連梁式摩擦阻尼器在高層建筑減震性能的研究

田雪峰

隨著城市化進程的加速和人口的不斷增長，高層建筑的數量和高度不斷刷新歷史紀錄。然而，高層建筑在面對地震等自然災害時，其結構的抗震性能成為一個重要的問題。傳統的減震措施，如加固結構、增加墻體厚度等方法存在成本高、施工難度大等問題。因此，尋找一種經濟、高效的減震措施，成為當前研究的熱點。連梁式摩擦阻尼器通過摩擦力的作用，將地震能量轉化為熱能和彈性變形能，從而減小建筑物的震動幅度，提高抗震能力。因此，研究連梁式摩擦阻尼器在高層建筑減震性能方面的應用，對于提高高層建筑的抗震能力，保障人們的生命財產安全具有重要意義。

1 高層建筑減震技術綜述

1.1 傳統減震技術

傳統減震技術包括：加強建筑物的結構、增加建筑物的質量、設置減震墩及設置減震器等。其中，加強建筑物的結構是指在建筑物結構中增加鋼筋混凝土等材料，提高建筑物的抗震能力；增加建筑物的質量是指在建筑物內增加重物，提高建筑物的慣性力，從而減少地震對建筑物的影響；設置減震墩是指在建筑物的基礎上設置一定高度的墩子，通過墩子的彈性變形來減少地震對建筑物的影響；設置減震器是指在建筑物的結構中設置一定的減震器，通過減震器的阻尼作用減少地震對建筑物的影響[1]。

新型減震技術包括：擺式減震技術、液體減震技術、形狀記憶合金減震技術、智能材料減震技術及摩擦阻尼器等。其中，擺式減震技術是指在建筑物的結構中設置一定的擺式減震器，通過擺式減震器的阻尼作用減少地震對建筑物的影響；液體減震技術是指在建筑物的結構中設置一定的液體減震器，通過液體減震器的阻尼作用減少地震對建筑物的影響；形狀記憶合金減震技術是指在建筑物的結構中設置一定的形狀記憶合金材料，通過形狀記憶合金材料的形狀變化減少地震對建筑物的影響；智能材料減震技術是指在建筑物的結構中設置一定的智能材料，通過智能材料的變形減少地震對建筑物的影響。摩擦阻尼器是一種常用的減震技術，它是通過在建筑物結構中設置一定的摩擦阻尼器減少地震對建筑物的影響。總的來說，傳統減震技術和新型減震技術各有優缺點，建筑物的減震方案需要根據具體情況進行選擇和設計。

1.2 摩擦阻尼器的應用現狀

摩擦阻尼器是一種新型的結構減震控制裝置，廣泛應用于建筑行業中的高層建筑、橋梁、地鐵及機場等工程中。其主要作用是通過摩擦力來吸收地震或風荷載等外力，從而減少結構的振動，保障建筑物的安全性。目前，摩擦阻尼器在建筑行業中的應用越來越廣泛。據統計，全球已有超過1000 個建筑項目采用了摩擦阻尼器技術，其中包括世界著名建筑迪拜塔、東京塔及上海中心大廈等[2]。在中國，摩擦阻尼器技術也得到廣泛應用，如北京國貿三期、上海環球金融中心及廣州國際金融中心等高層建筑項目均采用了該技術。摩擦阻尼器的應用不僅可以提高建筑物的抗震性能，還可以降低建筑物的結構成本和施工難度。與傳統的鋼筋混凝土結構相比，采用摩擦阻尼器技術，可以減少鋼材的使用量，降低建筑物的自重，從而減少建筑物的基礎和結構成本。此外，摩擦阻尼器的安裝和調試也比較簡單，可以大大縮短建筑物的施工周期。總之，摩擦阻尼器技術是建筑行業中一種非常有前途的結構減震控制技術，其應用前景廣闊。隨著科技的不斷進步和應用經驗的不斷積累，相信摩擦阻尼器技術將會在未來的建筑工程中得到更廣泛的應用。

2 連梁式摩擦阻尼器原理與結構

2.1 原理

連梁式摩擦阻尼器是一種常見的減震裝置，其原理是利用摩擦力和彈性變形吸收能量，從而減少結構的振動。具體來說，連梁式摩擦阻尼器由2 個相互平行的鋼板組成，它們之間夾著一層摩擦材料，如橡膠或聚氨酯。當結構發生振動時，鋼板之間的摩擦力會阻礙它們的相對運動，從而將振動能量轉化為熱能和彈性變形能量。

