新型調諧液態阻尼器技術在某超高層項目中的應用

張 彪

中建三局第三建設工程有限責任公司 湖北 武漢 430074

近年來，我國高層建筑的高度在不斷被刷新，建筑結構形式越來越多樣，體型也越來越復雜，風荷載成為控制高層結構安全、舒適性的主要因素之一。改善風振舒適度的措施中，增加結構阻尼的減振效果最為明顯[1-4]。

當前，調諧質量阻尼器（TMD）在超高層建筑結構中應用比較廣泛，調諧液態阻尼器（TSD）此前在國內的超高層項目中尚未開始使用。項目團隊研究對比調諧質量阻尼器（TMD）和調諧液態阻尼器（TSD）的各項利弊并結合項目的自身特點，最終采用新型調諧阻尼器（TSD）應用技術[5-8]。該技術創新性地將裝配式高位消防水池與結構阻尼器協作設計，在提升超高層建筑內人員使用舒適性，提高建筑室內消防供水系統及建筑本體可靠性、安全性的同時，降低了工程造價。該技術目前在國內超高層建筑中首次使用。

1 技術運用背景

某超高層項目主塔樓為地上98層，地下5層，建筑高度450 m。項目采用混凝土＋伸臂桁架＋巨柱的結構體系，為鋼-混凝土組合結構。建筑抗震烈度為乙類，按照6度設防。風荷載按100年一遇的基本風壓確定，為0.5 kN/m2，地面粗糙度為C類。

風洞試驗結果表明，塔樓最高使用層的10年重現期風致加速度為17×10－3g，滿足中國建筑規范的最低舒適度要求；1年重現期風致加速度為7.1×10－3g，對比日本建筑規范AIJ，屬于H50級別（日本建筑規范AIJ-GEH驗算1年重現期的風致加速度，并將與頻率相關的舒適度劃分為5個級別，即H10、H30、H50、H70和H90。其數字部分意義為有相應百分比的人們對加速度有感，如H10為10%的人對加速度有感，以此類推）。對于塔樓頂部的高端酒店和住宅來說，有必要改善其風振舒適度（圖1、圖2）。

圖1 T1塔樓風洞試驗

圖2 T1塔樓TSD振動臺試驗

改善風振舒適度的措施中，增加結構阻尼的減振效果最為明顯，且成本相對低廉。在提高舒適度的同時也降低了結構荷載，緩解了結構疲勞，延長了建筑的使用壽命。不同于設計假定的結構固有阻尼，較明確的附加阻尼使結構具有更高的可靠度。因此，設置以抗風為主要目的的阻尼器是本項目風振控制的理想方案。

2 風振控制方案優選

2.1 吸能減振系統基本類型

結構振動控制系統按控制方式分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制。此外，根據減振原理主要分為基礎隔振、吸能減振和消能減振。其中，吸能減振在結構小變形下（如短重現期風下）仍能提供有效的控制力，因此是常用的風振控制方法。

吸能減振是將結構振動的部分能量傳遞到與結構相連的附加慣性系統中，該慣性系統與結構某一振型產生有相位差的共振并反饋結構控制力，一般設置在建筑頂部或者靠近頂部的位置，以達到最大的廣義質量比，發揮最大的減振效果。實際工程中，常用的吸能減振系統主要包括：調諧質量阻尼器（TMD），調諧液態阻尼器（TSD），調諧液柱阻尼器（TLCD），主動質量阻尼器（AMD），混合質量阻尼器（HMD）。

2.2 風振控制方案優選

項目前期主要對兩種吸能減震系統進行分析討論，分別是調諧質量阻尼器（TMD）和調諧液態阻尼器（TSD）。

2.2.1 調諧質量阻尼器（TMD）

初始設計了一個位于91層、1 000 t的調諧質量阻尼器（TMD），主要由吊索、質量塊、黏滯阻尼桿、調諧系統和限位系統組成。設計加速度減振比為42%，預計將10年重現期風致加速度降低至9.8×10－3g，將1年重現期風致加速度降低至4.0×10－3g（AIJ規范H10級別）。

設計中除了對TMD在短重現期風（1年、5年和10年）下的性能進行分析，RWDI還對TMD在強風（50年和500年重現期）及地震（50年、475年和2 500年重現期）下的響應進行了詳盡的非線性時域分析，以確保TMD的安全性。

2.2.2 調諧液態阻尼器（TSD）

根據后期優化，阻尼器方案由TMD調整為TSD（調諧液態阻尼器）。TSD可以利用平時閑置的消防水箱，對其進行設計，達到減振的目的，使阻尼器和消防水箱合二為一，既節省了空間，也進一步降低了造價。

