2014-04-29耗能减震技术与建筑工程实践

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1、耗能减震（振）技术 与建筑工程实践 2014.04.29 主要内容 1.概况 2.耗能减振技术与应用 3.耗能减震技术与应用 4.结论与展望 1概况 创新 Innovation 5 I + 3 W + 3 C Inventions * Improvements * Incorporation * Increase value Incentive environment* Why? Why Not? What if? Capability, Courage, Chance Man-Chung Tang (邓文中) Chairman, T.Y. Lin International 1概况 1 高地

2、震烈度区建造超高层建筑（北京、昆明、西北地区） 2 建筑高度不断增加（600m-700m-800m-1000m） 3 建筑体型复杂化（偏心、倾斜、连体、扭转） 4 高宽比越来越大（风振） 5 高强轻质材料和结构轻柔化（固有阻尼小） 6 无柱建筑空间需求楼盖跨度增大（竖向振动） 结构设计面临新挑战 1概况 安全 Safety（倒塌、稳定、倾覆、破坏） 适用 Serviceability（功能、舒适、耐久） 经济 Economical（ More with less） 可建 Constructability（ 材料、工艺、施工周期等） 美观 Appearance （建筑固有功能） 建筑结构设计原则

3、 1概况 S=R S效应、外部条件 减小、降低、削弱 R结构具备抗力、变形要求 高效、合理 1概况 传统抗震（抗风）设计方法传统抗震（抗风）设计方法 以“抗”为主要途径 安全性难以保证 适用性有限制 经济性较差 结构减震（振）控制技术结构减震（振）控制技术 安全可靠 适用范围广 节省结构造价 检测修复方便 加大构件截面 提高材料强度 造价、使用空间、施工周期 增加结构刚度 建筑体型优化（立面或建筑效果的妥协） 1概况 国家及地方政策法规国家及地方政策法规 国家住房和城乡建设部 云南省建设厅 推广应用减隔震技术 学校、医院等重要公共建筑必须或优先采用减隔震技术 耗能耗能减震（振）技术减震（振）技

4、术 在结构中增加耗能元件，减小地震（风荷载）反应，提高结构安全性，节省造价。 阻尼器 类型 防屈曲耗能支撑 粘滞阻尼器 调谐质量阻尼器 背景工程 世博中心 昆明南亚之门 上海中心 减震效果 减小地震反应约 30% 减小地震反应 20-30% 风荷载下顶部加速度减小 44% 1概况 1概况 调谐质量阻尼器 速度相关性阻尼器 位移相关型阻尼器 位移速度相关型 隔震 TMD TLD 链式阻尼器 粘滞阻尼 金属阻尼器 摩擦阻尼器 粘弹性阻尼器 抗风 抗震 抗震、抗风 日本阻尼器类型及分布 不明 4% 其它 2% 質量系 9% 摩擦系 7% 粘弾性 5% Viscous 17% Oil 13% Stee

5、l 43% 1概况 1概况 近年来完成减震（振）项目近30个 阻尼器应用涵盖所有类型 既有新建建筑，又有建筑加固改造 其中用于抗风12%，抗震88% 屈曲约束支撑 54% 软钢阻尼器 15% 粘滞阻尼器（墙） 19% TMD/TLD 12% 华东院减震（振）技术工程实践华东院减震（振）技术工程实践 材料材料 风荷载重现期风荷载重现期 110年 50年 100年 1000年 （防倒塌） RC（混凝土） 2% 3% 5% 7% S（钢结构） 1% 2% 3% 4% 建筑结构固有阻尼比 非结构构件阻尼（11.5%） 材料阻尼（不开裂混凝土=0.75%，钢材=0%） 结构阻尼 （开裂混凝土=0.51.

