連梁式摩擦阻尼器在高層建筑減震性能的研究

田雪峰

隨著城市化進(jìn)程的加速和人口的不斷增長(zhǎng)，高層建筑的數(shù)量和高度不斷刷新歷史紀(jì)錄。然而，高層建筑在面對(duì)地震等自然災(zāi)害時(shí)，其結(jié)構(gòu)的抗震性能成為一個(gè)重要的問(wèn)題。傳統(tǒng)的減震措施，如加固結(jié)構(gòu)、增加墻體厚度等方法存在成本高、施工難度大等問(wèn)題。因此，尋找一種經(jīng)濟(jì)、高效的減震措施，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。連梁式摩擦阻尼器通過(guò)摩擦力的作用，將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能和彈性變形能，從而減小建筑物的震動(dòng)幅度，提高抗震能力。因此，研究連梁式摩擦阻尼器在高層建筑減震性能方面的應(yīng)用，對(duì)于提高高層建筑的抗震能力，保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

1 高層建筑減震技術(shù)綜述

1.1 傳統(tǒng)減震技術(shù)

傳統(tǒng)減震技術(shù)包括：加強(qiáng)建筑物的結(jié)構(gòu)、增加建筑物的質(zhì)量、設(shè)置減震墩及設(shè)置減震器等。其中，加強(qiáng)建筑物的結(jié)構(gòu)是指在建筑物結(jié)構(gòu)中增加鋼筋混凝土等材料，提高建筑物的抗震能力；增加建筑物的質(zhì)量是指在建筑物內(nèi)增加重物，提高建筑物的慣性力，從而減少地震對(duì)建筑物的影響；設(shè)置減震墩是指在建筑物的基礎(chǔ)上設(shè)置一定高度的墩子，通過(guò)墩子的彈性變形來(lái)減少地震對(duì)建筑物的影響；設(shè)置減震器是指在建筑物的結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定的減震器，通過(guò)減震器的阻尼作用減少地震對(duì)建筑物的影響[1]。

新型減震技術(shù)包括：擺式減震技術(shù)、液體減震技術(shù)、形狀記憶合金減震技術(shù)、智能材料減震技術(shù)及摩擦阻尼器等。其中，擺式減震技術(shù)是指在建筑物的結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定的擺式減震器，通過(guò)擺式減震器的阻尼作用減少地震對(duì)建筑物的影響；液體減震技術(shù)是指在建筑物的結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定的液體減震器，通過(guò)液體減震器的阻尼作用減少地震對(duì)建筑物的影響；形狀記憶合金減震技術(shù)是指在建筑物的結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定的形狀記憶合金材料，通過(guò)形狀記憶合金材料的形狀變化減少地震對(duì)建筑物的影響；智能材料減震技術(shù)是指在建筑物的結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定的智能材料，通過(guò)智能材料的變形減少地震對(duì)建筑物的影響。摩擦阻尼器是一種常用的減震技術(shù)，它是通過(guò)在建筑物結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定的摩擦阻尼器減少地震對(duì)建筑物的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，傳統(tǒng)減震技術(shù)和新型減震技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，建筑物的減震方案需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。

1.2 摩擦阻尼器的應(yīng)用現(xiàn)狀

摩擦阻尼器是一種新型的結(jié)構(gòu)減震控制裝置，廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中的高層建筑、橋梁、地鐵及機(jī)場(chǎng)等工程中。其主要作用是通過(guò)摩擦力來(lái)吸收地震或風(fēng)荷載等外力，從而減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，保障建筑物的安全性。目前，摩擦阻尼器在建筑行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球已有超過(guò)1000 個(gè)建筑項(xiàng)目采用了摩擦阻尼器技術(shù)，其中包括世界著名建筑迪拜塔、東京塔及上海中心大廈等[2]。在中國(guó)，摩擦阻尼器技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用，如北京國(guó)貿(mào)三期、上海環(huán)球金融中心及廣州國(guó)際金融中心等高層建筑項(xiàng)目均采用了該技術(shù)。摩擦阻尼器的應(yīng)用不僅可以提高建筑物的抗震性能，還可以降低建筑物的結(jié)構(gòu)成本和施工難度。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，采用摩擦阻尼器技術(shù)，可以減少鋼材的使用量，降低建筑物的自重，從而減少建筑物的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)成本。此外，摩擦阻尼器的安裝和調(diào)試也比較簡(jiǎn)單，可以大大縮短建筑物的施工周期。總之，摩擦阻尼器技術(shù)是建筑行業(yè)中一種非常有前途的結(jié)構(gòu)減震控制技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊。隨著科技的不斷進(jìn)步和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，相信摩擦阻尼器技術(shù)將會(huì)在未來(lái)的建筑工程中得到更廣泛的應(yīng)用。

2 連梁式摩擦阻尼器原理與結(jié)構(gòu)

2.1 原理

連梁式摩擦阻尼器是一種常見(jiàn)的減震裝置，其原理是利用摩擦力和彈性變形吸收能量，從而減少結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，連梁式摩擦阻尼器由2 個(gè)相互平行的鋼板組成，它們之間夾著一層摩擦材料，如橡膠或聚氨酯。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，鋼板之間的摩擦力會(huì)阻礙它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能和彈性變形能量。

