新型調(diào)諧液態(tài)阻尼器技術(shù)在某超高層項目中的應(yīng)用

張 彪

中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430074

近年來，我國高層建筑的高度在不斷被刷新，建筑結(jié)構(gòu)形式越來越多樣，體型也越來越復(fù)雜，風(fēng)荷載成為控制高層結(jié)構(gòu)安全、舒適性的主要因素之一。改善風(fēng)振舒適度的措施中，增加結(jié)構(gòu)阻尼的減振效果最為明顯[1-4]。

當(dāng)前，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）在超高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛，調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）此前在國內(nèi)的超高層項目中尚未開始使用。項目團(tuán)隊研究對比調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）和調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）的各項利弊并結(jié)合項目的自身特點，最終采用新型調(diào)諧阻尼器（TSD）應(yīng)用技術(shù)[5-8]。該技術(shù)創(chuàng)新性地將裝配式高位消防水池與結(jié)構(gòu)阻尼器協(xié)作設(shè)計，在提升超高層建筑內(nèi)人員使用舒適性，提高建筑室內(nèi)消防供水系統(tǒng)及建筑本體可靠性、安全性的同時，降低了工程造價。該技術(shù)目前在國內(nèi)超高層建筑中首次使用。

1 技術(shù)運用背景

某超高層項目主塔樓為地上98層，地下5層，建筑高度450 m。項目采用混凝土＋伸臂桁架＋巨柱的結(jié)構(gòu)體系，為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。建筑抗震烈度為乙類，按照6度設(shè)防。風(fēng)荷載按100年一遇的基本風(fēng)壓確定，為0.5 kN/m2，地面粗糙度為C類。

風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，塔樓最高使用層的10年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度為17×10－3g，滿足中國建筑規(guī)范的最低舒適度要求；1年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度為7.1×10－3g，對比日本建筑規(guī)范AIJ，屬于H50級別（日本建筑規(guī)范AIJ-GEH驗算1年重現(xiàn)期的風(fēng)致加速度，并將與頻率相關(guān)的舒適度劃分為5個級別，即H10、H30、H50、H70和H90。其數(shù)字部分意義為有相應(yīng)百分比的人們對加速度有感，如H10為10%的人對加速度有感，以此類推）。對于塔樓頂部的高端酒店和住宅來說，有必要改善其風(fēng)振舒適度（圖1、圖2）。

圖1 T1塔樓風(fēng)洞試驗

圖2 T1塔樓TSD振動臺試驗

改善風(fēng)振舒適度的措施中，增加結(jié)構(gòu)阻尼的減振效果最為明顯，且成本相對低廉。在提高舒適度的同時也降低了結(jié)構(gòu)荷載，緩解了結(jié)構(gòu)疲勞，延長了建筑的使用壽命。不同于設(shè)計假定的結(jié)構(gòu)固有阻尼，較明確的附加阻尼使結(jié)構(gòu)具有更高的可靠度。因此，設(shè)置以抗風(fēng)為主要目的的阻尼器是本項目風(fēng)振控制的理想方案。

2 風(fēng)振控制方案優(yōu)選

2.1 吸能減振系統(tǒng)基本類型

結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)按控制方式分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。此外，根據(jù)減振原理主要分為基礎(chǔ)隔振、吸能減振和消能減振。其中，吸能減振在結(jié)構(gòu)小變形下（如短重現(xiàn)期風(fēng)下）仍能提供有效的控制力，因此是常用的風(fēng)振控制方法。

吸能減振是將結(jié)構(gòu)振動的部分能量傳遞到與結(jié)構(gòu)相連的附加慣性系統(tǒng)中，該慣性系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)某一振型產(chǎn)生有相位差的共振并反饋結(jié)構(gòu)控制力，一般設(shè)置在建筑頂部或者靠近頂部的位置，以達(dá)到最大的廣義質(zhì)量比，發(fā)揮最大的減振效果。實際工程中，常用的吸能減振系統(tǒng)主要包括：調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD），調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD），調(diào)諧液柱阻尼器（TLCD），主動質(zhì)量阻尼器（AMD），混合質(zhì)量阻尼器（HMD）。

