高層建筑減震和隔震新技術研究及其工程應用報告人:呂西林對本報告有貢獻人員還有：翁大根陳清祥周穎周志光魯正幾位研究生同濟大學土木工程防災國家重點實驗室上海市消能減震工程技術研究中心高層建筑消能減震我研究團隊的主要研究領域復雜高層建筑結構抗震研究

新型結構體系，動力分析與設計理論

構件試驗，節點試驗，振動臺模型試驗鋼筋混凝土結構基本理論與應用

非線性數值分析，損傷評估理論可恢復功能抗震結構體系(Earthquakeresilientstructures)

帶有可更換構件的結構體系

帶有可搖擺墻的結構體系

具有自復位功能的結構體系高層建筑消能減震研究及應用高層建筑消能減震報告主要內容一、

建筑結構組合消能減震的機理及實用新技術二、

新型組合基礎隔震的機理與實用新技術三、

阻尼器連接相鄰建筑物進行振動控制的新技術以減少相鄰結構的破壞四、高層建筑結構TMD控制系統研究及應用

五、高層建筑結構NES控制系統研究及應用高層建筑消能減震一、組合消能減震支撐相關的基礎研究及工程應用本體系的特點是：作為梁柱間的支撐使用，增加體系的剛度和阻尼。橡膠支座和粘滯阻尼器組合消能；分級減震，小震時以橡膠支座為主，大震時以粘滯阻尼器為主；平面內外雙向穩定。進行了系統的試驗研究與理論分析及工程應用。振動臺模型試驗照片XilinLu,et.al,DynamicanalysismethodofacombinedenergydissipationsystemanditsexperimentalverificationEarthquakeEngngStruct.Dyn.2002;31:1251–1265高層建筑消能減震Steelframemodelonshakingtableintesting帶阻尼支撐的鋼框架模型的振動臺試驗ShakingtablemodeltestofR.C.frameswithorwithoutdampers

混凝土框架結構的對比試驗

高層建筑消能減震Analytical

model

分析模型BeamColumnLRDODOildampersimulationRubberbearingSimulation高層建筑消能減震消能減震阻尼器在小震和大震時的設計控制根據我國“小震不壞”的設計原理，消能減震結構的阻尼器設計應該選擇中震以上狀態，在小震設計時不應該利用阻尼器的耗能特性。然而，在實踐中，不計阻尼器耗能特性的小震設計不利于推廣消能減震技術的工程應用。因此，本研究提出了如何在確保安全的條件下，實現在小震和大震時均考慮消能減震阻尼器作用的設計方法和控制指標，以與大家討論。高層建筑消能減震PFrequentearthquakeDesignbasisearthquakeNotallowedPmaxδδy1δy2δy3δmaxδuα=0.18α=1.0α=1.5

00mmF/kNDampingforce-αvalue1.1使用黏滯阻尼器時Maxconsideredearthquake(4)

δf,m

≤δu

大震時的位移控制

δf,m(3)

Ff,d

≤Fd,max

大震時阻尼力控制

(1)

α≤0.3

非線性阻尼器

(2)

Ff,d

≤0.5Fd,max

小震時阻尼力控制高層建筑消能減震Pδy1——Initialyieldingdeformationδy2——Allowabledeformationunderfrequentearthquakeδy3——Allowabledeformationunderdesignbasisearthquakeδmax——Deformationatultimatecapacityδu

——Allowableultimatedeformation(inter-storydriftangle)FrequentearthquakeDesignbasisearthquakeMaxconsideredearthquakeNotallowedPmaxδδy1δy2δy3δmaxδu1.2使用位移型阻尼器時

σεy1εfinalεfractureε(1)

1/3δy2

≤δy1

≤δy2小震時阻尼器不能過早屈服(4)

δf,m

≤δu

變形控制(2)

δf,cap,m≥20δy1

大震時阻尼器應有足夠的變形能力εyδf,m(3)

δf,m

≤20δy1

阻尼器的變形狀態高層建筑消能減震

阻尼器減震支撐的工程應用(1)(同濟設計)上海化工研究院10層鋼筋混凝土辦公大樓抗震加固(2001)高層建筑消能減震消能減震支撐的布置高層建筑消能減震α=0.18α=1.0α=1.5對應各種不同α值的阻尼力曲線10層鋼筋混凝土辦公大樓抗震加固現場照片高層建筑消能減震上海港匯廣場18層商辦樓抗震加固，全國面積最大的加固改建工程—30萬平方米，經過1年多的方案比較，采用了阻尼器+支撐的方案，使用了88個阻尼器。(同濟減震設計)原有結構10層新加到18層新型組合式消能減震體系的工程應用(2)高層建筑消能減震新型組合式消能減震體系的工程應用(3)同濟大學土木大樓7層鋼框架結構，采用本消能減震體系，是國內首次在全鋼結構建筑中應用。(2004年，同濟設計)阻尼器在現場安裝照片高層建筑消能減震主題館結構平面布置示意圖，平面尺寸：288米X180米

