 有 结 构 抗 风 的 要 求 风 洞 试 验 以 及 风 时 程 的 数 值 模 拟 计 算 已 经 成 为 十 分 可 靠 精 确 的 分 析 方 法 在 新 建 结 构 上 留 下 安 置 $5) 的 空 间 等 待 观 察 未 来 大 风 实 际 情 况 再 来 决 定 是 否 安 置 $5) 这 显 然 是 不 科 学 的 不 当 做 法 也 是 不 能 满 足 规 范 要 求 的 减 小 风 结 构 响 应 较 为 普 遍 采 用 的 措 施 是 设 调 谐 质 量 减 振 的 $5) 系 统 此 外 国 外 这 几 年 也 安 置 了 很 多 液 体 调 谐 减 振 的 $-) 系 统 然 而 在 结 构 上 安 装 $5) 会 占 据 很 大 的 空 间 使 结 构 利 用 率 和 不 动 产 价 值 大 降 低 也 花 费 很 高 的 费 用 $-) 系 统 也 面 对 难 于 保 证 谐 振 减 振 的 困 难 在 结 构 中 直 接 设 置 液 体 粘 滞 器 既 经 济 又 十 分 有 效 和 便 于 安 装 较 为 典 型 的 案 例 是 在 马 拉 香 格 里 拉 工 程 上 采 用 的 伸 桁 架 系 统 大 节 省 了 结 构 抗 风 系 统 的 费 用 该 伸 桁 架 系 统 是 将 高 层 结 构 上 的 伸 切 断 放 大 结 构 在 风 荷 载 下 的 弯 曲 变 形 使 器 最 大 限 度 地 发 挥 减 振 耗 能 作 用 因 此 器 的 性 和 质 量 在 结 构 中 的 作 用 变 得 更 为 突 出 和 重 要 一 个 能 多 次 往 复 使 用 确 保 在 大 风 下 上 万 次 的 往 复 循 环 下 不 破 坏 的 器 是 确 保 能 几 十 年 安 全 工 作 最 重 要 的 保 证 用 于 减 震 器 多 处 于 长 期 不 动 偶 然 在 几 十 秒 内 进 行 工 作 的 状 态 这 显 然 很 难 满 足 风 振 所 要 求 的 有 可 能 长 达 几 十 个 小 时 连 续 工 作 的 要 求 金 属 密 封 无 摩 擦 器 是 采 用 金 属 波 纹 管 散 热 解 决 了 抗 风 器 在 持 续 大 风 下 容 易 发 热 破 坏 的 重 大 难 点 使 器 吸 收 的 热 量 可 随 时 循 环 散 发 掉 器 功 率 大 增 加 可 以 长 期 往 复 循 环 使 用 ' 纽 约 西 街 '% 号 工 程 介 绍 纽 约 西 44 街 4 号 工 程 是 一 座 位 于 美 国 纽 约 麦 哈 顿 的 2, 高 的 2 层 办 公 楼 自 年 开 始 建 设 历 时 4 年 完 工 由 %0+ 公 司 进 行 结 构 设 计 设 计 中
引入了伸桁架系统 "这种创新的结构体系会 钢材% 起到很好的抗风效果" 也为业主节省了大量资金" 并 系统的分析和优化采用S8)a_>G;<>," 评估 提高了整体结构性能"如% 所示% 多种器布置形式以便找出最优方案% 在伸处 共使用' 个器% 主振型能提供"W 附加"第 二阶横向振型也能提供一些附加"此外扭转振型 并没有增加明显的% 为验证加速度计算结果以 及器所必须耗散的功率值"最后采用风洞试验得 到的数据进行了时程分析% 工程中采用的主要有两 种形式"即伸桁架用器替代原刚性柱以及普通 的斜撑器% 伸桁架器立面如& 所示" 伸桁架系统立面见P% +P, %!工 程 外 立 面 及 伸 系 统 结构设计基于78)]a' 风荷载并用纽约市建筑规 范! _+I-.<: );K2H=?,/9.?