調諧液態阻尼器（TSD）是一種被動式吸能減振裝置，它其實是調諧質量阻尼器（TMD）的變形，同為與建筑相連的附加慣性系統，不同的是TSD通過波浪的往復運動來產生慣性力，池壁提供回復力。在建筑中，TSD的構造通常為矩形水箱，其長度、寬度和水深經過設計以得到期望的波浪運動。波浪的運動可表示為等同于TMD的運動質量。而能量耗散是通過使用百葉屏板、網、槳柱等阻尼系統來生成湍流達到的。

經綜合對比，本工程采用新型調諧液態阻尼器（TSD）應用技術，兼顧阻尼器和消防水箱的功能，使二者合二為一，達到了造價及維護費用低、無需限位、多用途的綜合使用目的。

3 技術原理

3.1 調諧液態阻尼器（TSD）設計

本工程TSD是一個位于93層、590 t的阻尼器，TSD的內部凈尺寸為19.0 m×16.3 m×4.2 m（長×寬×高）。TSD短邊與主結構X軸夾角為30°，使其與主結構平動振型方向一致。

經過對TSD和塔樓在風和地震下的響應進行詳細性能分析，TSD的設計加速度減振比為30%，預計將10年重現期風致加速度降低至12×10－3g，將1年重現期風致加速度降低至5.0×10－3g（AIJ規范H30級別）。

TSD箱體為全鋼結構，材料為Q345B。主要包括由立柱＋支撐＋梁＋板組成的箱體，內部的槳柱（9根）、擋板和檢修閘門（圖3）。其中，槳柱用來產生湍流，提供TSD本身的阻尼；擋板用來形成底部靜水區，調諧TSD頻率；檢修閘門用來在TSD檢修狀態時將水箱分隔成2個區域，以保證檢修時有一半的消防水量。TSD減振的控制力為水箱兩端側壁的動力水壓差產生的側向力。TSD波浪產生的動力水壓主要通過立柱、支撐和槳柱傳遞至塔樓主體結構。

圖3 TSD水箱結構

根據規范要求，高層民用建筑高壓消防給水系統的高位消防水池總有效容積大于200 m3時，宜設置蓄水有效容積相等且可獨立使用的2格；當建筑高度大于100 m時應設置獨立的2座。

但為確保TSD箱體內液體的整體晃動特性，在箱體中間部位設置4塊閘門。TSD在正常運行狀態時，檢修閘門提起，保證凈高在3.8 m；TSD在檢修狀態時，檢修閘門落下，關閉嚴實，檢修閘門高度為2.3 m。閘門要求具有較好的密封性能，這樣既能滿足高層建筑高壓消防給水系統的要求，又能為水箱的清洗、破損時維修焊接等檢修提供便利條件。

TSD箱體內部閘門上升和下降時的結構形式如圖4、圖5所示。

圖4 檢修閘門運行狀態

圖5 檢修閘門維護狀態

箱體內的水位通過聯動進水閥和轉輸泵自動控制。自動控制的手段則需要借助設置在箱壁上的超聲波液位計和設置在槳柱上的電子液位計。基于TSD水池模擬試驗分析結果提供的水池平面尺寸和浪高，推算出TSD箱體的消防有效水深，復核消防有效水深與阻尼器最佳運行調諧液位的關系，最終得到液位計在箱體內槳柱上的擺放位置。

用于聯動控制水池補水控制閥的液位計通過聯動邏輯判斷，當2個液位計探測到的液位均低于最高液位時，打開補水控制閥；當2個液位計探測到的液位均高于設定的最高液位時，聯動關閉補水控制閥，以此來避免補水控制閥頻繁啟動。用于聯動控制消防轉輸水泵的液位計探測到的液位低于設定的最低液位時，啟動下方設備層的消防轉輸水泵；當該液位計探測到的液位高于設定的超高報警液位時，發出超高液位報警信號至消防控制室，由具有權限的管理人員人工判斷是否停止下方的轉輸水泵。通過聯動控制，實現了TSD水箱內液位自動調整的目的。

3.2 調諧液態阻尼器（TSD）設計

TSD的設計參數如表1所示。

表1 調諧液態阻尼器（TSD）設計參數

經過模擬分析，調諧液態阻尼器（TSD）的吸能減振性能滿足設計要求，具體結果如下：

1年重現期風致加速度沒有TSD的情況下為7.1×10－3g，有TSD的情況下為5.0×10－3g。5年重現期風致加速度沒有TSD的情況下為14.0×10－3g，有TSD的情況下為9.5×10－3g。10年重現期風致加速度沒有TSD的情況下為17.0×10－3g，有TSD的情況下為12.0×10－3g。