(同濟設計)一層四層柱兩層四層四層兩層四層支撐布置處

工程應用實例(4)---上海世博會主題館高層建筑消能減震建筑面積8.1萬平方米,當時為亞洲最大的單體展館.結構設計中存在的困難

由于建筑功能需要，結構繞Y軸布置不對稱，扭轉反應大。288m長不設縫，但溫度應力可能很大，造成不必要的浪費。高層建筑消能減震

阻尼器＋橡膠支座組合消能減震體系示意圖

設置傳統支撐時，構件內力很大設置阻尼器支撐時，構件內力很小高層建筑消能減震上海世博主題館阻尼支撐現場安裝照片(2008.11.10)高層建筑消能減震工程應用實例(5)---汶川地震中受損房屋的加固都江堰市燃氣公司辦公大樓。(2009年，同濟設計)

加固修復要求:抗震能力從原7度提高到8度；盡量減少加固的工作量。高層建筑消能減震阻尼支撐的示意圖高層建筑消能減震現場阻尼支撐和節點加固的照片高層建筑消能減震工程應用6：四川省羅江縣人民醫院門診綜合大樓消能減震工程，設防烈度由7度0.10g升至8度0.20g，建筑面積：26567m2。(同濟設計)

工程應用7上海市靜安區市西中學教學樓消能減震加固工程。(同濟設計)高層建筑消能減震工程應用8：四川省都江堰中學消能減震加固工程，設防烈度由7度0.10g升至8度0.20g，建筑面積：60000m2；該校框架結構的建筑均全面采用消能減震方式加固，其“工期短、造價低、建筑空間影響小”等優勢得到充分體現。2010年6月至8月約六萬平方米的校舍在80多天工期內順利竣工，近5000名師生在2010年9月1日按時開學。該項目為目前全球最大規模集中采用消能減震加固的單項工程。(同濟設計)高層建筑消能減震工程應用（9）同濟大學百年校慶新建綜合樓——采用油阻尼器支撐（56組）模型試驗中阻尼器布置實際工程中阻尼器布置高層建筑消能減震上海移動通信有限責任公司萬榮局通訊用房，是一幢地下一層、地上九層的現澆鋼筋混凝土框架抗震墻結構房屋，乙類建筑,抗震扭轉變形不滿足要求,擬進行加固，但加固時不能影響正常使用。經過多方案比較，采用了帶有消能減震作用的支撐，而沒有采用加大截面、增加剪力墻等傳統方法。

位移型阻尼器（金屬屈服型）的應用

工程應用（10）

(2005年，同濟設計)高層建筑消能減震位移型阻尼支撐布置示意圖阻尼器高層建筑消能減震阻尼器現場安裝照片位移型阻尼器的試驗及滯回曲線高層建筑消能減震工程應用(11)–某辦公-住宅樓加固原設計和施工不滿足規范要求，5層以上已有居民住進，為避免影響6~21層的正常使用、降低施工影響，縮短施工工期，因此在1~5層商辦用房部分采用位移型阻尼器+支撐進行加固。阻尼器在1～5安裝示意圖現場阻尼器安裝照片高層建筑消能減震工程應用(12)–中國婦女活動中心二期工程酒店新建工程（9層）為解決酒店的平面不規則及豎向不規則等所造成的結構特性不佳，甚至不符合規范的要求的地方，采用設置位移型阻尼器，以增加酒店的抗震性能。在一層至九層各樓層短向分別設置兩組阻尼器，共18組阻尼器。高層建筑消能減震現場阻尼器安裝照片原型阻尼器試驗及滯回曲線高層建筑消能減震工程應用(13)–北京協和醫院新建醫療保健病房樓病房樓平面尺寸約為31×99米，地上共12層。結構設計標準采8度抗震設防烈度，主要結構構件在中震地震力下不屈服，設防措施為9度。為了實現結構的合理性和經濟性，采用了鋼框架—消能支撐結構方案，并選擇采用位移型阻尼器。經優化設計后，采用的軟鋼阻尼器數量為78個，結構的用鋼量降低到約110kg/m2，全樓約4200噸。經分析比較，采用鋼框架—軟鋼阻尼器+支撐方案，共節省約1400萬元。高層建筑消能減震阻尼器現場安裝照片阻尼器原型試驗高層建筑消能減震14.

