本書首先闡述了液體黏滯阻尼器的發(fā)展歷史、在建筑結構上的應用概況,再介紹了阻尼器設計原理和有關阻尼器參數(shù)的計算方法,然后總結了阻尼器在國內(nèi)外建筑結構上的多個應用實例,*后探討了阻尼器應用中的有關問題和發(fā)展前景。
提到結構保護系統(tǒng),很多結構工程界的工程師已經(jīng)不陌生。液體黏滯阻尼器、屈曲約束支撐及隔震支座等系統(tǒng)已經(jīng)在結構應用上得到廣泛發(fā)展,其他如金屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、阻尼墻等設備在我國也大量涌現(xiàn)并得到應用。
從1999年北京火車站在抗震加固中安置了32個液體黏滯阻尼器開始到現(xiàn)在,我們已經(jīng)為北京銀泰中心、北京盤古大觀、廣州大學體育場、上海東航機庫、武漢保利大廈、天津國貿(mào)等20多個建筑工程進行過減震設計,并安置了世界先進的Taylor公司液體黏滯阻尼器,以增加這些超高層或大跨度建筑的耗能能力。近20年來,對這些建筑的抗風、抗震分析,以及阻尼器的生產(chǎn)、測試、安裝和驗收,都為我們提供了寶貴的經(jīng)驗,這些項目中有的已經(jīng)成為我國建筑結構上阻尼器應用的標志性工程。我們在中國鐵道出版社幫助下出版了介紹液體黏滯阻尼器在橋梁上應用的《橋梁工程液體黏滯阻尼器設計與施工(配盤)》一書,翻譯了美國康斯坦丁諾(MICHAELCConstantinou)教授的專著《橋梁地震保護系統(tǒng)》,2015年針對我國減隔震耗能系統(tǒng)的發(fā)展和存在的問題,我們又撰寫了《結構保護系統(tǒng)的應用與發(fā)展》一書作進一步討論。作為兄弟篇,本書是想總結液體黏滯阻尼器在建筑工程上的應用與發(fā)展。
我們所完成的建筑項目,多數(shù)都屬于一些超高、超限的超高層結構及大跨度空間結構,幾乎每個工程都經(jīng)過我們的充分分析與計算而完成,最終通過設置阻尼器巧妙地提高了結構性能并實現(xiàn)了設計意圖。本書希望和大家交流的內(nèi)容很多,其中針對在結構設計計算和阻尼器應用上所遇到的問題,介紹了我們做過的工作和發(fā)表的論文中的觀點,包括針對特殊結構應用阻尼器方面的優(yōu)化設計及經(jīng)濟分析、新式阻尼器安置方法、加強層上設置阻尼器的效果、TMD系統(tǒng)和直接安置阻尼器的效果對比、阻尼器簡化計算方法和數(shù)值積分結果的對比、結構上的能量耗散及阻尼比的計算、對規(guī)范剪重比的控制標準等問題。在書中,我們也盡可能地摘錄了一些國際上液體黏滯阻尼器工程的理論討論和優(yōu)秀工程案例。
關于阻尼器在結構工程上的運用,其中一部分是如何設計使其滿足相應功能要求,即消能減震的設計階段;另外一部分則是如何將設計成果進行具體實施,即消能減震的實施階段,這部分內(nèi)容涵蓋了阻尼器的生產(chǎn)、測試以及安裝、驗收等多個環(huán)節(jié),是整個項目成敗的關鍵,也是目前我國亟待改善之處。
我國在建筑工程上飛速發(fā)展,大量新建建筑及需要加固的建筑給我們提出了越來越多的阻尼器應用需求,我國很多自主品牌的阻尼器正是在此背景下產(chǎn)生的。在未經(jīng)嚴格檢查管理的情況下,很多產(chǎn)品的基本理念和核心技術在很大程度上仍需改進,一些產(chǎn)品的質(zhì)量和水平也有待提高。在我國已經(jīng)發(fā)展使用二十多年的阻尼器理論和大量的實用產(chǎn)品中,仍然存在以下不足和問題:
(1)有的知名大學的教授不花心思研究減隔震產(chǎn)品的原理和技術,簡單地抄襲國外的論文和專利,把可以正確發(fā)展的理論引上歧途,申報了很多并未真正理解的抄襲專利,更可怕的是把錯誤和偏向帶到實際的工程中。
(2)國際上早已被否定的一些減震技術被我國某些知名學者未加發(fā)展地搬過來,在不能解決其致命缺點的前提下在國內(nèi)工程中使用并報獎。
(3)近十年來,我國已經(jīng)安置了多套檢測阻尼器的動力測試設備,但長期以來不能嚴格地檢測減隔震產(chǎn)品。新安置的檢測設備可能很好,但使用和操作的人員有的并不負責,也不去研究所必須經(jīng)過的檢測和控制質(zhì)量,像美國土木工程學會20世紀90年代組織的HITEC第三方聯(lián)合預檢測在我國連一次類似的活動都安排不起來,真正遵循并實施到位的工程極其罕見。