+" _-)2)# 进行校核% 在初步设计完成后" 由加拿大安大略省的\.X>, X = = > DGA> B + Gj 5 < I,公 司! \XA5# 进行风洞测试! "# % 风 洞试验结果显示风荷载及结构反应显著 大于根据规范荷载计算下的值"由于周边建筑物的遮 挡和结构抖振使风振下加速度值远大于规范给出的 数值% 主要原因是结构较低楼层被现有的建筑物明 显遮挡"大幅减少负荷& 而建筑物的形状极易受交叉 风振动影响"并且也容易受附近的高层建筑的某些振 动影响% 为使结构满足加速度限值" 主要有两种途 径'%# 一个是将结构刚度增加大约"#W"这额外需要 大约R##;钢材&"# 另一个是增加结构"增设 器是个所需成本低$效果好的选择%! da& VdA'# &!伸 桁 架 器 立 面 P!伸 桁 架 系 统 立 面 "!结 构 风 洞 试 验 伸桁架系统可以起到提高结构$降低 结构加速度并降低结构用钢量的作用% 伸桁架 系统将伸桁架的刚性单元替换为' 套黏滞 器"在没有增加额外空间或建筑物重量的情况下" 取 得了与6SA系统相近的控制效果"且费用比6SA系 统降低了一半% 据估算" 相对于非附加结构设 计"目前的设计使结构重量下降了%#W"节省了%###; %$ : 伸桁架器的性能 :( 8 选用无摩擦金属密封器的必要性 伸桁架系统与普通用于抗震所采用的 器是完全不同的两类装置% 伸桁架系统必 须采用抗磨$高功率$ 极低摩力的器% 马拉 香格里拉工程是世界第一个采用伸桁架系统 的工程"采用的器由g5T生产% 如R 所示" 这 种器使用了散热片和外挂蓄能器"属于第二代 器产品% 伸桁架系统用于抗风设计"因此所采用的
O!无 摩 擦 金 属 密 封 器 构 造 简 :( 9 R!马 拉 香 格 里 拉 伸 桁 架 器 器也均具备抗风器的诸多特点% 抗风 器跟普通抗震器是不一样的"因为它是连续工作 的"所以在连续工作的情况下一定要考虑功率" 因为 器最怕连续工作中的功率太大"器在发热的 情况下很容易毁坏"因此一定要计算功率" 看器 功率是否能够满足要求% 抗震用器在大多数时 间均处于静止状态"而伸桁架器则完全不同" 在风振作用下器必须连续工作"并且在很小的振 幅下就能提供"普通抗震器很容易漏油% 即 便在最初使用的短时间里"使用的普通器并不一 定会很快漏油"但满足不了这种功率要求的器还 是很危险的% 其次由于抗风时器位移非常小"所以一定要 用到放大系统把器的位移放大"这样器用来 抗风才比较有效"伸桁架实际上就是这种放大位移 的一种% 另外用于抗震的器吨位都很大" 如两三百 吨"而抗风可能几毫米" 如此大吨位的器在几毫 米位移的情况下"能否很好地工作是高品质器产 品近些年主要改进和提高的地方"即将器的敏感 性提高"使它在小位移下也能很好地工作% 外置储能器器虽然可以获得较高的功率"但 耐久性能较差 % O 为金属密封无摩擦器 gya! g< 9 ;.,= + G GY+ < D+ ; 9A> DC+ < #的 内部构造示意 "可适用于风振环境等微幅振动"但价格相对较高% 这种一直用于外太空设备装置中独特性能的减 振产品可免维护的长期工作"大幅提高土木工程用 器的性能标准"是对土木工程用器的重大发展 和进步% 这一装置已经在伦敦千禧桥以及凯越公园 酒店6SA系统有过成功的应用 % 将无摩擦金属密 封器发展应用到伸结构上"形成性能更理想的 伸器% 伸桁架器的主要工作范围'%# 用于降低脉 动风以及相关具有持续性往复作用的动力荷载所引 起的结构摆动&"# 在风荷载位移量和受力的同一范围 内"也将受到潜在的与地震作用影响% 7< HC 公 司提出伸桁架用器的性能要求' %# 器的设计使用年限为R# 年&"# 器参数要 求"见表%"指数!