ATallOfficeBuildingwithLowYieldingMetalDampersBuiltinXichang,SichuanProvinceSteelreinforcedconcreteframe-RCshearwallsystem15stories,

Totalheight:59.3m高層建筑框架-剪力墻結構辦公樓Designintensity9BasicearthquakesPGA=0.40gM.C.earthquakesPGA=0.62g

Sitesoil:TypeIICharacteristicperiod:0.35s(成都市院設計，同濟計算分析)

高烈度區工程應用實例高層建筑消能減震ATallOfficeBuildingwithLowYieldingMetalDampersModePeriod(s)ModeShape11.29Coupledtranslation21.24Coupledtranslation31.02Torsion40.53TranslationinY50.35TranslationinY60.44CoupledtranslationX-directionY-direction選擇7組地震波作為輸入進行分析高層建筑消能減震71lowyieldingmetaldamperswithbracingsInitialStiffnessYieldForce(kN)Post-yieldStiffness(kN/mm)Weight(kN)6407806.4980Lowyieldingdamper低屈服軟剛阻尼器ATallOfficeBuildingwithLowYieldingMetalDampers高層建筑消能減震Dampersontypicalfloor2ndfloor3rdfloor紅色線條表示阻尼器位置ATallOfficeBuildingwithLowYieldingMetalDampers高層建筑消能減震Inter-storyDriftoftheTallBuilding(層間位移角)X-directionY-directionATallOfficeBuildingwithLowYieldingMetalDampers高層建筑消能減震TypicalBehavioroftheMetalDamperon9thFloorunderElCentroWavewithMCElevelX-directionY-direction阻尼器在整個結構中的模擬還需要更精細化！ATallOfficeBuildingwithLowYieldingMetalDampers高層建筑消能減震阻尼器均采用鋼支撐的連接方式。與阻尼器連接的鋼支撐截面為Q345的H500x200x10x16、H500x200x16x16和H500x200x24x24工字鋼。本工程已于2012年12月建成。ATallOfficeBuildingwithLowYieldingMetalDampers高層建筑消能減震二、新型組合基礎隔震的機理與實用新技術滑動支座+橡膠支座雙重組合滑動支座+橡膠支座+阻尼器三重組合高層建筑消能減震

本技術不同于以前的單一隔震系統，它由橡膠支座與滑動支座構成組合基礎隔震系統。特點：滑動支座主要承受豎向荷載，橡膠支座主要承受地震作用，適用于高層建筑隔震。優點：隔震效果提高20%以上，造價可降低10%以上。2.1新型組合基礎隔震系統的振動臺試驗與分析振動臺模型試驗照片高層建筑消能減震

在滑動之前:滑移隔震器的恢復力特性在滑動過程中：為雙線性有庫侖阻尼器的滯回恢復力。

為滑動支座粘滯阻尼器的粘滯恢復力。+高層建筑消能減震理論計算值與試驗值對比（時程曲線及滯回曲線）高層建筑消能減震2.2在日本的工程應用：日本Hirakata高層建筑

（24層，2002年3月建成）目前在日本已有18個高層建筑工程應用，2011.3.11地震中經受了考驗，效果很好。高層建筑消能減震新聞中心巨型屋蓋空中餐廳2.3在重大工程的應用:

上海國際賽車場------新聞中心和空中餐廳,2004主看臺比賽控制塔新聞中心平面示意圖。(上海院設計整個工程，同濟減震設計)高層建筑消能減震2011年3.11日本大地震中屋蓋支座的破壞高層建筑消能減震一個柱頂上的支座布置