2.2 風(fēng)振控制方案優(yōu)選

項目前期主要對兩種吸能減震系統(tǒng)進(jìn)行分析討論，分別是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）和調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）。

2.2.1 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）

初始設(shè)計了一個位于91層、1 000 t的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD），主要由吊索、質(zhì)量塊、黏滯阻尼桿、調(diào)諧系統(tǒng)和限位系統(tǒng)組成。設(shè)計加速度減振比為42%，預(yù)計將10年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度降低至9.8×10－3g，將1年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度降低至4.0×10－3g（AIJ規(guī)范H10級別）。

設(shè)計中除了對TMD在短重現(xiàn)期風(fēng)（1年、5年和10年）下的性能進(jìn)行分析，RWDI還對TMD在強(qiáng)風(fēng)（50年和500年重現(xiàn)期）及地震（50年、475年和2 500年重現(xiàn)期）下的響應(yīng)進(jìn)行了詳盡的非線性時域分析，以確保TMD的安全性。

2.2.2 調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）

根據(jù)后期優(yōu)化，阻尼器方案由TMD調(diào)整為TSD（調(diào)諧液態(tài)阻尼器）。TSD可以利用平時閑置的消防水箱，對其進(jìn)行設(shè)計，達(dá)到減振的目的，使阻尼器和消防水箱合二為一，既節(jié)省了空間，也進(jìn)一步降低了造價。

調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）是一種被動式吸能減振裝置，它其實是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）的變形，同為與建筑相連的附加慣性系統(tǒng)，不同的是TSD通過波浪的往復(fù)運動來產(chǎn)生慣性力，池壁提供回復(fù)力。在建筑中，TSD的構(gòu)造通常為矩形水箱，其長度、寬度和水深經(jīng)過設(shè)計以得到期望的波浪運動。波浪的運動可表示為等同于TMD的運動質(zhì)量。而能量耗散是通過使用百葉屏板、網(wǎng)、槳柱等阻尼系統(tǒng)來生成湍流達(dá)到的。

經(jīng)綜合對比，本工程采用新型調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）應(yīng)用技術(shù)，兼顧阻尼器和消防水箱的功能，使二者合二為一，達(dá)到了造價及維護(hù)費用低、無需限位、多用途的綜合使用目的。

3 技術(shù)原理

3.1 調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）設(shè)計

本工程TSD是一個位于93層、590 t的阻尼器，TSD的內(nèi)部凈尺寸為19.0 m×16.3 m×4.2 m（長×寬×高）。TSD短邊與主結(jié)構(gòu)X軸夾角為30°，使其與主結(jié)構(gòu)平動振型方向一致。

經(jīng)過對TSD和塔樓在風(fēng)和地震下的響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)性能分析，TSD的設(shè)計加速度減振比為30%，預(yù)計將10年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度降低至12×10－3g，將1年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度降低至5.0×10－3g（AIJ規(guī)范H30級別）。

TSD箱體為全鋼結(jié)構(gòu)，材料為Q345B。主要包括由立柱＋支撐＋梁＋板組成的箱體，內(nèi)部的槳柱（9根）、擋板和檢修閘門（圖3）。其中，槳柱用來產(chǎn)生湍流，提供TSD本身的阻尼；擋板用來形成底部靜水區(qū)，調(diào)諧TSD頻率；檢修閘門用來在TSD檢修狀態(tài)時將水箱分隔成2個區(qū)域，以保證檢修時有一半的消防水量。TSD減振的控制力為水箱兩端側(cè)壁的動力水壓差產(chǎn)生的側(cè)向力。TSD波浪產(chǎn)生的動力水壓主要通過立柱、支撐和槳柱傳遞至塔樓主體結(jié)構(gòu)。

圖3 TSD水箱結(jié)構(gòu)

根據(jù)規(guī)范要求，高層民用建筑高壓消防給水系統(tǒng)的高位消防水池總有效容積大于200 m3時，宜設(shè)置蓄水有效容積相等且可獨立使用的2格；當(dāng)建筑高度大于100 m時應(yīng)設(shè)置獨立的2座。