值为%(#&&# 器在工作时主要 的运动卓越周期在P VOG之间&P # 最小操作冲程' N( RDD&R# 最 大允许静摩擦力'%#:C&O# 温度稳定性' 器在环境温度处于c%'('$ VP#(RO[ 范围内具 有稳定的系数&'# 能量消耗'预测的极限暴风产 生热荷载"器供应商应在给出的环境温度范围内 提供热计算来证明他们的设计" 保障每个器在 RD,内 可耗散R:X 的热量"在%#D, 内耗散P:X 的 热量"在&#D,内可耗散&:X 的热量% 器在安装 就位后"供应商应提供%# 年的质保周期"任何维修或 更换都由制造商承担" 而后进入免维护期" 这段期间 指器能够保持所需要的性能"而不需要调整或拆 卸来进行维护" 也不能对器部件或液体进行更 换"甚至不能重新喷漆% 器参数 器编号 +R, +O, 性能要求和参数 表8 最大出力M:_ 线性系数%M!:_0GMD# da% O'ATa % da" O'ATa " %ON" da& O'ATa & %ON" dap O'ATa P P$""& dar O'ATa R P&$&N dao O'ATa O da' O'ATa ' &#O$' ; ;( 8 伸桁架器与普通器测试的区别 功率要求 伸桁架器与普通抗震器存在一些重 要的区别"伸桁架器在风振下需要在相对小的 振幅和力下工作" 且风雨激振有时能够持续多个小 时"因此器必须消耗它们以热能形式吸收的能 量"设计师也必须考虑如此长时间运行下器的热 %N
量 耗 散 情 况 对 抗 风 器 进 行 功 率 计 算 是 目 前 国 际 上 的 普 遍 做 法 一 些 类 似 项 目 都 给 出 器 单 位 时 间 内 必 须 耗 散 能 量 的 大 小 如 表 所 示 ' 微 幅 振 动 下 的 性 能 在 多 数 情 况 下 结 构 受 到 的 风 荷 载 并 不 是 剧 烈 的 器 的 位 移 幅 值 并 不 是 很 大 如 果 器 在 小 幅 振 动 时 器 不 能 及 时 启 动 或 完 全 不 能 正 常 工 作 这 显 然 不 能 达 到 设 计 的 目 的 和 要 求 抗 风 器 要 求 要 有 很 高 的 灵 敏 性 即 便 是 设 计 出 达 到 上 百 吨 出 力 的 器 仍 能 在 几 个 毫 米 下 提 供 耗 能 因 此 相 对 于 同 等 出 力 的 抗 震 器 抗 风 器 必 须 能 够 在 微 幅 振 动 下 进 入 工 作 状 态 并 能 提 供 一 个 长 期 免 维 护 的 寿 命 传 统 的 器 密 封 件 被 一 个 无 摩 擦 的 金 属 波 纹 管 系 统 所 取 代 对 器 摩 擦 的 要 求 抗 风 器 对 内 部 摩 擦 力 的 要 求 要 远 高 于 普 通 抗 震 器 对 于 普 通 抗 震 器 要 求 其 在 慢 速 测 试 中 摩 擦 力 不 超 过 9 这 实 际 上 控 制 的 是 动 摩 擦 力 而 对 于 抗 风 器 其 要 求 器 静 摩 擦 力 或 启 动 力 不 能 超 出 设 计 要 求 需 要 说 明 的 是 根 据 物 体 之 间 的 摩 擦 特 性 这 种 静 摩 擦 力 要 远 大 于 运 动 中 的 摩 擦 力 对 于 普 通 抗 震 器 或 使 用 普 通 的 器 密 封 系 统 其 启 动 时 的 力 要 超 过 其 运 行 时 的 极 限 温 度 下 的 性 能 要 求 在 实 验 室 的 环 境 温 度 下 得 到 的 性 能 参 数 并 不 具 有 普 遍 性 掌 握 装 置 在 极 限 温 度 下 的 性 能 表 现 十 分 必 要 伸 桁 架 器 安 装 位 置 并 不 一 定 处 于 室 内 的 恒 温 环 境 如 安 装 在 室 外 则 器 必 须 适 应 当 地 所 能 达 到 的 极 温 条 件 器 功 率 计 算 方 法 计 算 风 振 下 的 器 功 率 耗 散 可 采 用 能 量 法 进 行 估 算 或 根 据 时 程 分 析 中 所 得 到 的 数 据 给 出 & 能 量 法 估 算 器 循 环 一 周 所 吸 收 的 能 量 为 2, 式 中 为 正 弦 波 振 动 周 期 为 振 幅 为 圆 频 率, 为 器 出 力 为 器 吸 收 的 能 量 则 功 率 为, 式 中 