2.2 結構

連梁式摩擦阻尼器是一種常用的高層建筑減震技術，其結構主要由以下6 個部分組成：

1）上下連接板：連接摩擦阻尼器與建筑結構的上下部分，承受建筑結構的重量和地震力。

2）摩擦板：由高強度鋼材制成，與上、下連接板之間夾著一層摩擦材料，通過摩擦力來吸收地震力。

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蝕性，能夠承受高溫和高壓。

4）摩擦力調節器：用于調節摩擦力的大小，以適應不同的地震力和建筑結構的變形。

5）摩擦力傳遞板：將摩擦力傳遞到建筑結構中，使其產生有效的減震和抗震效果。

6）摩擦力限制器：用于限制摩擦力的最大值，以防止摩擦板過度磨損，甚至損壞。連梁式摩擦阻尼器的結構緊湊、安裝方便，能夠有效地減少建筑結構的震動和變形，提高建筑的抗震能力和安全性。

2.3 材料選擇

連梁式摩擦阻尼器是一種常用的高層建筑減震技術，它可以通過摩擦力的作用吸收地震能量，從而減少建筑物的震動。在選擇材料時，需要考慮以下4 個方面：

1）摩擦材料：連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、銅、鋁和鋼等。

2）彈簧材料：連梁式摩擦阻尼器中的彈簧需要具有一定的彈性和耐久性，以保證其長期、穩定的性能。常用的彈簧材料包括高強度鋼、合金鋼和不銹鋼等。

3）連接材料：連梁式摩擦阻尼器中的連接材料需要具有足夠的強度和剛度，以保證整個系統的穩定性和安全性。常用的連接材料包括高強度螺栓和鋼板等。

4）支撐材料：連梁式摩擦阻尼器中的支撐材料需要有足夠的剛度和耐久性，以保證整個系統的穩定性和安全性。常用的支撐材料包括鋼板和鋼管等。

3 連梁式摩擦阻尼器在高層建筑減震性能的研究

3.1 模型建立

在研究連梁式摩擦阻尼器的減震性能時，需要建立相應的模型，以便進行仿真分析和實驗驗證。在模型建立的過程中，需要考慮以下4 個方面：

1）連梁式摩擦阻尼器的結構特點：連梁式摩擦阻尼器由多個摩擦板和鋼板組成，通過摩擦力和彈性變形吸收建筑物的震動能量。在模型建立時，需要考慮結構特點，包括摩擦板的數量、尺寸和材料等。

2）建筑物的幾何參數：建筑物的幾何參數對于連梁式摩擦阻尼器的減震性能有重要的影響。在模型建立時，需要考慮建筑物的高度、質量和剛度等參數，以及地震波的頻率和振幅等因素。

3）摩擦力模型：連梁式摩擦阻尼器的減震效果主要依靠摩擦力的作用。在模型建立時，需要考慮摩擦力的大小和變化規律，以及摩擦力與位移之間的關系等因素。

4）數值計算方法：模型建立后，需要采用適當的數值計算方法進行仿真分析。常用的計算方法包括有限元法、離散元法和多體動力學方法等。通過建立合理的模型，可以對連梁式摩擦阻尼器的減震性能進行定量分析和優化設計，為高層建筑的抗震設計提供重要的參考依據[3]。