為解決溫度應力和大震下的結構安全問題，采用了組合隔震支座，用具有滑動功能的盆式支座承受豎向壓力，用橡膠支座進行復位和消能減震，以確保正常使用和大震時的結構安全（40個支座，2004年8月建成）。高層建筑消能減震上海某4層辦公、住宅框架結構組合隔震介紹1、工程概況：位于上海市郊，占地約2500m2，地下兩層，防潮層層高1.8m，可以兼做隔震層；地下室層高5.7米，地上兩層，層高為5.3m和4.7m，為鋼筋混凝土框架結構。結構外圍右側局部鄰水，水面比地下室低0.3m。主體平面布置如圖1所示，結構平面布置橫向縱向均不對稱，平面呈三折線形，結構質量與剛度分布不均勻，在地震作用下結構將產生較大的扭轉變形。高層建筑消能減震隔震結構計算模型9度降為7.5度：彈性滑板-120個；黏滯阻尼器-30個；橡膠支座-32個。組合基礎隔震系統恢復力模型高層建筑消能減震輸入SHW1、SHW2、SHW3時程記錄得到層間剪力情況9度中震激勵層號非隔震結構Q1（kN）隔震結構Q2（kN）Q2/Q1X向Y向X向Y向X向Y向1379614037511573115720.300.2922531826812627164390.250.2431694715642337835330.200.23464685645120712590.190.22減震系數最大值0.3，設計減震系數小于β=0.3/0.85=0.35；按抗震規程0.4<β<0.27，9度0.4g可降到0.2g；最后考慮到上海實際的設防情況，上部結構設計取0.15g。7.5度小震激勵層號非隔震結構Q1（kN）隔震結構Q2（kN）Q2/Q1X向Y向X向Y向X向Y向15219555147254761

0.910.8623481368724342501

0.700.68323302151119712250.510.5748897764224300.470.55小震下也有一定的減震效果高層建筑消能減震輸入SHW1、SHW2、SHW3時程記錄得到層間剪力情況9度大震激勵(平均值)層號9度隔震Q2/7.5度非隔震Q1隔震層位移（mm）X向Y向X向激勵Y向激勵10.540.50質心47147220.580.43右側角點47347530.550.42左側角點47047040.530.44設計位移取500mm按9度隔震設計的建筑除了在9度設防下有效果，在7.5度設防（大、中、小）震情況下也同樣具有隔震效果。高層建筑消能減震橡膠支座黏滯阻尼器與滑移支座隔震建筑外貌同濟團隊進行隔震設計和分析，江歡成設計事務所設計整個工程（2007-2012）高層建筑消能減震隨著橡膠等隔震材料性能的提高及相關技術與理論的成熟，基礎隔震技術的應用開始從中低層建筑向高層甚至超高層結構發展。Kanagawa，Japan41層Osaka，Japan54層Grozny，Russia40層2.4基礎隔震正在從低層向大型復雜和高層結構發展核心技術：組合隔震；抗拉支座高層建筑消能減震隔震結構振動臺試驗振動臺試驗是研究結構地震反應和破壞機理最直接的方法，也是研究與評價結構抗震性能的重要手段。目前針對隔震結構的振動臺試驗重要集中于中低層結構。由云南省地震局實施的玉溪公租房建設項目6號地塊B戶型模擬地震振動臺試驗是目前高度最大的有工程背景的基礎隔震高層結構振動臺試驗。該結構高89.9米，結構最大高寬比3.97，縮尺后模型高度7.19m。高層建筑消能減震試驗模型

試驗模型上部結構采用7層鋼框架，X向單跨布置，寬0.9m，Y向雙跨布置，總長2.1m。每層高0.9m，總高6.3m。X、Y向高寬比分別為5和3。結構總重約16.56t，直接與臺面固定模擬非隔震結構，通過6個橡膠支座（LRB）支撐模擬隔震結構。支座位置在Y向隔震后高寬比為3，在X向可通過移動位置實現隔震后高寬比為5和7。試驗重點研究高寬比為5和7時的隔震效果及抗傾覆措施。大高寬比橡膠支座（LRB）基礎隔震高層結構振動臺試驗（同濟大學團隊，2013---）高層建筑消能減震試驗支座試驗用支座選用G4普通鉛芯疊層橡膠支座，支座直徑為80mm，鉛芯直徑16mm。支座預制24件，并進行標準豎壓試驗（設計應力為8MPa）及剪切應變為50%和100%的剪切力學性能試驗，選取性能最為接近的12件支座作為試驗用支座，并每6件分為一組，當進行完X向高寬比為5的隔震結構試驗后為保證支座無性能退化和殘余變形，需更換支座完成X向高寬比為7的隔震結構試驗。橡膠層厚度tr/mm1.2鋼板總厚度/mm13.2橡膠層數12鉛芯直徑d/mm16橡膠層總厚度Tr/mm14.4保護層厚度/mm5鋼板厚度/mm1.2第一形狀系數S113.3鋼板層數11第二形狀系數S25.55表1試驗支座幾何參數Table1Geometricparametersoftestbearings高層建筑消能減震試驗概況非隔震結構H/B=5隔震結構H/B=7隔震結構數據采集各層加速度和位移反應、柱剪切應變、支座各向荷載與位移響應等數據。試驗內容地震激勵高層建筑消能減震試驗結果模態分析結構類型動力特性一階二階三階基礎固定頻率(Hz)3.743.924.71阻尼比(%)5.725.862.33振動形態X向平動Y向平動繞Z軸扭轉H/B=5頻率(Hz)1.391.822.11阻尼比(%)10.8210.240.47振動形態X向平動Y向平動繞Z軸扭轉H/B=7頻率(Hz)1.251.562.01阻尼比(%)12.1811.670.46振動形態X向平動Y向平動繞Z軸扭轉