2.2 結(jié)構(gòu)

連梁式摩擦阻尼器是一種常用的高層建筑減震技術(shù)，其結(jié)構(gòu)主要由以下6 個(gè)部分組成：

1）上下連接板：連接摩擦阻尼器與建筑結(jié)構(gòu)的上下部分，承受建筑結(jié)構(gòu)的重量和地震力。

2）摩擦板：由高強(qiáng)度鋼材制成，與上、下連接板之間夾著一層摩擦材料，通過(guò)摩擦力來(lái)吸收地震力。

3）摩擦材料：通常采用聚四氟乙烯（PTFE）或其他高分子材料，具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，能夠承受高溫和高壓。

4）摩擦力調(diào)節(jié)器：用于調(diào)節(jié)摩擦力的大小，以適應(yīng)不同的地震力和建筑結(jié)構(gòu)的變形。

5）摩擦力傳遞板：將摩擦力傳遞到建筑結(jié)構(gòu)中，使其產(chǎn)生有效的減震和抗震效果。

6）摩擦力限制器：用于限制摩擦力的最大值，以防止摩擦板過(guò)度磨損，甚至損壞。連梁式摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，能夠有效地減少建筑結(jié)構(gòu)的震動(dòng)和變形，提高建筑的抗震能力和安全性。

2.3 材料選擇

連梁式摩擦阻尼器是一種常用的高層建筑減震技術(shù)，它可以通過(guò)摩擦力的作用吸收地震能量，從而減少建筑物的震動(dòng)。在選擇材料時(shí)，需要考慮以下4 個(gè)方面：

1）摩擦材料：連梁式摩擦阻尼器中最重要的材料就是摩擦材料，它需要具有良好的摩擦性能和耐磨性能。常用的摩擦材料包括碳化硅、銅、鋁和鋼等。

2）彈簧材料：連梁式摩擦阻尼器中的彈簧需要具有一定的彈性和耐久性，以保證其長(zhǎng)期、穩(wěn)定的性能。常用的彈簧材料包括高強(qiáng)度鋼、合金鋼和不銹鋼等。

3）連接材料：連梁式摩擦阻尼器中的連接材料需要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。常用的連接材料包括高強(qiáng)度螺栓和鋼板等。

4）支撐材料：連梁式摩擦阻尼器中的支撐材料需要有足夠的剛度和耐久性，以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。常用的支撐材料包括鋼板和鋼管等。

3 連梁式摩擦阻尼器在高層建筑減震性能的研究

3.1 模型建立

在研究連梁式摩擦阻尼器的減震性能時(shí)，需要建立相應(yīng)的模型，以便進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在模型建立的過(guò)程中，需要考慮以下4 個(gè)方面：

1）連梁式摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：連梁式摩擦阻尼器由多個(gè)摩擦板和鋼板組成，通過(guò)摩擦力和彈性變形吸收建筑物的震動(dòng)能量。在模型建立時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括摩擦板的數(shù)量、尺寸和材料等。

2）建筑物的幾何參數(shù)：建筑物的幾何參數(shù)對(duì)于連梁式摩擦阻尼器的減震性能有重要的影響。在模型建立時(shí)，需要考慮建筑物的高度、質(zhì)量和剛度等參數(shù)，以及地震波的頻率和振幅等因素。

3）摩擦力模型：連梁式摩擦阻尼器的減震效果主要依靠摩擦力的作用。在模型建立時(shí)，需要考慮摩擦力的大小和變化規(guī)律，以及摩擦力與位移之間的關(guān)系等因素。

4）數(shù)值計(jì)算方法：模型建立后，需要采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法進(jìn)行仿真分析。常用的計(jì)算方法包括有限元法、離散元法和多體動(dòng)力學(xué)方法等。通過(guò)建立合理的模型，可以對(duì)連梁式摩擦阻尼器的減震性能進(jìn)行定量分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為高層建筑的抗震設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)[3]。

3.2 參數(shù)分析

連梁式摩擦阻尼器是一種常用的高層建筑減震裝置，其性能受多種參數(shù)影響。以下是在高層建筑減震性能研究中常見(jiàn)的參數(shù)分析：

1）摩擦系數(shù)：指阻尼器中摩擦力與壓力之間的比值。摩擦系數(shù)越大，阻尼器的阻尼效果越好，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)的剛度，影響結(jié)構(gòu)的自振周期和減震效果。

2）阻尼器剛度：是指阻尼器在受到壓力時(shí)的變形量。阻尼器剛度越小，阻尼器的阻尼效果越好，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)的位移，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3）阻尼器數(shù)量：指在結(jié)構(gòu)中采用的阻尼器的數(shù)量。阻尼器數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)的阻尼效果越好，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)的成本和施工難度。

4）阻尼器位置：指阻尼器在結(jié)構(gòu)中的布置位置。阻尼器位置的選擇應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的剛度和自振周期，以及阻尼器的阻尼效果和施工難度等因素。

