新型调谐液态阻尼器技术在某超高层项目中的应用

2022-09-06张彪

建筑施工 2022年5期

张彪

中建三局第三建设工程有限责任公司湖北武汉 430074

近年来，我国高层建筑的高度在不断被刷新，建筑结构形式越来越多样，体型也越来越复杂，风荷载成为控制高层结构安全、舒适性的主要因素之一。改善风振舒适度的措施中，增加结构阻尼的减振效果最为明显[1-4]。

当前，调谐质量阻尼器（TMD）在超高层建筑结构中应用比较广泛，调谐液态阻尼器（TSD）此前在国内的超高层项目中尚未开始使用。项目团队研究对比调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液态阻尼器（TSD）的各项利弊并结合项目的自身特点，最终采用新型调谐阻尼器（TSD）应用技术[5-8]。该技术创新性地将装配式高位消防水池与结构阻尼器协作设计，在提升超高层建筑内人员使用舒适性，提高建筑室内消防供水系统及建筑本体可靠性、安全性的同时，降低了工程造价。该技术目前在国内超高层建筑中首次使用。

1 技术运用背景

某超高层项目主塔楼为地上98层，地下5层，建筑高度450 m。项目采用混凝土＋伸臂桁架＋巨柱的结构体系，为钢-混凝土组合结构。建筑抗震烈度为乙类，按照6度设防。风荷载按100年一遇的基本风压确定，为0.5 kN/m2，地面粗糙度为C类。

风洞试验结果表明，塔楼最高使用层的10年重现期风致加速度为17×10－3g，满足中国建筑规范的最低舒适度要求；1年重现期风致加速度为7.1×10－3g，对比日本建筑规范AIJ，属于H50级别（日本建筑规范AIJ-GEH验算1年重现期的风致加速度，并将与频率相关的舒适度划分为5个级别，即H10、H30、H50、H70和H90。其数字部分意义为有相应百分比的人们对加速度有感，如H10为10%的人对加速度有感，以此类推）。对于塔楼顶部的高端酒店和住宅来说，有必要改善其风振舒适度（图1、图2）。

图1 T1塔楼风洞试验

图2 T1塔楼TSD振动台试验

改善风振舒适度的措施中，增加结构阻尼的减振效果最为明显，且成本相对低廉。在提高舒适度的同时也降低了结构荷载，缓解了结构疲劳，延长了建筑的使用寿命。不同于设计假定的结构固有阻尼，较明确的附加阻尼使结构具有更高的可靠度。因此，设置以抗风为主要目的的阻尼器是本项目风振控制的理想方案。

2 风振控制方案优选

2.1 吸能减振系统基本类型

结构振动控制系统按控制方式分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。此外，根据减振原理主要分为基础隔振、吸能减振和消能减振。其中，吸能减振在结构小变形下（如短重现期风下）仍能提供有效的控制力，因此是常用的风振控制方法。

吸能减振是将结构振动的部分能量传递到与结构相连的附加惯性系统中，该惯性系统与结构某一振型产生有相位差的共振并反馈结构控制力，一般设置在建筑顶部或者靠近顶部的位置，以达到最大的广义质量比，发挥最大的减振效果。实际工程中，常用的吸能减振系统主要包括：调谐质量阻尼器（TMD），调谐液态阻尼器（TSD），调谐液柱阻尼器（TLCD），主动质量阻尼器（AMD），混合质量阻尼器（HMD）。

2.2 风振控制方案优选

项目前期主要对两种吸能减震系统进行分析讨论，分别是调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液态阻尼器（TSD）。

2.2.1 调谐质量阻尼器（TMD）

初始设计了一个位于91层、1 000 t的调谐质量阻尼器（TMD），主要由吊索、质量块、黏滞阻尼杆、调谐系统和限位系统组成。设计加速度减振比为42%，预计将10年重现期风致加速度降低至9.8×10－3g，将1年重现期风致加速度降低至4.0×10－3g（AIJ规范H10级别）。

设计中除了对TMD在短重现期风（1年、5年和10年）下的性能进行分析，RWDI还对TMD在强风（50年和500年重现期）及地震（50年、475年和2 500年重现期）下的响应进行了详尽的非线性时域分析，以确保TMD的安全性。

2.2.2 调谐液态阻尼器（TSD）

根据后期优化，阻尼器方案由TMD调整为TSD（调谐液态阻尼器）。TSD可以利用平时闲置的消防水箱，对其进行设计，达到减振的目的，使阻尼器和消防水箱合二为一，既节省了空间，也进一步降低了造价。

调谐液态阻尼器（TSD）是一种被动式吸能减振装置，它其实是调谐质量阻尼器（TMD）的变形，同为与建筑相连的附加惯性系统，不同的是TSD通过波浪的往复运动来产生惯性力，池壁提供回复力。在建筑中，TSD的构造通常为矩形水箱，其长度、宽度和水深经过设计以得到期望的波浪运动。波浪的运动可表示为等同于TMD的运动质量。而能量耗散是通过使用百叶屏板、网、桨柱等阻尼系统来生成湍流达到的。