FixedH/B=5H/B=7高層建筑消能減震加速度響應（designbasisearthquake）

TaftElCentroChi-Chi對于大高寬比高層結構，采用基礎隔震仍可有效減小結構加速度響應(減小到基礎固定時的24.6%~29.3%)，各激勵下加速度響應包絡值隨隔震后高寬比增大而增大。高層建筑消能減震支座動力響應(rareearthquakelevel,MCE)剪切應變

支座剪切應變隨高寬比增大略有增加，Chi-Chi地震作用下支座剪切應變超過100%。支座應力支座壓應力隨隔震后高寬比增大而增大，罕遇水準地震作用下支座出現拉應力，支座需可靠的受拉性能。TaftElCentroChi-Chi高層建筑消能減震TLRB性能特點1.抗拉2.限位保護3.恢復力補償4.預壓延遲受拉屈服，提高阻尼

技術特點1.安裝簡便2.彈簧剛度可調3.限位可調研發了具有抗拉功能新型隔震支座（TLRB）高層建筑消能減震性能試驗水平剛度特性

在拉剪狀態時，TLRB支座水平等效剪切剛度大于采用相同橡膠體的LRB支座。受拉極限LRB支座在拉應力達到2.3MPa左右受拉破壞，TLRB支座在達到受拉限位變形后仍可繼續承受拉力。equivalenthorizontalstiffness(undertension)Limitingtensileperformance高層建筑消能減震支座采用TLRB，按照與采用LRB相同方法進行振動臺試驗，其中TLRB支座所用疊層橡膠體與LRB支座幾何及力學參數完全相同。樓層加速度采用TLRB支座的基礎隔震高層結構加速度響應與LRB具有相同規律，且對應層加速度響應包絡值基本小于采用LRB，盡管出現拉應力，但遠小于支座抗拉設計值，高寬比到達7時也安全可靠。采用抗拉支座（TLRB）高層結構基礎隔震振動臺試驗H/B=3H/B=5H/B=7高層建筑消能減震支座剪切應變TLRB支座剪切應變小于同工況下LRB支座支座應力TLRB具有可靠的受拉承載能力高層建筑消能減震【竣工】2013年3月【事業主體】旭通４丁目地區市街地再開発組合（理事長新井東光）【所在地】兵庫県神戸市中央區【敷地面積】8,367.81㎡（全體）【延床面積】92,937.68㎡（住宅棟＋商業施設棟＋駐車場棟）【設計】環境再開発研究所?東急設計コンサルタント?織本構造設計【施工】株式會社大林組【構造?規模】RC造、一部鉄骨造（免震構造）?地上54階、地下1階【総戸數】640戸（非分譲46戸含む）【住戸専有面積】41.18㎡～119.81㎡（1LDK～3LDK）【売主】住友不動産株式會社CityTower神戸三宮（54F超高層隔震）日本馮德民提供高層建筑消能減震隔震層設計LRB滑板粘滯阻尼器高度：175.9m平面：39x42.7m高寬比：4.5隔震后結構周期日本馮德民提供高層建筑消能減震抗震設計目標日本馮德民提供高層建筑消能減震抗風（荷載）設計免震層順風方向：139.8mm免震層垂直風方向：39.7mm日本馮德民提供高層建筑消能減震三、

