上海中心大厦结构分析.docx
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上海中心大厦结构分析.docx
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上海中心大厦结构分析
上海中心大厦位于上海浦东金融区,靠近金茂大厦和国际金融中心。
工程总建筑面积约57万m
1结构的抗侧移特性
上海市地处沿海,常受强台风袭击。
同时上海中心大厦高度很高,高宽比较大、结构自振周期较长,接近风荷载的卓越周期,属于风敏感结构。
在实际风环境中,结构在顺风向和横风向的耦合风荷载激励下,风荷载作用效应更为明显。
采用通过传统增大结构尺寸的方法虽然能提高结构的抗侧移刚度,但其效率和经济性较差,因此,仅通过传统的结构设计方法难以有效地提高超高层建筑抗风与抗震性能。
大量研究和工程实践表明,减振阻尼器可有效地增加超高层建筑的阻尼,减小其风致振动和地震反应。
根据2009年RWDI公司的风洞试验研究中的舒适性验算结果显示
设置阻尼器的另一个重要原因,是能保证结构阻尼水平与假设值之间的一致性,从而能有效地减少设计中的不确定因素,进一步提高结构的设计可靠性。
根据风洞试验结果,如果大楼建成后的实际固有频率与阻尼比不同于设计阶段的设定值,则相应的大楼振动加速度与目前的预计值之间将会有较大的偏离。
为保证结构阻尼水平与假设值之间的一致性,有效减小设计中的不确定性,设置阻尼器是必要的。
2阻尼器的选择
阻尼器类型有:
被动式、半主动式和主动式。
一般而言,在选择阻尼器时需考虑的因素很多,包括期望的减振效果、空间限制条件、费用、维护方面以及可靠性等要求。
2.1独立阻力器
主动式阻尼器(ActiveMassDamper,AMD)的设计通常采用单个质量块与可控驱动装置
2.2质的成功实例
通过设置被动式调谐阻尼系统改善建筑物品质已经有许多成功的例子。
被动式调谐阻尼器包括调谐质量阻尼器(TMD)与调谐液体阻尼器(TLD)等可单独设置的设备
2.2.1tmd惯性质量设置
调谐质量阻尼器(TunedMassDamper,TMD)是最常用的被动控制装置。
它对结构进行振动控制的机理是:
当结构在外部激励作用下产生振动时,带动TMD系统一起振动,TMD系统相对运动产生的惯性力反作用到结构上,使其对结构的振动产生抑制作用,减小结构振动反应。
它是在结构物顶部或上部某位置(主振型位移最大处)设置惯性质量。
惯性质量一般为结构控制振型广义质量的0.5%~1.5%,可以采用钢、铅、混凝土制作,也可以利用冷却塔、消防水箱或顶部独立结构作为惯性质量,所以TMD必须考虑建筑空间的要求,尽量安装于不影响建筑功能的部位。
TMD系统的惯性质量可采用多级摆、倒摆、液压支撑系统、叠层橡胶垫等悬挂或支撑等;传统的TMD阻尼元件可采用油阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器等。
在许多情况下,TMD设计中最主要的难点是可利用空间的限制。
所开发的TMD多级摆系统主要就是为了解决这一难点,使整个TMD能安置在一般的大楼机械层内。
如RWDI公司设计的纽约Trump大厦的双级摆TMD和Lexington大街610号大厦的紧凑型TMD,分别见图2和图3。
在减振实际应用方面,台北101塔楼为降低风振和抗震,结构设计采用了一个重达662t、直径5.5m的球形单摆TMD。
安装该TMD后,台北101最高层住户舒适度增加,显示其显著的减振效能。
2.2.2tsd的几何形状
调谐液体柱型阻尼器(TLCD)的基本原理与TMD相似,其中水起到质量块作用,U形水箱起到类似弹性支承的作用,水通道上设置漏空板起到耗散能量的作用。
如美国费城的Comcast大厦的TL-CD阻尼器。
水箱式调谐液体阻尼器(TSD)与TLCD类似,但利用水的波浪作用而不是采用U形水箱。
TSD的几何外形可以比较随意,并可布置在大楼不同位置。
如Barclay街10号大楼设计的TSD阻尼系统。
与TMD相比,TLCD与TSD阻尼系统费用低,结构简单,维护要求低,但防水要求高,需较大的安置空间以达到需要的质量比,因此TLCD与TSD一般仅用于减振要求不高的场合。
在上海中心大厦中受到空间及减振要求的限制,因此不适用TLCD与TSD阻尼系统。
2.2.3采用阻尼器组成
分布式阻尼系统由分散布置在大厦各关键结构部位上许多较小的阻尼器组成。