6、5%，钢材=00.5%） 气弹阻尼 （00.75%） 附加阻尼 （粘弹阻尼器=530%，调谐质量阻尼器=15%） 2耗能减振技术 高层建筑固有阻尼比实测值 2耗能减振技术 高层建筑固有阻尼比实测值 项目名称项目名称 建筑高度建筑高度(m) 实测阻尼实测阻尼 广州中信大厦 391 0.6% 深圳地王大厦 325 0.5% 香港中银大厦 367 0.10.5% 广东国际大厦 200 0.3% 上海金茂大厦 402 0.6% 上海环球金融中心 492 0.5% 台北101 508 1%3%（含TMD）2耗能减振技术 Response = Dynamic Response + Static Respo

7、nse 固有阻尼固有阻尼(%) 动力响应动力响应 顶点加速度（顶点加速度（gal) 0.8 1.93 29.0 1.5 1.41 21.2 2 1.22 18.4 3 1 15 5 0.77 11.6 10 0.55 8.2 85-storey Building in Toronto 2耗能减振技术 行人步行行走频率一般为 竖向：2Hz；水平：1Hz左右 天桥的竖向或水平频率都和上述人行频率接近，极容易产生共振，影响天桥的正常使用。 2耗能减振技术 结构振动控制方法 结构被动控制（TMD、TLD、VCD） 主动控制 （AMD、HAMD） 混合控制 （HMD） 阻尼系统综合考虑 建筑顶部的空间大

8、小 塔楼建筑平面安装方便 风振控制程度 人员操作 2耗能减振技术 类型类型 被动阻尼器被动阻尼器（TMD/TLD） 半主动阻尼器半主动阻尼器(HMD) 主动阻尼器主动阻尼器(AMD) 优点优点 -最为经济、简单和维护 -不易失效 -可根据结构特性变化作调节 - 比被动阻尼更有效 -比主动阻尼器更有效 -同样的质量，效率最高 -能够随着结构特性的变化而改变 缺点缺点 -仅对共振响应有减振作用，阻尼效果受质量影响 -结构特性发生改变，阻尼效果会相应退化 -制造、维护费用和系统的故障率高于被动阻尼器 -阻尼效果不如主动阻尼器好 -制造和维护费用较高 -不能在无电情况下运行，用电量大 -设计安装相对复

9、杂 费用费用 低于500万美元 1000万美元左右 大于1500万美元 结构阻尼器性能对比 2耗能减振技术 TMD 和TLD 2耗能减振技术 TMD 0.252%建筑总质量 减少4060%振动响应 TLD 兼做水箱供水系统 造价较低 易于调谐 VCD（viscoelastic coupling damper ） 2耗能减振技术 VCD 不占建筑空间 用于连梁，可更换 保证间隙适应变形 TMDs TLDs VCDs Trump International, New York Trump Tower, Toronto 60-Storey Tower, Toronto Replace some RC

10、 beams with Modular VCDs 2耗能减振技术 内容内容 TMDs TLDs VCDs 设计目标设计目标 -对某一固定的自振频率提供附加阻尼 -仅对抗风舒适度有效 - 分布式模块化阻尼适合不同结构动力特性 - 对不同水准承载极限和正常使用状态均有效 性能性能 -混凝土结构在使用周期内自振频率改变 -TMDs/TLDs 可能失效 - 结构体系之外的附加阻尼 - 适度的加大结构自振周期（局部构件替代） 维护和监测维护和监测 -设计使用周期内需要维护和监测 -确保阻尼器性能 - 一般不需要监测和维护 抗风抗风 -仅用于正常使用极限状态（舒适度等） -可靠性差 -承载能力极限和正常使

11、用极限状态 （舒适度等）均有效 抗震抗震 -抗震不可靠，可能改变结构动力特性 -增加地震作用 - TMDs 需要锁定 -预期的破坏远小于TMD或TLD -模块化阻尼可更换 有效使用面积有效使用面积 -占建筑有效使用面积 -替换结构构件 -不占用建筑有效面积 施工周期施工周期 - 增加施工周期 -模块化设计 -缩短施工周期 2耗能减振技术 苏州国金中心-TLD 技术参数技术参数 阻尼器类型：TLD 质量： 540 吨 平面尺寸： 19.0 x16.3m 风致加速度：12 gal 无附加阻尼器： 17gal 11775136502910013650564005640011775328502耗能减振