经综合对比，本工程采用新型调谐液态阻尼器（TSD）应用技术，兼顾阻尼器和消防水箱的功能，使二者合二为一，达到了造价及维护费用低、无需限位、多用途的综合使用目的。

3 技术原理

3.1 调谐液态阻尼器（TSD）设计

本工程TSD是一个位于93层、590 t的阻尼器，TSD的内部净尺寸为19.0 m×16.3 m×4.2 m（长×宽×高）。TSD短边与主结构X轴夹角为30°，使其与主结构平动振型方向一致。

经过对TSD和塔楼在风和地震下的响应进行详细性能分析，TSD的设计加速度减振比为30%，预计将10年重现期风致加速度降低至12×10－3g，将1年重现期风致加速度降低至5.0×10－3g（AIJ规范H30级别）。

TSD箱体为全钢结构，材料为Q345B。主要包括由立柱＋支撑＋梁＋板组成的箱体，内部的桨柱（9根）、挡板和检修闸门（图3）。其中，桨柱用来产生湍流，提供TSD本身的阻尼；挡板用来形成底部静水区，调谐TSD频率；检修闸门用来在TSD检修状态时将水箱分隔成2个区域，以保证检修时有一半的消防水量。TSD减振的控制力为水箱两端侧壁的动力水压差产生的侧向力。TSD波浪产生的动力水压主要通过立柱、支撑和桨柱传递至塔楼主体结构。

图3 TSD水箱结构

根据规范要求，高层民用建筑高压消防给水系统的高位消防水池总有效容积大于200 m3时，宜设置蓄水有效容积相等且可独立使用的2格；当建筑高度大于100 m时应设置独立的2座。

但为确保TSD箱体内液体的整体晃动特性，在箱体中间部位设置4块闸门。TSD在正常运行状态时，检修闸门提起，保证净高在3.8 m；TSD在检修状态时，检修闸门落下，关闭严实，检修闸门高度为2.3 m。闸门要求具有较好的密封性能，这样既能满足高层建筑高压消防给水系统的要求，又能为水箱的清洗、破损时维修焊接等检修提供便利条件。

TSD箱体内部闸门上升和下降时的结构形式如图4、图5所示。

图4 检修闸门运行状态

图5 检修闸门维护状态

箱体内的水位通过联动进水阀和转输泵自动控制。自动控制的手段则需要借助设置在箱壁上的超声波液位计和设置在桨柱上的电子液位计。基于TSD水池模拟试验分析结果提供的水池平面尺寸和浪高，推算出TSD箱体的消防有效水深，复核消防有效水深与阻尼器最佳运行调谐液位的关系，最终得到液位计在箱体内桨柱上的摆放位置。

用于联动控制水池补水控制阀的液位计通过联动逻辑判断，当2个液位计探测到的液位均低于最高液位时，打开补水控制阀；当2个液位计探测到的液位均高于设定的最高液位时，联动关闭补水控制阀，以此来避免补水控制阀频繁启动。用于联动控制消防转输水泵的液位计探测到的液位低于设定的最低液位时，启动下方设备层的消防转输水泵；当该液位计探测到的液位高于设定的超高报警液位时，发出超高液位报警信号至消防控制室，由具有权限的管理人员人工判断是否停止下方的转输水泵。通过联动控制，实现了TSD水箱内液位自动调整的目的。

3.2 调谐液态阻尼器（TSD）设计

TSD的设计参数如表1所示。

表1 调谐液态阻尼器（TSD）设计参数

经过模拟分析，调谐液态阻尼器（TSD）的吸能减振性能满足设计要求，具体结果如下：

1年重现期风致加速度没有TSD的情况下为7.1×10－3g，有TSD的情况下为5.0×10－3g。5年重现期风致加速度没有TSD的情况下为14.0×10－3g，有TSD的情况下为9.5×10－3g。10年重现期风致加速度没有TSD的情况下为17.0×10－3g，有TSD的情况下为12.0×10－3g。

可以看出，在有TSD较无TSD的情况下，塔楼最高使用层的1年、5年、10年重现期风致加速度均减少30%。

3.3 调谐液态阻尼器（TSD）性能测试

2019年8月，台风“利奇马”过境项目所在城市，项目及专业单位立即组织TSD的相关测试。

2019年8月9日下午3：20到5：00期间，对塔楼进行了振动实测。本次实测的塔楼加速度时程如图6所示，分别为X轴、Y轴、扭转和平动矢量和的加速度，最大加速度矢量和为1.6×10－3g，估算最大位移在50～60 mm之间。

图6 TSD测试曲线

根据实测结果，TSD调谐所需的水位为2.66 m，桨柱宽度为1.7 m（双向完全展开），挡板高度为0.69 m。其中，1年和10年设计风速分别为19 m/s（8级）和22 m/s（9级）。8月9日下午的风速为5～6级，远小于1年重现期，8月10日晚上的风速达到此次台风在项目所在城市的最大值，约为9级，接近10年重现期。

TSD实测结果与之前分析的结果相一致，在有TSD较无TSD的情况下，塔楼最高使用层10年重现期风致加速度减少30%。