阻尼器連接相鄰建筑物進行振動控制的新技術以減少相鄰結構的破壞

特點是利用兩個結構自振特性的差異，通過阻尼器的連接形成藕聯體系，降低整個結構的動力反應。研究結果表明，用阻尼器所連接的兩個結構的地震反應可明顯降低（1998~2003）。工程實例表明，減震效果在36%以上。1995年阪神地震中過街樓倒塌實例高層建筑消能減震工程應用實例，2005上海世茂國際廣場60層超高層建筑(塔頂高333m)，10層裙房(高49.6m)。結構設計中碰到的問題裙房偏心特別嚴重，結構層間位移角很難滿足設計規范要求。初步設計時擬用鋼拉桿連接裙房與主樓。主樓鋼拉桿裙房華東院設計整個工程，同濟設計消能減震系統。高層建筑消能減震振動臺模型試驗中發現，主樓和裙房的振動很不協調，裙房扭轉效應顯著，在大震時原設計的鋼拉桿拉斷，或從混凝土梁上拉開撕裂，不能滿足大震時的抗震要求。TheapplicationofanewstructuralcontrolconceptfortallbuildingwithlargepodiumstructureXilinLu,et.al,EngineeringStructures29(2007)1833–1844高層建筑消能減震選擇油阻尼器代替原有鋼拉桿，以連接裙房與主樓，以減少裙房的地震扭轉反應和塔樓的風振反應。設計參數阻尼器數量:40個=0.15C=250最大阻尼力:500kN,600kN阻尼器安裝位置:裙房7樓到10樓（四個樓層）這是當時國際上使用阻尼器的規模最大的工程。阻尼器在現場安裝好的照片高層建筑消能減震

4.1伺服電機驅動

TMD控制系統(國家發明專利“發電機耗能可調諧質量阻尼器”，專利號：ZL02145115X)Thesystemiscomposedoftunedmass,tunedsprings,andtuneddamper

(usingservomotor).

MassRollerServomotorTrackSpring四、高層建筑結構TMD

控制系統研究及應用

高層建筑消能減震

裝有TMD裝置的3層鋼框架振動臺試驗試驗結果表明結構的地震反應可以顯著降低。控制裝置的阻尼和輸入地震波的頻譜對控制效果有明顯影響。根據試驗結構建立了分析模型，分析結果與試驗值符合較好，可以用來預測實際結構的反應。高層建筑消能減震HuangpuriverApplicationtoShanghaiWorldFinancialCenterTower(上海環球金融中心)高層建筑消能減震Floor902setsStories:101floorsHeight:492mLocationofthevibrationcontroldevices:394m(Floor90)Vibrationperiod:6.0s(Xdirection)

6.3s(Ydirection)

2.2s(Torsion)Dampingratio:1%(wind),4%(earthquake)（阻尼比）Movingmass:150t/set（運動質量）Amplitudeofmovingmass:

±1.1m（質量塊運動振幅）ShanghaiWorldFinancialCenter上海環球金融中心2008年5月30日安裝及調試全部完成高層建筑消能減震Damper1Damper2ＷＥＮＳＸＹDamperlocations阻尼器位置-90層VibrationcontrolusingATMDandsitemeasurementsontheShanghaiWorldFinancialCenterTower,(2014),XilinLu,etal,Struct.DesignTallSpec.Build.23,105–123高層建筑消能減震TendonFrameⅢXYtrussRollerscrewAC

ServomotorVibrationtransferjointPeriodadjustdeviceFrameⅠFrameⅡMovingmass150tOutlineofthevibrationcontroldevicebyMitsubishi,Japan(日本三菱生產)高層建筑消能減震Deviceadjustmentandinspectionphotosinconstructionsite,May1,2008(現場設備調試時的第3方監測)高層建筑消能減震無ATMD時90層Y方向加速度振動波形（dampingratio:0.422%）StructuralresponseattenuationwithTMDOFF(Ydirec.)TY=6.502sec.有ATMD時90層Y方向加速度振動波形（dampingration3.404%）StructuralresponseattenuationwithTMDON(Ydirec.)TY=6.502sec.ＷＥＮＳＸＹ高層建筑消能減震無ATMD時90層X方向加速度振動波形（dampingratio:0.459%）StructuralresponseattenuationwithTMDOFF(Xdirec.)TX=6.398sec.有ATMD時90層X方向加速度振動波形（dampingratio:3.865%）StructuralresponseattenuationwithTMDON(Xdirec.)TX=6.398sec.ＷＥＮＳＸＹ高層建筑消能減震

建筑高度---632m結構高度---575m結構體系---外圍巨型框架+外伸桁架+內部核心筒結構構件---外圍RC巨柱內配型鋼，RC核心筒內配型鋼。樓蓋體系---鋼梁+壓型鋼板混凝土樓板主要功能