12、技术 上海中心-TMD 技术参数技术参数 阻尼器类型：TMD 质量： 540 吨 平面尺寸： 13.5x13.5m 风致加速度：2.1 gal 无附加阻尼器： 3.8gal 减振效果：44% 2耗能减振技术 上海环球金融中心 -AMD 2耗能减振技术 组成：振动部和驱动装置 功效：重现期为1年的最大风速为 26.3m/s的强风时，通过制振装置将建筑物顶部的加速度响应值减低1/3。 Slender Tower in Toronto -VCD 2耗能减振技术 140 VCDs added 3% damping in lateral mode and 6% in torsion Material S

13、avings Removed 3 walls over the height of building and 4 Tuned Liquid Column Dampers $4.5M in savings Recovered Sellable Space + 9,000 sf throughout building + 4,000 sf at top story Additional revenue $9M Damper Costs $2.5M 都柏林之针 The spire of Dublin -TMD 技术参数技术参数 建筑高度： 120m 阻尼器类型：TMD 质量： 2 吨 减振：限制最大

14、水平位移1.5m 避免横风向共振 2耗能减振技术 上海世博演艺中心-TMD 技术参数技术参数 阻尼器类型：TMD 质量： 4.8 吨 竖向加速度：12.0 gal 无附加质量阻尼器： 14.6 gal 减振效果：20% 2耗能减振技术 伦敦千禧人行桥 -粘滞阻尼器 London Millennium Footbridge 2耗能减振技术 建筑物抗震设计建筑物抗震设计 耐震構造+床免震耐震構造免震構造制震構造耐震構造+制振構造Seismically isolated building Response controlled building (energy dissipation) Aseism

15、ic building 3 耗能减震技术 建筑物传统设计与减震设计建筑物传统设计与减震设计 3 耗能减震技术 传统设计传统设计 减震设计减震设计 3 耗能减震技术 建筑物减震隔震设计建筑物减震隔震设计 减震设计减震设计 隔震设计隔震设计 3 耗能减震技术 耗能减震阻尼分类耗能减震阻尼分类 位移相关型耗能器 防屈曲耗能支撑、软钢阻尼器防屈曲耗能支撑、软钢阻尼器 F=F=kuku 速度相关型耗能器 粘滞阻尼器粘滞阻尼器 F=F=cvcv 位移速度相关型耗能器 粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器 F=F=ku+cvku+cv 防屈曲支撑(BRB) 剪切型软钢阻尼器 3耗能减震技术 可更换连梁 粘弹连梁阻尼器

16、3耗能减震技术 粘滞阻尼墙 粘滞阻尼器 阻尼比和地震影响系数曲线 3耗能减震技术 BRBBRB（屈曲约束支撑屈曲约束支撑） 典型工程典型工程 世博中心 天津117大厦 虹桥交通综合枢纽 中国博览会会展综合体 东方体育中心 人民日报大厦 Unbonding Material Core Plate Steel Tube Mortar Unbonded Brace 3耗能减震技术 39 低屈服点钢和普通钢指标对比低屈服点钢和普通钢指标对比 (a) 化学成分 成分(%) 規格 鋼材種類 C Si Mn P S N GB700-1992 Q235 0.120.20 0.30 以下 0.300.70 0.045 以下 0.045 以下 JIS LY225 0.10 以下 0.05 以下 0.50 以下 0.025 以下 0.015 以下 0.006以下 (b) 机械物理性能 規格 鋼材種類 降伏点 (N/mm2) 引張強 (N/mm2) 伸 (%) GB700-1992 Q235 235 以上 375460 26 以上 JIS LY225 205245 300400 40 以上 延性好 含碳量低