连梁式摩擦阻尼器在高层建筑减震性能的研究

田雪峰

随着城市化进程的加速和人口的不断增长，高层建筑的数量和高度不断刷新历史纪录。然而，高层建筑在面对地震等自然灾害时，其结构的抗震性能成为一个重要的问题。传统的减震措施，如加固结构、增加墙体厚度等方法存在成本高、施工难度大等问题。因此，寻找一种经济、高效的减震措施，成为当前研究的热点。连梁式摩擦阻尼器通过摩擦力的作用，将地震能量转化为热能和弹性变形能，从而减小建筑物的震动幅度，提高抗震能力。因此，研究连梁式摩擦阻尼器在高层建筑减震性能方面的应用，对于提高高层建筑的抗震能力，保障人们的生命财产安全具有重要意义。

1 高层建筑减震技术综述

1.1 传统减震技术

传统减震技术包括：加强建筑物的结构、增加建筑物的质量、设置减震墩及设置减震器等。其中，加强建筑物的结构是指在建筑物结构中增加钢筋混凝土等材料，提高建筑物的抗震能力；增加建筑物的质量是指在建筑物内增加重物，提高建筑物的惯性力，从而减少地震对建筑物的影响；设置减震墩是指在建筑物的基础上设置一定高度的墩子，通过墩子的弹性变形来减少地震对建筑物的影响；设置减震器是指在建筑物的结构中设置一定的减震器，通过减震器的阻尼作用减少地震对建筑物的影响[1]。

新型减震技术包括：摆式减震技术、液体减震技术、形状记忆合金减震技术、智能材料减震技术及摩擦阻尼器等。其中，摆式减震技术是指在建筑物的结构中设置一定的摆式减震器，通过摆式减震器的阻尼作用减少地震对建筑物的影响；液体减震技术是指在建筑物的结构中设置一定的液体减震器，通过液体减震器的阻尼作用减少地震对建筑物的影响；形状记忆合金减震技术是指在建筑物的结构中设置一定的形状记忆合金材料，通过形状记忆合金材料的形状变化减少地震对建筑物的影响；智能材料减震技术是指在建筑物的结构中设置一定的智能材料，通过智能材料的变形减少地震对建筑物的影响。摩擦阻尼器是一种常用的减震技术，它是通过在建筑物结构中设置一定的摩擦阻尼器减少地震对建筑物的影响。总的来说，传统减震技术和新型减震技术各有优缺点，建筑物的减震方案需要根据具体情况进行选择和设计。

1.2 摩擦阻尼器的应用现状

摩擦阻尼器是一种新型的结构减震控制装置，广泛应用于建筑行业中的高层建筑、桥梁、地铁及机场等工程中。其主要作用是通过摩擦力来吸收地震或风荷载等外力，从而减少结构的振动，保障建筑物的安全性。目前，摩擦阻尼器在建筑行业中的应用越来越广泛。据统计，全球已有超过1000 个建筑项目采用了摩擦阻尼器技术，其中包括世界著名建筑迪拜塔、东京塔及上海中心大厦等[2]。在中国，摩擦阻尼器技术也得到广泛应用，如北京国贸三期、上海环球金融中心及广州国际金融中心等高层建筑项目均采用了该技术。摩擦阻尼器的应用不仅可以提高建筑物的抗震性能，还可以降低建筑物的结构成本和施工难度。与传统的钢筋混凝土结构相比，采用摩擦阻尼器技术，可以减少钢材的使用量，降低建筑物的自重，从而减少建筑物的基础和结构成本。此外，摩擦阻尼器的安装和调试也比较简单，可以大大缩短建筑物的施工周期。总之，摩擦阻尼器技术是建筑行业中一种非常有前途的结构减震控制技术，其应用前景广阔。随着科技的不断进步和应用经验的不断积累，相信摩擦阻尼器技术将会在未来的建筑工程中得到更广泛的应用。

2 连梁式摩擦阻尼器原理与结构

2.1 原理

连梁式摩擦阻尼器是一种常见的减震装置，其原理是利用摩擦力和弹性变形吸收能量，从而减少结构的振动。具体来说，连梁式摩擦阻尼器由2 个相互平行的钢板组成，它们之间夹着一层摩擦材料，如橡胶或聚氨酯。当结构发生振动时，钢板之间的摩擦力会阻碍它们的相对运动，从而将振动能量转化为热能和弹性变形能量。