(4)我國有不少新發(fā)展減震技術,例如金屬阻尼器的抗小震及抗風技術,阻尼墻的減震技術。在我國發(fā)展應用的文章有之,但關于產(chǎn)品的嚴格檢測和對比其使用效果的文章幾乎沒有。與此形成鮮明反差的是,美國大學加州伯克利分校對液體黏滯阻尼器、BRB及阻尼墻三者的優(yōu)缺點、測試和檢測辦法、產(chǎn)品的體積、減震效果進行了大量試驗和對比分析,并通過對比判定其發(fā)展方向,從而引導工程界能夠正確運用這些產(chǎn)品。
(5)我國某減震設備廠家(南京某公司)在一次國內(nèi)的聯(lián)合測試中,由于參與測試的阻尼器完全破壞而在其后不久破產(chǎn),但該公司的阻尼器產(chǎn)品在參與此次測試之前,在國內(nèi)37個工程項目上已經(jīng)安置了。我國還有大量類似的工程案例,這些已經(jīng)知道安置了不合格的阻尼器的工程未經(jīng)處理。
阻尼產(chǎn)品未經(jīng)嚴格檢測就放到結構上使用,又沒有經(jīng)過安置后的檢測,會給我國實際工程的抗震、抗風帶來難于估量的大問題,不能達到這些核心技術的阻尼器是不能在長期工作中保證設計要求的。隨著減震產(chǎn)品在建筑結構上的應用越來越廣泛,國家層面已經(jīng)認識到這些問題的嚴重性了,如建設部最近發(fā)布了《建設工程抗震管理條例》(征求意見稿),對阻尼器等減震產(chǎn)品提出了嚴格的要求和管理。我們盼望能盡快執(zhí)行這些條例,徹底改變我國在這個領域中的亂象和問題。為了結構的安全著想,我們迫切希望國內(nèi)相關部門能夠加強使用前公開測試和幾年后的定期檢測這一要求。
在提高管理水平的同時,同樣重要的是生產(chǎn)廠家能夠理解并攻下阻尼器的以下三個核心技術方面:
第一,為了使阻尼器能在地震發(fā)生時快速啟動,在各種環(huán)境下都能按設計的本構關系耐久、嚴格的工作,并能在長期使用時檢查阻尼器的內(nèi)壓及工作狀態(tài),對黏滯阻尼器預加高壓是十分必要的,當然,采用這種高壓動密封設計更需要很高的加工精度,才能在長期使用中保證不漏油。
第二,阻尼器本構關系的同一性。阻尼器應能在不同工作頻率和速度、不同的溫度環(huán)境下,均能夠保持設計的本構關系。其核心技術是美國Taylor公司20世紀80年代發(fā)明出來的內(nèi)部活塞頭,這種高科技產(chǎn)品也就需要阻尼器廠家在產(chǎn)品出廠前提供包括各種不同環(huán)境下完整統(tǒng)一的測試報告。
第三,阻尼器長期使用的耐久性!督ㄖ軠p震技術規(guī)程》(JGJ 2972013)第872條明確指出:黏滯消能器和黏彈性消能器在正常使用情況下一般10年或二次裝修時應進行目測檢查,在達到設計使用年限時應進行抽樣檢驗。消能部件在遭遇地震、強風、火災等災害后應進行抽樣檢驗。這也是我們一直想要提倡的保證抗震質(zhì)量的目標,這比使用阻尼器時在線健康監(jiān)測更有實際意義。
20年來結構減震技術飛速發(fā)展,很多工程案例是早期寫的文章,有待改進和提高。鑒于筆者的精力和水平有限,本書內(nèi)容遺漏和不足之處在所難免,還望不吝指正。
陳永祁,男,美國國籍。1966年畢業(yè)于北京工業(yè)大學土木建筑系結構專業(yè),1968年~1978年先后就職于第一機械工業(yè)部陜西三線工廠以及紡織工業(yè)部設計院,從事設計、施工工作八年,擔任設計工程師兩年。1978年進入中國建筑科學研究院研究生院學習,1981年畢業(yè)并獲得碩士學位后開始在建研院抗震所工作。1986年在美國紐約州立大學布法羅分校土木建筑系攻讀博士學位。1989年~1993年在美國設計核電站公司先后擔任工程師、高級工程師。1991年創(chuàng)辦美國藍湖國際公司,1998年任美國Taylor公司中國代理、高級工程師,2005年創(chuàng)辦北京奇太振控科技發(fā)展有限公司。自1998年以來,完成了北京銀泰中心、北京盤古大觀、天津國貿(mào)中心等21個建筑阻尼器工程;南京長江三橋、蘇通長江大橋、西堠門跨海大橋、云南龍江特大橋等41個橋梁阻尼器工程,并獲得四項相關專利。截至目前,已出版專著三冊《橋梁工程液體黏滯阻尼器設計與施工》、《結構保護系統(tǒng)的應用與發(fā)展》、《橋梁地震保護系統(tǒng)》,發(fā)表土木工程領域的論文60余篇。