但為確保TSD箱體內(nèi)液體的整體晃動特性，在箱體中間部位設(shè)置4塊閘門。TSD在正常運行狀態(tài)時，檢修閘門提起，保證凈高在3.8 m；TSD在檢修狀態(tài)時，檢修閘門落下，關(guān)閉嚴(yán)實，檢修閘門高度為2.3 m。閘門要求具有較好的密封性能，這樣既能滿足高層建筑高壓消防給水系統(tǒng)的要求，又能為水箱的清洗、破損時維修焊接等檢修提供便利條件。

TSD箱體內(nèi)部閘門上升和下降時的結(jié)構(gòu)形式如圖4、圖5所示。

圖4 檢修閘門運行狀態(tài)

圖5 檢修閘門維護(hù)狀態(tài)

箱體內(nèi)的水位通過聯(lián)動進(jìn)水閥和轉(zhuǎn)輸泵自動控制。自動控制的手段則需要借助設(shè)置在箱壁上的超聲波液位計和設(shè)置在槳柱上的電子液位計?；赥SD水池模擬試驗分析結(jié)果提供的水池平面尺寸和浪高，推算出TSD箱體的消防有效水深，復(fù)核消防有效水深與阻尼器最佳運行調(diào)諧液位的關(guān)系，最終得到液位計在箱體內(nèi)槳柱上的擺放位置。

用于聯(lián)動控制水池補(bǔ)水控制閥的液位計通過聯(lián)動邏輯判斷，當(dāng)2個液位計探測到的液位均低于最高液位時，打開補(bǔ)水控制閥；當(dāng)2個液位計探測到的液位均高于設(shè)定的最高液位時，聯(lián)動關(guān)閉補(bǔ)水控制閥，以此來避免補(bǔ)水控制閥頻繁啟動。用于聯(lián)動控制消防轉(zhuǎn)輸水泵的液位計探測到的液位低于設(shè)定的最低液位時，啟動下方設(shè)備層的消防轉(zhuǎn)輸水泵；當(dāng)該液位計探測到的液位高于設(shè)定的超高報警液位時，發(fā)出超高液位報警信號至消防控制室，由具有權(quán)限的管理人員人工判斷是否停止下方的轉(zhuǎn)輸水泵。通過聯(lián)動控制，實現(xiàn)了TSD水箱內(nèi)液位自動調(diào)整的目的。

3.2 調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）設(shè)計

TSD的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）設(shè)計參數(shù)

經(jīng)過模擬分析，調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）的吸能減振性能滿足設(shè)計要求，具體結(jié)果如下：

1年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度沒有TSD的情況下為7.1×10－3g，有TSD的情況下為5.0×10－3g。5年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度沒有TSD的情況下為14.0×10－3g，有TSD的情況下為9.5×10－3g。10年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度沒有TSD的情況下為17.0×10－3g，有TSD的情況下為12.0×10－3g。

可以看出，在有TSD較無TSD的情況下，塔樓最高使用層的1年、5年、10年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度均減少30%。

3.3 調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）性能測試

2019年8月，臺風(fēng)“利奇馬”過境項目所在城市，項目及專業(yè)單位立即組織TSD的相關(guān)測試。

2019年8月9日下午3：20到5：00期間，對塔樓進(jìn)行了振動實測。本次實測的塔樓加速度時程如圖6所示，分別為X軸、Y軸、扭轉(zhuǎn)和平動矢量和的加速度，最大加速度矢量和為1.6×10－3g，估算最大位移在50～60 mm之間。

圖6 TSD測試曲線

根據(jù)實測結(jié)果，TSD調(diào)諧所需的水位為2.66 m，槳柱寬度為1.7 m（雙向完全展開），擋板高度為0.69 m。其中，1年和10年設(shè)計風(fēng)速分別為19 m/s（8級）和22 m/s（9級）。8月9日下午的風(fēng)速為5～6級，遠(yuǎn)小于1年重現(xiàn)期，8月10日晚上的風(fēng)速達(dá)到此次臺風(fēng)在項目所在城市的最大值，約為9級，接近10年重現(xiàn)期。