这些分散布置的阻尼系统有两个缺点:
其一需要的阻尼器数量很多,其二需要安装在局部位移较大的地方才能达到效果。
考虑数量众多,分布式阻尼系统也不适用于上海中心大厦。
2.3被动式阻尼器
半主动式阻尼器的机械特性可以进行实时调整,因此只需要较小的外部驱动力,就可以有效地减小结构的振动;如果AMD系统失效,可以切换成被动式阻尼器TMD模式
另外一种控制方式是采用日本研发的制震阻尼器(ATMD———VSL/SRIGroup)。
在中国大陆它首次被应用于上海环球金融中心
3尼龙峡谷的选择
4阻尼元件的选择及性能提高
针对传统摆式TMD存在的缺点,上海材料研究所将电涡流阻尼系统创新性地引入到上海中心大厦阻尼器系统,以代替传统的黏滞阻尼杆。
其主要由导体板与磁场源组成,磁场源采用永磁体,且永磁体附着在质量体底部一起运动;当质量体运动时,该导体板相对性地在磁场中切割磁力线运动时,穿过导体板的磁通量就会发生连续变化,根据法拉第电磁感应定律,导体板内会产生相应的感生电动势,形成电涡流。
再根据楞次定律,电涡流产生一个与原磁场方向相反的新磁场,形成阻碍二者相对运动的阻尼力,最终将惯性质量的动能转化为电能再转化为热能耗散掉,这就是所谓的电涡流阻尼。
根据小型及中型模型的电涡流阻尼系统试验表明:
电涡流阻尼系统能大幅提高TMD的阻尼性能:
(1)提升阻尼系统的响应。
永磁体和导体板间无接触,简单便捷地实现了零摩擦阻尼,无黏滞启动瓶颈。
(2)增强了阻尼比的稳定性与耐久性。
TMD的耐久性取决于阻尼系统的耐久性。
电涡流阻尼系统的组成均为金属,其性能取决于永磁体的稳定性,整套系统的400万次疲劳寿命试验验证了阻尼比稳定、耐久的优点。
解决了黏滞阻尼器寿命短的问题。
(3)提高了持续耗能能力。
电涡流阻尼系统表面直接与空气接触,面积大,散热快;而黏滞阻尼器散热差,温度易升高,持续荷载下,稳定性和耐久性难以保证。
(4)实现了阻尼比的灵活调节。
电涡流阻尼特性与永磁体和导体的间距有关,通过调节间距即可得到不同的阻尼比,只要预先设计调节装置,在安装后的任何时候都能够方便地进行调节,节省资金。
5阻尼系统优化设计
(1)RWDI公司对该TMD进行了大量的时域分析以优化其性能,提供了电涡流阻尼系统的最佳阻尼比以及在设计风荷载和地震荷载情况下TMD的性能。
根据计算机性能分析,该TMD可以满足1年、10年一遇风荷载下的舒适度控制以及50年、500年一遇大风以及地震下的位移控制要求。
(2)电涡流阻尼系统小型及中型模型试验表明:
该阻尼系统能大幅提高TMD的阻尼性能。
尤其是中试模型试验,模型结构合理,阻尼系统与质量块采用柔性连接,确保永磁体在质量块摆动时平面内的平动与转动,阻尼系统与质量块竖向的自由移动,永磁体与导体的间隙维持恒定,从而保证阻尼系统性能的稳定。
(3)单摆式电涡流调谐质量阻尼器在超高层的应用与上海中心大厦的创新理念相契合,在充分体现减振效果的同时,也大大降低了造价,配合建筑空间,注入科普及观赏功能,极大地发挥了功能性、艺术性。
(4)整个阻尼器系统构件仍有优化的可能性,在形态方面,质量块在外荷载作用下均有可能往任意一个方向移动,质量块体的形状应适应移动轨迹,尽量做成圆形,不仅充分利用建筑空间,以减小质量块和周边结构的净距,而且更为美观。
(5)在观赏效果方面,建议在吊索上涂装隐形材料,可制造出质量块悬空效果,同样建议在阻尼系统导轨上安装滚珠丝杠及光电设备,将质量块的平移效果转化为滚珠丝杠的转动效果,配合光电设备制造旋光场景。
3种阻尼器类型的优缺点概括为表1。
3种阻尼系统的设计制造费变化较大,没有详细的研究无法准确评估。
根据已有案例粗略估计,被动式需要500万美元,半主动式需要500~1500万美元,主动式需要1000~5000万美元。
如上所述,半主动式和主动式在费用上变化较大,这是由于系统的复杂性和设计用途不同,它取决于是否用于控制振动或减小荷载。
因此主动式性价比方面不如前两类阻尼,另外考虑在上海中心塔冠区设置大陆第1个有观赏功能、有艺术价值的阻尼器,TMD不妨是最优选择。
在单摆式、双摆式、紧凑式的选择上,单摆式能充分利用上海中心大厦塔冠阻尼器观光区的大空间,能在惯性质量上设置艺术品,能避免多摆式带来的视线遮挡(如图5),充分体现阻尼器的观赏功能和艺术价值。
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