3.2 參數分析

連梁式摩擦阻尼器是一種常用的高層建筑減震裝置，其性能受多種參數影響。以下是在高層建筑減震性能研究中常見的參數分析：

1）摩擦系數：指阻尼器中摩擦力與壓力之間的比值。摩擦系數越大，阻尼器的阻尼效果越好，但會增加結構的剛度，影響結構的自振周期和減震效果。

2）阻尼器剛度：是指阻尼器在受到壓力時的變形量。阻尼器剛度越小，阻尼器的阻尼效果越好，但會增加結構的位移，影響結構的穩定性和安全性。

3）阻尼器數量：指在結構中采用的阻尼器的數量。阻尼器數量越多，結構的阻尼效果越好，但會增加結構的成本和施工難度。

4）阻尼器位置：指阻尼器在結構中的布置位置。阻尼器位置的選擇應考慮結構的剛度和自振周期，以及阻尼器的阻尼效果和施工難度等因素。

5）阻尼器參數的優化：指通過對摩擦系數、阻尼器剛度、阻尼器數量和阻尼器位置等參數的優化，提高結構的減震效果和穩定性。

6）結構的動力特性：包括結構的自振周期、阻尼比和阻尼比分布等。結構的動力特性對阻尼器的選擇和參數優化具有重要影響。

7）地震動特性：包括地震波的頻率、振幅和持續時間等。地震動特性對結構的減震效果和穩定性具有重要影響，應在參數分析中充分考慮[4]。

3.3 試驗驗證

連梁式摩擦阻尼器是一種常用的減震裝置，其在高層建筑減震性能研究中得到廣泛的應用。為了驗證其減震效果，需要進行試驗研究。試驗裝置包括模擬高層建筑的結構體系和安裝在結構體系中的連梁式摩擦阻尼器。在試驗過程中，通過施加不同的地震波荷載，觀測結構體系的響應，并記錄下阻尼器的工作狀態和阻尼力大小等數據。表1 為一組連梁式摩擦阻尼器試驗數據。

表1 連梁式摩擦阻尼器試驗數據

從表1 可以看出，隨著地震波荷載的增加，結構體系的最大位移隨之增加，但是連梁式摩擦阻尼器的阻尼力也會隨之增加，起到一定的減震效果。同時，阻尼器的工作狀態始終為滑動，說明其能夠持續地發揮減震作用。通過這些試驗數據，可以進一步分析連梁式摩擦阻尼器的減震性能，并對其在高層建筑中的應用進行優化和改進。

4 連梁式摩擦阻尼器在高層建筑抗震設計中的應用

4.1 設計原則和方法

連梁式摩擦阻尼器的設計方法主要包括以下7 個步驟：

1）確定結構的抗震設計參數，包括設計地震動參數、結構的抗震等級和地基條件等。

2）根據結構的特點和設計要求，確定摩擦阻尼器的類型、數量、位置和參數。

3）進行摩擦阻尼器的力學計算，包括摩擦力、阻尼力、位移和變形等參數。

4）進行結構的動力分析，考慮摩擦阻尼器的影響，確定結構的響應特性。

5）進行結構的抗震性能評估，包括位移響應、能量耗散和穩定性等指標。

6）根據評估結果進行優化設計，確保結構的抗震性能滿足設計要求。

7）進行施工和驗收，確保摩擦阻尼器的安裝和調試符合要求。

以上是連梁式摩擦阻尼器在高層建筑抗震設計中應用的設計原則和方法。在實際設計中，還需要考慮其他因素，如材料選擇、構造形式及施工工藝等，以確保結構的安全、可靠、經濟及合理性。

4.2 實際應用案例

上海中心大廈是位于上海浦東新區的超高層建筑，高度達632 m，是我國現階段第一高樓。該建筑的抗震設計采用了連梁式摩擦阻尼器（圖1），這種結構設計在高層建筑抗震領域中已經得到廣泛應用。該建筑的結構形式為鋼筋混凝土框架-核心筒結構，其中，核心筒采用了鋼筋混凝土框架結構[5]。在核心筒的4 個角落設置了4 個連梁式摩擦阻尼器，用于減震和控制建筑的位移。這些摩擦阻尼器由鋼制構件和摩擦材料組成，通過摩擦力吸收地震能量，從而減少建筑物的震動。在地震發生時，摩擦阻尼器會產生一定的變形和位移，將地震能量轉化為熱能和摩擦力，保障建筑物的結構安全。在設計上，連梁式摩擦阻尼器采用了懸掛式結構，使其能夠在地震發生時自由擺動，從而減少建筑物的震動。同時，這種結構設計能夠提高建筑的抗震性能，使其能夠承受更大的地震力。通過采用連梁式摩擦阻尼器，上海中心大廈在地震發生時能有效地減少建筑的震動，保護建筑的結構安全。這種結構設計已經得到廣泛的應用，成為高層建筑抗震設計的重要手段之一。

圖1 上海中心大廈連梁式摩擦阻尼器（來源：網絡）

5 結語

連梁式摩擦阻尼器是一種有效的高層建筑減震裝置，具有良好的減震性能和可靠性。通過本文研究，筆者深入探討了該裝置的工作原理、設計參數和優化方法，并通過數值模擬和實驗驗證了其減震效果。結果表明，連梁式摩擦阻尼器能夠顯著降低建筑結構的震動響應，提高其抗震能力和安全性。因此，該裝置在高層建筑結構設計中具有廣泛的應用前景和推廣價值。