2 在 进 行 器 测 试 时 由 于 给 定 了 振 幅 和 出 力 可 采 用 式 大 致 判 断 器 所 消 耗 的 功 率 ' 根 据 实 际 风 波 计 算 在 实 际 加 载 风 时 程 作 用 下 通 过 器 的 时 间 内 实 际 出 力 以 及 变 形 可 以 得 到 器 瞬 时 能 量 吸 收 在 持 续 时 间 内 器 所 累 积 吸 收 的 能 量 为 2 则 在 持 续 时 间 内 器 所 需 要 的 功 率 为 4 最 终 提 出 的 值 应 为 最 大 值 即 5 如 4, 最 大 功 率 为 5 4,, 最 大 功 率 为 5, 或, 最 大 功 率 为 5, 根 据 :)# 提 供 的 风 时 程 某 附 加 器 的 钢 结 构 工 程 采 用 的 器 -4 瞬 时 吸 收 和 累 计 吸 收 的 能 量 见 器 4, 和, 的 耗 散 功 率 时 程 见 根 据 程 分 析 计 算 结 果 可 得 到 所 采 用 器 功 率 在 不 同 时 间 段 的 耗 散 功 率 根 据 计 算 结 果 设 计 人 员 可 提 出 在 不 同 时 间 下 的 器 功 率 要 求 表 为 该 工 程 编 号 为 -2 8-4 器 在 不 同 时 间 区 间 的 器 功 率 要 求 伸 桁 架 器 的 测 试 以 下 节 选 了 编 号 为 @) 的 器 部 分 测 试 结 果 这 些 测 试 也 是 风 振 器 必 须 测 试 的 内 容 使 用 抗 风 器 的 工 程 以 及 器 功 率 参 数 表 ' 工 程 名 称 楼 层 高 度, 数 量 最 大 位 移 量,, 最 大 力 速 度 指 数 功 率 ;+ 生 产 商 结 构 形 式 马 拉 香 格 里 拉 < C#6 伸 桁 架 4 2 < $)#5 伸 桁 架 6$- <4 $)#5 伸 桁 架 &C 22 <4 $)#5 巨 型 支 撑
器 的 瞬 时 能 量 吸 收 和 累 计 吸 收 能 量 器 4, 和, 的 耗 散 功 率 时 程 不 同 时 间 下 的 器 功 率 -. 器 编 号,, 4, -4 2 2 4-4 4 2 4-2 2 4-2 2 4-2 4 表 & 功 率 测 试 根 据 %0+ 的 计 算 纽 约 西 44 街 4 号 工 程 器 的 功 率 在 考 虑 4, 内 每 个 器 将 消 耗 4: 的 热 量 在, 内 每 个 器 将 消 耗 2: 热 量 如 在, 内 每 个 器 为 : 按 照 这 一 要 求 进 行 的 功 率 测 试 的 具 体 方 案 和 测 试 结 果 如 下 按 照 振 幅 < 以 及 能 量 4: 将 器 循 环 4, 将 器 冷 却 而 后 按 照 < 以 及 能 量 : 将 器 循 环, 应 记 录 测 试 中 的 温 度 数 据 采 集 测 试 中 的 力 位 移 和 速 度 数 据 测 试 完 成 后 装 置 不 应 有 任 何 漏 油 退 化 屈 服 变 形 等 情 况 出 现 + 器 4, 和, 功 率 测 试 平 均 消 耗 热 量 分 别 为 4: 和 : 器 达 到 了 设 计 要 求 ' 低 幅 值 性 能 测 试 该 项 测 试 要 求 器 在 < <4,, 的 最 小 冲 程 下 进 入 工 作 状 态 %0+ 提 出 所 有 器 应 进 行 测 试 测 试 产 品 是 否 能 在 < 8 即 <4 84,, 的 振 幅 区 间 内 达 到 所 需 要 的 系 数 每 一 装 置 以 < 为 振 幅 进 行 一 周 正 弦 波 测 试 测 试 速 度 应 对 应 装 置 2 的 最 大 力 器 在 压 缩 方 向 当 速 度 为 / 时 出 力 为 2+ 在 拉 伸 方 向 速 度 为 4 / 时 出 力 为 22+ 静 摩 擦 测 试 对 于 伸 桁 架 器 在 微 幅 振 