5）阻尼器參數(shù)的優(yōu)化：指通過(guò)對(duì)摩擦系數(shù)、阻尼器剛度、阻尼器數(shù)量和阻尼器位置等參數(shù)的優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)的減震效果和穩(wěn)定性。

6）結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性：包括結(jié)構(gòu)的自振周期、阻尼比和阻尼比分布等。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性對(duì)阻尼器的選擇和參數(shù)優(yōu)化具有重要影響。

7）地震動(dòng)特性：包括地震波的頻率、振幅和持續(xù)時(shí)間等。地震動(dòng)特性對(duì)結(jié)構(gòu)的減震效果和穩(wěn)定性具有重要影響，應(yīng)在參數(shù)分析中充分考慮[4]。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

連梁式摩擦阻尼器是一種常用的減震裝置，其在高層建筑減震性能研究中得到廣泛的應(yīng)用。為了驗(yàn)證其減震效果，需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)裝置包括模擬高層建筑的結(jié)構(gòu)體系和安裝在結(jié)構(gòu)體系中的連梁式摩擦阻尼器。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)施加不同的地震波荷載，觀測(cè)結(jié)構(gòu)體系的響應(yīng)，并記錄下阻尼器的工作狀態(tài)和阻尼力大小等數(shù)據(jù)。表1 為一組連梁式摩擦阻尼器試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 連梁式摩擦阻尼器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1 可以看出，隨著地震波荷載的增加，結(jié)構(gòu)體系的最大位移隨之增加，但是連梁式摩擦阻尼器的阻尼力也會(huì)隨之增加，起到一定的減震效果。同時(shí)，阻尼器的工作狀態(tài)始終為滑動(dòng)，說(shuō)明其能夠持續(xù)地發(fā)揮減震作用。通過(guò)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步分析連梁式摩擦阻尼器的減震性能，并對(duì)其在高層建筑中的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

4 連梁式摩擦阻尼器在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 設(shè)計(jì)原則和方法

連梁式摩擦阻尼器的設(shè)計(jì)方法主要包括以下7 個(gè)步驟：

1）確定結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，包括設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)、結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)和地基條件等。

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，確定摩擦阻尼器的類型、數(shù)量、位置和參數(shù)。

3）進(jìn)行摩擦阻尼器的力學(xué)計(jì)算，包括摩擦力、阻尼力、位移和變形等參數(shù)。

4）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析，考慮摩擦阻尼器的影響，確定結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。

5）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估，包括位移響應(yīng)、能量耗散和穩(wěn)定性等指標(biāo)。

6）根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足設(shè)計(jì)要求。

7）進(jìn)行施工和驗(yàn)收，確保摩擦阻尼器的安裝和調(diào)試符合要求。

以上是連梁式摩擦阻尼器在高層建筑抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則和方法。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要考慮其他因素，如材料選擇、構(gòu)造形式及施工工藝等，以確保結(jié)構(gòu)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)及合理性。

4.2 實(shí)際應(yīng)用案例

上海中心大廈是位于上海浦東新區(qū)的超高層建筑，高度達(dá)632 m，是我國(guó)現(xiàn)階段第一高樓。該建筑的抗震設(shè)計(jì)采用了連梁式摩擦阻尼器（圖1），這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高層建筑抗震領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。該建筑的結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其中，核心筒采用了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)[5]。在核心筒的4 個(gè)角落設(shè)置了4 個(gè)連梁式摩擦阻尼器，用于減震和控制建筑的位移。這些摩擦阻尼器由鋼制構(gòu)件和摩擦材料組成，通過(guò)摩擦力吸收地震能量，從而減少建筑物的震動(dòng)。在地震發(fā)生時(shí)，摩擦阻尼器會(huì)產(chǎn)生一定的變形和位移，將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能和摩擦力，保障建筑物的結(jié)構(gòu)安全。在設(shè)計(jì)上，連梁式摩擦阻尼器采用了懸掛式結(jié)構(gòu)，使其能夠在地震發(fā)生時(shí)自由擺動(dòng)，從而減少建筑物的震動(dòng)。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠提高建筑的抗震性能，使其能夠承受更大的地震力。通過(guò)采用連梁式摩擦阻尼器，上海中心大廈在地震發(fā)生時(shí)能有效地減少建筑的震動(dòng)，保護(hù)建筑的結(jié)構(gòu)安全。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，成為高層建筑抗震設(shè)計(jì)的重要手段之一。

圖1 上海中心大廈連梁式摩擦阻尼器（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

5 結(jié)語(yǔ)

連梁式摩擦阻尼器是一種有效的高層建筑減震裝置，具有良好的減震性能和可靠性。通過(guò)本文研究，筆者深入探討了該裝置的工作原理、設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化方法，并通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其減震效果。結(jié)果表明，連梁式摩擦阻尼器能夠顯著降低建筑結(jié)構(gòu)的震動(dòng)響應(yīng)，提高其抗震能力和安全性。因此，該裝置在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。