2.2 结构

连梁式摩擦阻尼器是一种常用的高层建筑减震技术，其结构主要由以下6 个部分组成：

1）上下连接板：连接摩擦阻尼器与建筑结构的上下部分，承受建筑结构的重量和地震力。

2）摩擦板：由高强度钢材制成，与上、下连接板之间夹着一层摩擦材料，通过摩擦力来吸收地震力。

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蚀性，能够承受高温和高压。

4）摩擦力调节器：用于调节摩擦力的大小，以适应不同的地震力和建筑结构的变形。

5）摩擦力传递板：将摩擦力传递到建筑结构中，使其产生有效的减震和抗震效果。

6）摩擦力限制器：用于限制摩擦力的最大值，以防止摩擦板过度磨损，甚至损坏。连梁式摩擦阻尼器的结构紧凑、安装方便，能够有效地减少建筑结构的震动和变形，提高建筑的抗震能力和安全性。

2.3 材料选择

连梁式摩擦阻尼器是一种常用的高层建筑减震技术，它可以通过摩擦力的作用吸收地震能量，从而减少建筑物的震动。在选择材料时，需要考虑以下4 个方面：

1）摩擦材料：连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、铜、铝和钢等。

2）弹簧材料：连梁式摩擦阻尼器中的弹簧需要具有一定的弹性和耐久性，以保证其长期、稳定的性能。常用的弹簧材料包括高强度钢、合金钢和不锈钢等。

3）连接材料：连梁式摩擦阻尼器中的连接材料需要具有足够的强度和刚度，以保证整个系统的稳定性和安全性。常用的连接材料包括高强度螺栓和钢板等。

4）支撑材料：连梁式摩擦阻尼器中的支撑材料需要有足够的刚度和耐久性，以保证整个系统的稳定性和安全性。常用的支撑材料包括钢板和钢管等。

3 连梁式摩擦阻尼器在高层建筑减震性能的研究

3.1 模型建立

在研究连梁式摩擦阻尼器的减震性能时，需要建立相应的模型，以便进行仿真分析和实验验证。在模型建立的过程中，需要考虑以下4 个方面：

1）连梁式摩擦阻尼器的结构特点：连梁式摩擦阻尼器由多个摩擦板和钢板组成，通过摩擦力和弹性变形吸收建筑物的震动能量。在模型建立时，需要考虑结构特点，包括摩擦板的数量、尺寸和材料等。

2）建筑物的几何参数：建筑物的几何参数对于连梁式摩擦阻尼器的减震性能有重要的影响。在模型建立时，需要考虑建筑物的高度、质量和刚度等参数，以及地震波的频率和振幅等因素。

3）摩擦力模型：连梁式摩擦阻尼器的减震效果主要依靠摩擦力的作用。在模型建立时，需要考虑摩擦力的大小和变化规律，以及摩擦力与位移之间的关系等因素。

4）数值计算方法：模型建立后，需要采用适当的数值计算方法进行仿真分析。常用的计算方法包括有限元法、离散元法和多体动力学方法等。通过建立合理的模型，可以对连梁式摩擦阻尼器的减震性能进行定量分析和优化设计，为高层建筑的抗震设计提供重要的参考依据[3]。