动 时 最 大 允 许 静 摩 擦 不 超 过 +224 所 有 器 测 试 表 明 其 最 大 静 摩 擦 力 未 超 过 限 定 值 这 意 味 着 器 的 静 摩 擦 力 必 须 得 到 限 制 将 装 置 水 平 固 定 在 测 试 设 备 上 将 每 一 缓 慢 加 载 至 最 大 + 要 求 在 达 到 + 前 设 备 必 须 克 服 静 摩 擦 力 应 采 集 测 试 中 的 力 位 移 和 速 度 数 据 测 试 完 成 后 装 置 不 应 有 任 何 漏 油 退 化 屈 服 变 形 等 情 况 出 现 测 试 得 出 最 大 静 摩 擦 力 为 2+ 达 到 了 低 于 + 的 设 计 要 求 温 下 性 能 测 试 极 限 温 度 的 性 能 要 求 最 少 对 两 个 进 行 测 试 表 明 在 极 端 温 度?2 下 器 能 够 达 到 所 需 要 的 系 数 并 且 最 大 静 摩 擦 力 未 超 过 限 定 值 此 外 要 求 在 提 高 器 的 温 度 情 况 下 来 确 定 能 量 耗 散 情 况 在 测 试 中 分 别 对 两 个 器 在? 和 2 进 行 一 圈 的 正 弦 波 测 试 以 及 静 摩 擦 测 试 并 采 集 测 试 中 的 力 位 移 和 速 度 数 据 测 试 完 成 后 装 置 不 应 有 任 何 漏 油 退 化 屈 服 变 形 等 情 况 出 现 测 试 结 果 表 明 在 不 同 温 度 情 况 下 器 性 能 均 在 误 差 控 制 范 围 内 结 论 伸 桁 架 系 统 是 耗 能 减 振 领 域 在 高 层 结 构 应 用 的 最 新 课 题 和 发 展 方 向 这 一 体 系 目 前 国 内 也 被 逐 渐 认 可 并 有 类 似 工 程 应 用 但 目 前 存 在 的 问 题 也 较 为 突 出 其 一 是 仅 采 用 普 通 抗 震 器 这 带 来 的 问 题 是 器 很 容 易 漏 油 如 果 结 构 封 顶 并 进 行 装 修 后 期 维 护 不 便 且 结 构 安 全 性 很 难 保 证 其 次 是 即 便 进 行 了 风 振 分 析 但 不 考 虑 器 的 功 率 问 题
由 于 规 范 并 未 对 风 控 器 进 行 讨 论 目 前 这 一 情 况 较 为 突 出 和 严 重 本 文 通 过 介 绍 纽 约 西 44 街 4 号 工 程 伸 桁 架 器 的 应 用 情 况 给 出 了 其 性 能 要 求 和 测 试 结 果 希 望 规 范 能 够 进 一 步 修 正 参 考 文 献 3 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 & 北 京 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 &%5B- #C%$# %5#&D D #&D D &5#$;@/'0/,+/(=/.0/ 6'/(2 : (' 0! D &5#$; 5#;%-:#--CD)$,+ 0''+(.0/ $&0'0 )/ ($ &+' 0/ 4=4 2 5%$$%&D )%@#)5&D$$#'/(''.0/.,+ %0+ 4 马 良? 陈 永 祁 金 属 密 封 无 摩 擦 器 介 绍 及 工 程 应 用 工 程 抗 震 与 加 固 改 造 42=42 陈 永 祁 耿 瑞 琦 马 良? 桥 梁 用 液 体 黏 滞 器 的 减 振 设 计 和 类 型 选 择 土 木 工 程 学 报 44= 彭 程 马 良? 陈 永 祁 伸 器 系 统 在 高 层 结 构 中 的 应 用 建 筑 结 构 424&24=24 陈 永 祁 桥 梁 工 程 用 液 体 黏 滞 器 设 计 与 施 工 5 北 京 中 国 铁 道 出 版 社 作 者 简 介 马 良? 硕 士 工 程 师,, ',