馬良喆,男,1973年生于吉林長春,1996年畢業(yè)于吉林建筑工程學院土木工程系土木工程專業(yè),2001年進入哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院攻讀碩士學位,從事結構耗能減震方面的研究工作。2005年前,先后就職于北京市建筑工程研究院檢測所和中國電子工程設計院,分別從事建筑材料檢測、結構構件樁基檢測以及工業(yè)建筑結構設計等工作。2005年進入北京奇太振控科技發(fā)展有限公司,負責耗能減震技術的應用開發(fā),陸續(xù)參與了多項高層建筑、大跨橋梁結構的抗震抗風計算分析及現(xiàn)場工作。截至目前,在土木工程領域發(fā)表論文20余篇。
彭程,男,1987年生于北京,主要從事結構消能減震分析與研究。2010年獲北京工業(yè)大學建筑工程學院工學學士學位,2011年加入北京奇太振控,從事消能減震工作,以超高層結構應用液體黏滯阻尼器的抗震抗風分析為主,兼以超高層、大跨結構、人行橋結構的調(diào)諧減震。參與計算項目數(shù)十例,包括重慶來福士廣場等大量地標性建筑。2014年在北京工業(yè)大學繼續(xù)攻讀碩士學位,師從高向宇教授。截至目前,在土木工程領域發(fā)表論文10余篇。
第1篇綜述
第1章概述3
1.1阻尼器應用概述3
1.2阻尼器的設計目標和理念6
1.3不同阻尼器的選擇8
第2章液體黏滯阻尼器簡介12
2.1液體阻尼器的發(fā)展歷史12
2.2土木工程用液體黏滯阻尼器的內(nèi)部構造15
2.3液體黏滯阻尼器發(fā)展的三代產(chǎn)品20
2.4液體黏滯阻尼器的設計26
2.5液體黏滯阻尼器在結構上應用的研發(fā)過程30
第2篇阻尼器的設計與分析
第3章基于性能的消能減震設計41
3.1基于性能的結構設計理念41
3.2性能設計發(fā)展現(xiàn)狀42
3.3消能減震措施在結構性能設計中的作用44
第4章阻尼器減震結構的計算分析47
4.1阻尼比計算47
4.2TMD的原理和計算方法66
4.3阻尼器減震結構的時程分析法71
第5章阻尼器的連接設計76
5.1阻尼器的支撐設計76
5.2阻尼器的連接方式83
5.3阻尼器的優(yōu)化布置85
5.4阻尼器的特殊用途89
第6章建筑用阻尼器的安裝方案93
6.1建筑阻尼器的一般安裝方案93
6.2天津國際貿(mào)易中心安裝方案99
6.3新疆阿圖什布拉克大廈安裝方案101
第7章建筑結構用阻尼器可靠性分析108
7.1抗震可靠性分析108
7.2抗風可靠性分析115
第8章消能減震結構經(jīng)濟分析127
8.1一次性投資經(jīng)濟分析127
8.2結構生命周期成本分析132
第3篇阻尼器的應用與檢測
第9章建筑結構用阻尼器的抗震應用143
9.1北京盤古大觀143
9.2武漢保利大廈150
9.3新疆阿圖什布拉克大廈157
9.4重慶來福士廣場景觀天橋163
9.5北京少年宮175
9.6其他阻尼器抗震項目189
第10章建筑結構用阻尼器的抗風應用192
10.1波士頓亨廷頓大街111號192
10.2紐約西55大街250號199
10.3舊金山Fremont 181 202
10.4北京銀泰中心206
10.5天津國際貿(mào)易中心217
10.6其他阻尼器抗風項目227
第11章建筑結構用TMD的應用實例230
11.1芝加哥凱悅酒店230
11.2迪拜梅丹賽馬場237
11.3鄭州國際會展中心245
11.4臨沂文化廣場248
11.5河北師大體育學院樓252
11.6紐約公園大道432號255
第12章阻尼器和TMD的檢測257
12.1阻尼器的設計審查及檢測驗收要求257
12.2TMD的結果測試和規(guī)范要求258
第4篇問題探討
第13章阻尼器應用的問題探討及未來發(fā)展263
13.1油阻尼器與黏滯阻尼器的性能差異探討263
13.2黏滯阻尼器應用的問題及產(chǎn)品發(fā)展273
第14章TMD應用的問題討論和未來發(fā)展287
14.1TMD與直接安置阻尼器方案對比287
14.2TMD用于抗震存在的問題295
14.3TMD的阻尼比296
14.4頻率敏感的范圍297
參考文獻301
附錄ATaylor公司阻尼器與其他廠家阻尼器性能對比303
附錄B奇太振控完成的Taylor阻尼器建筑工程304
附錄C重慶朝天門黏滯阻尼器型式檢驗及出廠檢驗報告(節(jié)選)307