3.2 参数分析

连梁式摩擦阻尼器是一种常用的高层建筑减震装置，其性能受多种参数影响。以下是在高层建筑减震性能研究中常见的参数分析：

1）摩擦系数：指阻尼器中摩擦力与压力之间的比值。摩擦系数越大，阻尼器的阻尼效果越好，但会增加结构的刚度，影响结构的自振周期和减震效果。

2）阻尼器刚度：是指阻尼器在受到压力时的变形量。阻尼器刚度越小，阻尼器的阻尼效果越好，但会增加结构的位移，影响结构的稳定性和安全性。

3）阻尼器数量：指在结构中采用的阻尼器的数量。阻尼器数量越多，结构的阻尼效果越好，但会增加结构的成本和施工难度。

4）阻尼器位置：指阻尼器在结构中的布置位置。阻尼器位置的选择应考虑结构的刚度和自振周期，以及阻尼器的阻尼效果和施工难度等因素。

5）阻尼器参数的优化：指通过对摩擦系数、阻尼器刚度、阻尼器数量和阻尼器位置等参数的优化，提高结构的减震效果和稳定性。

6）结构的动力特性：包括结构的自振周期、阻尼比和阻尼比分布等。结构的动力特性对阻尼器的选择和参数优化具有重要影响。

7）地震动特性：包括地震波的频率、振幅和持续时间等。地震动特性对结构的减震效果和稳定性具有重要影响，应在参数分析中充分考虑[4]。

3.3 试验验证

连梁式摩擦阻尼器是一种常用的减震装置，其在高层建筑减震性能研究中得到广泛的应用。为了验证其减震效果，需要进行试验研究。试验装置包括模拟高层建筑的结构体系和安装在结构体系中的连梁式摩擦阻尼器。在试验过程中，通过施加不同的地震波荷载，观测结构体系的响应，并记录下阻尼器的工作状态和阻尼力大小等数据。表1 为一组连梁式摩擦阻尼器试验数据。

表1 连梁式摩擦阻尼器试验数据

从表1 可以看出，随着地震波荷载的增加，结构体系的最大位移随之增加，但是连梁式摩擦阻尼器的阻尼力也会随之增加，起到一定的减震效果。同时，阻尼器的工作状态始终为滑动，说明其能够持续地发挥减震作用。通过这些试验数据，可以进一步分析连梁式摩擦阻尼器的减震性能，并对其在高层建筑中的应用进行优化和改进。

4 连梁式摩擦阻尼器在高层建筑抗震设计中的应用

4.1 设计原则和方法

连梁式摩擦阻尼器的设计方法主要包括以下7 个步骤：

1）确定结构的抗震设计参数，包括设计地震动参数、结构的抗震等级和地基条件等。

2）根据结构的特点和设计要求，确定摩擦阻尼器的类型、数量、位置和参数。

3）进行摩擦阻尼器的力学计算，包括摩擦力、阻尼力、位移和变形等参数。

4）进行结构的动力分析，考虑摩擦阻尼器的影响，确定结构的响应特性。

5）进行结构的抗震性能评估，包括位移响应、能量耗散和稳定性等指标。

6）根据评估结果进行优化设计，确保结构的抗震性能满足设计要求。

7）进行施工和验收，确保摩擦阻尼器的安装和调试符合要求。

以上是连梁式摩擦阻尼器在高层建筑抗震设计中应用的设计原则和方法。在实际设计中，还需要考虑其他因素，如材料选择、构造形式及施工工艺等，以确保结构的安全、可靠、经济及合理性。

4.2 实际应用案例

上海中心大厦是位于上海浦东新区的超高层建筑，高度达632 m，是我国现阶段第一高楼。该建筑的抗震设计采用了连梁式摩擦阻尼器（图1），这种结构设计在高层建筑抗震领域中已经得到广泛应用。该建筑的结构形式为钢筋混凝土框架-核心筒结构，其中，核心筒采用了钢筋混凝土框架结构[5]。在核心筒的4 个角落设置了4 个连梁式摩擦阻尼器，用于减震和控制建筑的位移。这些摩擦阻尼器由钢制构件和摩擦材料组成，通过摩擦力吸收地震能量，从而减少建筑物的震动。在地震发生时，摩擦阻尼器会产生一定的变形和位移，将地震能量转化为热能和摩擦力，保障建筑物的结构安全。在设计上，连梁式摩擦阻尼器采用了悬挂式结构，使其能够在地震发生时自由摆动，从而减少建筑物的震动。同时，这种结构设计能够提高建筑的抗震性能，使其能够承受更大的地震力。通过采用连梁式摩擦阻尼器，上海中心大厦在地震发生时能有效地减少建筑的震动，保护建筑的结构安全。这种结构设计已经得到广泛的应用，成为高层建筑抗震设计的重要手段之一。

图1 上海中心大厦连梁式摩擦阻尼器（来源：网络）

5 结语

连梁式摩擦阻尼器是一种有效的高层建筑减震装置，具有良好的减震性能和可靠性。通过本文研究，笔者深入探讨了该装置的工作原理、设计参数和优化方法，并通过数值模拟和实验验证了其减震效果。结果表明，连梁式摩擦阻尼器能够显著降低建筑结构的震动响应，提高其抗震能力和安全性。因此，该装置在高层建筑结构设计中具有广泛的应用前景和推广价值。