辦公，酒店，商業，觀光等TMDdesignforwindresistanceofShanghaiTower(上海中心大廈TMD設計應用)高層建筑消能減震TMD位置示意圖（RWDI提供）124層TMD系統安裝空間115層(最高辦公層)110層(最高酒店層)頂部螺旋體舒適度準則:amax≤15cm/s2舒適度準則:amax≤10cm/s2懸掛質量TMD減振裝置，懸掛高度20m，調諧質量1400t高層建筑消能減震TMD系統參數(擴初階段)位置:124層標高:573.9m質量:1400t（主質量塊1200t，擺動框架200t）質量比:mx=my=1.72%剛度:kx=683.68kN/mky=692.93kN/m阻尼系數:cx=99.17kN·s/mcy=115.14kN·s/m單擺擺長:Lx=20.13mLy=19.86m（取20m）阻尼系統:8根液壓粘滯阻尼器阻尼器與樓面的夾角:45°

等效線性阻尼系數:Ceq=53.58kN·s/m

高層建筑消能減震結構風振時程響應加速度響應最大值(Y方向)脈動風回歸期樓層加速度響應最大值(cm/s2)無控TMD控制1年回歸期(梯度風速:25.8m/sec.)1156.52.71106.32.410年回歸期(梯度風速:36.3m/sec.)11511.46.211010.35.6高層建筑消能減震4.2TestofMagneticDampingSystem電渦流阻尼系統研究及應用TrussCableMassMagnetcDapmer(PermanentmagnetandCopperplate)ElevatinggearSenserActuatorMassFrequencyDampingRatio3tons2.5Hz0~30%SmallScaleModelTestByShanghaiResearchInstituteofMaterials,2012MiddleScaleModelTestMassFrequencyCableLength25tons0.105Hz21.5mByShanghaiResearchInstituteofMaterials,2012TestofMagneticDampingSystem電渦流阻尼系統結構模型+電渦流TMD的振動臺減震效果試驗5層框架模型+電渦流TMD驗證性試驗，輸入多組地震動振動臺試驗對比錄像高層建筑消能減震MagneticTMDinShanghaiTower上海中心應用電渦流阻尼系統減振精細分析TargetFrequency(FirstMode)0.111HzTMDFloor125Elevation578.2mTMDMass1000tonGeneralizedMassRatio0.96%FrequencyRatio99.3%LengthofCable20.6m(BasedonNominalFrequency)TuningRange95%to115%BasedonNominalFrequencyMagneticDampingForceFmagnetic=Cmagnetic*VCmagneticStructureProtectionDevicesFSVDD=CsnubberVDD*V0.2CsnubberVDD=1100kN/(m/s)0.2TMDParametersMagneticTMDinShanghaiTower上海中心應用電渦流阻尼系統減振精細分析DampingRatioofMagneticTMDCable126thFloor125thFloorCarveProtectionDevicesTMDRelativePositionTMDDampingRatio4.5%148%2m(MaxAllowable)0.35m+2m(PlateDiameter)0.35m

上海中心懸掛電渦流TMD計算審核

(經優化后TMD=1000t，懸掛在頂層)總體模型總體模型俯視圖TMD、限位環和護板模型局部放大高層建筑消能減震ABAQUS模型與SAP2000模型

圖1ABAQUS模型圖2SAP2000模型有限元分析模型（翻轉過來看底部）高層建筑消能減震上海中心懸掛電渦流TMD計算審核阻尼為位移的函數某條大震波作用下TMD和限位環之間撞擊力的大小TMD碰撞動畫高層建筑消能減震FullScaleSiteTestoftheTMDVibrationinShanghaiTower,July15,2015現場實體試驗錄像1000t質量快被拉動到初始位移為90cmFullScaleSiteTestoftheTMDVibrationinShanghaiTower,July15,2015現場實體試驗數據

Measured:

TMD:f1=0.1099Hz,dampingratio=0.072Mainstructure:fx1=0.1070Hz,fy1=0.1076Hz,dampingratio=0.01顆粒阻尼器的概念

是一種簡單而高效的被動控制裝置，利用固體顆粒與主體結構碰撞時引起的動量交換和能量耗散來減小系統的振動。目前主要使用在航空航天，機械工程領域（渦輪葉片，切削機床，火箭引擎渦輪系統等）。土木工程的應用不多：燈柱，高層，懸索橋塔。顆粒阻尼器的優缺點優點：耐久性好，可靠度高，對溫度變化不敏感，易于用在惡劣環境（比如真空，高溫，嚴寒，腐蝕性環境等）缺點：碰撞時產生噪音和沖擊力，非線性系統太復雜導致減振機理還沒完全搞清楚，尚無實用的設計方法。4.3顆粒阻尼器的研究及工程應用