可以看出，在有TSD較無TSD的情況下，塔樓最高使用層的1年、5年、10年重現期風致加速度均減少30%。

3.3 調諧液態阻尼器（TSD）性能測試

2019年8月，臺風“利奇馬”過境項目所在城市，項目及專業單位立即組織TSD的相關測試。

2019年8月9日下午3：20到5：00期間，對塔樓進行了振動實測。本次實測的塔樓加速度時程如圖6所示，分別為X軸、Y軸、扭轉和平動矢量和的加速度，最大加速度矢量和為1.6×10－3g，估算最大位移在50～60 mm之間。

圖6 TSD測試曲線

根據實測結果，TSD調諧所需的水位為2.66 m，槳柱寬度為1.7 m（雙向完全展開），擋板高度為0.69 m。其中，1年和10年設計風速分別為19 m/s（8級）和22 m/s（9級）。8月9日下午的風速為5～6級，遠小于1年重現期，8月10日晚上的風速達到此次臺風在項目所在城市的最大值，約為9級，接近10年重現期。

TSD實測結果與之前分析的結果相一致，在有TSD較無TSD的情況下，塔樓最高使用層10年重現期風致加速度減少30%。

4 TSD施工操作要點

4.1 箱體分割方案

根據現場提供的吊裝條件，質量小于10 t，運輸寬度要求小于6 m，將箱體分成24塊，箱體劃分最大、最重為9號、11號板塊，最大外形尺寸5 m×0.6 m×10 m，質量為8 t。

4.2 TSD安裝流程及安裝難點

水箱底面的安裝及拼接→側板的安裝及拼接＋斜撐安裝焊接→槳柱（9根）＋擋板安裝及焊接→頂板安裝→人孔蓋、扶梯及進出口管子的安裝及焊接→閘門及相關配件的安裝及調試→焊縫檢驗及返修→箱體內部油漆修補→箱體外部油漆修補

TSD施工的主要難點在于構件的吊裝和安裝焊接。TSD焊縫等級為一級焊縫，焊前預熱可減少內應力，防止裂紋，改善焊縫性能，母材焊接前必須預熱，預熱溫度為80～120 ℃。

采用高壓無氣自動噴涂機噴涂，施工前按產品要求將涂料加入進料斗，按涂料厚度調整噴涂機參數，開動噴涂機進行自動噴涂。

4.3 焊縫檢測要求說明

1）所有面板拼接縫為全熔透二級焊縫，為確保焊縫的質量，采取所有面板拼接縫超聲波檢測＋磁粉檢測。

2）現場組裝焊接，所有面板之間的角焊縫由于總裝完成后無法進行超聲波檢測，故采取磁粉檢測。

3）為確保焊縫的質量和氣密性，對所有角焊縫進行煤油檢測，對于無法檢測區域可采用抽真空氣密性檢測。

4）構架焊縫檢測：構架面板對接縫為超聲波檢測，其余焊縫（包括角焊縫）為磁粉檢測。

5 實施效果

通過新型調諧阻尼器（TSD）應用技術，能有效改善塔樓的風振舒適度，降低結構風荷載，緩解結構疲勞，延長建筑使用壽命，并使結構設計具有更高的可靠度。根據臺風過境實際測試，塔樓最高使用層10年重現期的風致加速度減少了30%，驗證了設計的預期結果，達到了應用的目的。

本工程采用的新型調諧阻尼器（TSD）應用技術，屬于在國內超高層建筑中首次使用，創新地將阻尼器和消防水箱的功能合二為一，利用平時閑置的消防水箱對其進行設計，達到減振的目的。

在滿足風振使用舒適度的前提下，新型調諧阻尼器（TSD）具有以下特點：造價費用低，相較于常用的TMD，費用可節約40%；無需外部能源支持，綠色環保；無需人為控制，安全可靠；構造簡單，易于安裝、方便調節與維護；靈敏度高，穩定性好，耐久性長；無需限位，多用途，可兼作消防水箱。

6 結語

隨著越來越多的城市開始建設超高層建筑，關于超高層改善塔樓的風振舒適度，降低結構水平荷載，緩解結構疲勞，延長建筑使用壽命等方面的思考越來越成熟，超高層減振阻尼器的使用案例也會隨之增多。

新型調諧液態阻尼器（TSD）應用技術已在某超高層項目中得到成功應用，為同類工程提供了寶貴的理論和實踐經驗。后續的超高層項目可以在此項應用技術的基礎上繼續研究改進，從而進一步提高超高層建筑的舒適性以及使用壽命。