TSD實測結(jié)果與之前分析的結(jié)果相一致，在有TSD較無TSD的情況下，塔樓最高使用層10年重現(xiàn)期風(fēng)致加速度減少30%。

4 TSD施工操作要點

4.1 箱體分割方案

根據(jù)現(xiàn)場提供的吊裝條件，質(zhì)量小于10 t，運輸寬度要求小于6 m，將箱體分成24塊，箱體劃分最大、最重為9號、11號板塊，最大外形尺寸5 m×0.6 m×10 m，質(zhì)量為8 t。

4.2 TSD安裝流程及安裝難點

水箱底面的安裝及拼接→側(cè)板的安裝及拼接＋斜撐安裝焊接→槳柱（9根）＋擋板安裝及焊接→頂板安裝→人孔蓋、扶梯及進(jìn)出口管子的安裝及焊接→閘門及相關(guān)配件的安裝及調(diào)試→焊縫檢驗及返修→箱體內(nèi)部油漆修補(bǔ)→箱體外部油漆修補(bǔ)

TSD施工的主要難點在于構(gòu)件的吊裝和安裝焊接。TSD焊縫等級為一級焊縫，焊前預(yù)熱可減少內(nèi)應(yīng)力，防止裂紋，改善焊縫性能，母材焊接前必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80～120 ℃。

采用高壓無氣自動噴涂機(jī)噴涂，施工前按產(chǎn)品要求將涂料加入進(jìn)料斗，按涂料厚度調(diào)整噴涂機(jī)參數(shù)，開動噴涂機(jī)進(jìn)行自動噴涂。

4.3 焊縫檢測要求說明

1）所有面板拼接縫為全熔透二級焊縫，為確保焊縫的質(zhì)量，采取所有面板拼接縫超聲波檢測＋磁粉檢測。

2）現(xiàn)場組裝焊接，所有面板之間的角焊縫由于總裝完成后無法進(jìn)行超聲波檢測，故采取磁粉檢測。

3）為確保焊縫的質(zhì)量和氣密性，對所有角焊縫進(jìn)行煤油檢測，對于無法檢測區(qū)域可采用抽真空氣密性檢測。

4）構(gòu)架焊縫檢測：構(gòu)架面板對接縫為超聲波檢測，其余焊縫（包括角焊縫）為磁粉檢測。

5 實施效果

通過新型調(diào)諧阻尼器（TSD）應(yīng)用技術(shù)，能有效改善塔樓的風(fēng)振舒適度，降低結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，緩解結(jié)構(gòu)疲勞，延長建筑使用壽命，并使結(jié)構(gòu)設(shè)計具有更高的可靠度。根據(jù)臺風(fēng)過境實際測試，塔樓最高使用層10年重現(xiàn)期的風(fēng)致加速度減少了30%，驗證了設(shè)計的預(yù)期結(jié)果，達(dá)到了應(yīng)用的目的。

本工程采用的新型調(diào)諧阻尼器（TSD）應(yīng)用技術(shù)，屬于在國內(nèi)超高層建筑中首次使用，創(chuàng)新地將阻尼器和消防水箱的功能合二為一，利用平時閑置的消防水箱對其進(jìn)行設(shè)計，達(dá)到減振的目的。

在滿足風(fēng)振使用舒適度的前提下，新型調(diào)諧阻尼器（TSD）具有以下特點：造價費用低，相較于常用的TMD，費用可節(jié)約40%；無需外部能源支持，綠色環(huán)保；無需人為控制，安全可靠；構(gòu)造簡單，易于安裝、方便調(diào)節(jié)與維護(hù)；靈敏度高，穩(wěn)定性好，耐久性長；無需限位，多用途，可兼作消防水箱。

6 結(jié)語

隨著越來越多的城市開始建設(shè)超高層建筑，關(guān)于超高層改善塔樓的風(fēng)振舒適度，降低結(jié)構(gòu)水平荷載，緩解結(jié)構(gòu)疲勞，延長建筑使用壽命等方面的思考越來越成熟，超高層減振阻尼器的使用案例也會隨之增多。

新型調(diào)諧液態(tài)阻尼器（TSD）應(yīng)用技術(shù)已在某超高層項目中得到成功應(yīng)用，為同類工程提供了寶貴的理論和實踐經(jīng)驗。后續(xù)的超高層項目可以在此項應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高超高層建筑的舒適性以及使用壽命。