高層建筑消能減震ParqueAraucano樓在2010年智利地震中表現良好，地上和地下結構均沒有任何破壞。采用顆粒阻尼器的實際工程及在強震中的表現高層建筑消能減震附加顆粒阻尼器的三層鋼框架振動臺試驗附加很小質量比（2.25%）的顆粒阻尼器能減小主體結構的響應，尤其是均方根響應，說明能耗散掉很大部分的地震波輸入能量。Shakingtabletestoftheeffectsofmulti-unitparticledampersattachedtoanMDOFsystemunderearthquakeexcitationZhengLu,XilinLu,etal,EarthquakeEngngStruct.Dyn.2012;41:987–1000高層建筑消能減震顆粒阻尼器結構控制特性：有控結構與無控結構在開始的一段時間內，響應重合，經過一定時間后，有控結構的響應才更快地衰減。這與調諧質量阻尼器類似，前期減振效果不理想，后期效果變好。其原因是顆粒與容器壁的碰撞的產生需要一定的時間，經過一定的碰撞后，顆粒阻尼器通過動量交換的方式，開始消耗地震波輸入的能量。Parametricstudiesoftheperformanceofparticledampersunderharmonicexcitation,Struct.ControlHealthMonit.2011;18:79–98,ZhengLu,SamiF.MasriandXilinLu高層建筑消能減震12N-1mN是顆粒與主體結構的碰撞力對于主體結構對于顆粒接觸力模型（線性）：運動方程：k2ω2c2ζ2iWall顆粒阻尼器系統的理論分析高層建筑消能減震計算值和試驗值對比：吻合良好參數研究：有效動量交換，碰撞和摩擦引起的系統能量耗散，任意顆粒速度的互相關函數是能有效揭示顆粒阻尼器最優工作性能的全局化的顯式指標。Studiesoftheperformanceofparticledampersattachedtoatwo-degrees-of-freedomsystemunderrandomexcitationZhengLu,SamiFMasriandXilinLu,JournalofVibrationandControl,17(10)1454–1471高層建筑消能減震當控制效應最好（系統響應最小）時，能量耗散值和動量交換值最大。(d)動量交換(b)響應的等高線(c)能量耗散(a)系統響應高層建筑消能減震附加顆粒調諧質量阻尼系統(PTMD)的氣彈風洞試驗(魯正博士主持試驗和分析,2015.6)模型選取：第三階段風振控制Benchmark模型，取自澳大利亞墨爾本建造

的76層306m高的鋼筋混凝土塔式結構。縮尺比：1/200，質量比1%。高層建筑消能減震風場類型0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°B類、C類、D類氣彈風洞試驗顆粒調諧質量阻尼器風攻角風速顆粒直徑質量比顆粒材料腔體顆粒質量比腔體尺寸腔體類型緩沖材料調諧頻率TMD對比3m/s,3.5m/s,4m/s4.5m/s,5m/s設計風壓50年一遇(kN/m2)100年一遇(kN/m2)臺東0.91.05三亞市0.851.05香港0.90.95廈門0.80.9深圳0.750.9大連0.650.75上海0.550.6北京0.450.5基本風壓(kN/m2)基本風速(m/s)風洞風速(m/s)0.5028.283.530.6532.254.030.8035.784.471.0040.005.00附加很小質量比（0.5%~1%），顆粒調諧質量阻尼系統（PTMD）能減小主體結構的風振響應，橫風向風振響應減振率為（30%~50%）。且隨著風速增加，減振效果變好。高層建筑消能減震橫風向加速度橫風向位移均方根減振效果隨質量比變化關系均方根減振效果隨風速變化關系高層建筑消能減震

整體上，顆粒數目的減少會降低阻尼器的減振效果。當無顆粒時，退化為同等質量的TMD，減振效果變差。附加PTMD(腔體顆粒質量比0.0625)與附加TMD時程對比高層建筑消能減震

附加TMD減振效果附加PTMD減振效果TMD和PTMD在一定條件下均有良好的減振效果，TMD的減振效果隨風攻角的變化會產生較大波動，而PTMD在不同角度下均有良好的減振效果，減振效果較TMD優且穩定。非調諧狀態下（失調+15%），PTMD也具有良好的減振控制效果（30%）。魯正，王佃超，呂西林，顆粒調諧質量阻尼器系統對高層建筑風振控制的試驗研究，建筑結構學報，36(11),2015.11高層建筑消能減震非線性能量阱(NES)的概念

NES是一種非線性的被動控制裝置，利用其附加質量的非線性恢復力-位移關系將能量從低階模態傳遞至高階模態，提高能量耗散效率減小系統的振動。最早用于抑制航空技術中氣彈材料的振動和去除聲學系統中的噪音。近年來，針對