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結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)?液體粘滯阻尼器在體育場館上的應(yīng)用 |
來源：場館網(wǎng) 作者：Administrator 時間：2005-03-16 |
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內(nèi)容提要：
作為二十世紀(jì)結(jié)構(gòu)工程界最偉大的科技成果之一 ?結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng)，特別是早已在其他領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用的液體粘滯耗能阻尼器，在近十幾年來，在我們結(jié)構(gòu)工程中的發(fā)展非常迅速，超出了我們的想象。已經(jīng)有十個以上的體育場館，其中6個大型體育場館應(yīng)用了這一先進(jìn)技術(shù)。這一保護(hù)措施大大的提高了結(jié)構(gòu)的抗震和抗風(fēng)的能力， 還為有的工程，與傳統(tǒng)的設(shè)計辦法相比節(jié)省了大量資金。 數(shù)以百計的結(jié)構(gòu)工程實例，特別是世界重大橋梁，建筑工程事例已經(jīng)給我們工程領(lǐng)域的發(fā)展開辟了一個新的天地，帶來了質(zhì)的飛躍。墨西哥和美國加州大量設(shè)置了阻尼器的建筑和橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)受了實際地震的檢驗，給人類能在地球上安全的生活帶來了希望。美國西雅圖棒球場可開啟屋頂?shù)慕ㄖo了我們一個完整的示例，希臘2004年奧林匹克體育館 ? 和平與友誼體育館將在奧運會時天天展示在我們的電視機中。本文將重點介紹液體粘滯阻尼器在體育場館上的工程應(yīng)用和前景。
一、阻尼器的發(fā)展過程簡介
大家知道，使自由振動衰減的各種摩擦和其他阻礙作用，我們稱之為阻尼。而安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的“特殊”構(gòu)件可以提供運動的阻力，耗減運動能量的裝置，我們稱為阻尼器。
利用阻尼來吸能減震不是什么新技術(shù)，在航天、航空、軍工、槍炮、汽車等行業(yè)中早已應(yīng)用各種各樣的阻尼器(或減震器)來減振消能。從二十世紀(jì)七十年代后，人們開始逐步地把這些技術(shù)轉(zhuǎn)用到建筑、橋梁、鐵路等結(jié)構(gòu)工程中，其發(fā)展十分迅速。特別是有五十多年歷史的液壓粘滯阻尼器， 在美國被結(jié)構(gòu)工程界接受以前，經(jīng)歷了一個大量實驗，嚴(yán)格審查，反復(fù)論證，特別是地震考驗的漫長過程。下面的流程1中示的過程，就概括了它在美國的發(fā)展過程：
?在航天、航空、軍工、機械等行業(yè)中廣泛應(yīng)用，幾十年成功應(yīng)用的歷史
?上世紀(jì)80年代開始在美國東西兩個地震研究中心等單位作了大量試驗研究， 發(fā)表了幾十篇有關(guān)論文
?90年代，美國國家科學(xué)基金會和土木工程學(xué)會等單位組織了兩次大型聯(lián)合，由第三者作出的對比試驗，給出了權(quán)威性的試驗報告，供教授和工程師們參考
?在肯定以上成果的基礎(chǔ)上被幾乎各有關(guān)機構(gòu)，規(guī)范審查，肯定并規(guī)定了應(yīng)用辦法
?管理部門通過，帶來了上百個結(jié)構(gòu)工程實際應(yīng)用。 這些結(jié)構(gòu)工程，成功地經(jīng)歷了地震、大風(fēng)等災(zāi)害考驗，十分成功。
了解和研究美國液壓粘滯阻尼器的這一發(fā)展過程， 也應(yīng)該就是世界液壓粘滯阻尼器的發(fā)展過程，對我國地震工程的發(fā)展是十分有意義的。學(xué)習(xí)和了解這些經(jīng)驗，能幫助我國盡快趕上世界先進(jìn)水平。這里，我們主要是想介紹液壓粘滯阻尼器在體育場館上的應(yīng)用。
二．體育場館上的特點和應(yīng)用
大型體育場館的建筑都是公眾使用的重要建筑。我們必須要考慮在地震荷載的作用下，特別是在難于預(yù)測的超值地震的作用下的安全；要考慮能在這種高屋頂空間結(jié)構(gòu)起設(shè)計主導(dǎo)作用的大風(fēng)中屹立。 在這些考慮中， 阻尼器可以起到重要的作用。
我們知道，大型體育場館的建筑結(jié)構(gòu)和一般的建筑結(jié)構(gòu)不同。絕大多數(shù)大型體育場館是大跨度的空間結(jié)構(gòu)： 如座落在柱子上的網(wǎng)架屋頂， 懸掛屋頂； 大型門式剛架。 雖然使用阻尼器的基本原理一樣，但在具體安放上，可能是和我們常見的建筑結(jié)構(gòu)阻尼器的安放上是完全不同的。這里我們根據(jù)現(xiàn)在完成的工程和阻尼器的安放原理說明在大型體育場館上可能的幾個安放部位。
1．大型屋蓋和柱頭間的連接。屋蓋和柱頭的連接，可能是鉸接，也可能是允許自由滑動的支座。這一部位安放阻尼器不僅可以增加整體結(jié)構(gòu)的阻尼，又可以大大的限制屋蓋和柱子間的相對位移。 對大風(fēng)和地震都可以起到很好的減震作用。
當(dāng)然，支座如果是用基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)。阻尼器就更加重要。希臘2004年奧林匹克體育館 ? 和平與友誼體育館就是這種安置的最好案例。
2．三鉸接門式剛架的上部鉸接處。為了考慮屋蓋部分的可能溫度變形。上部鉸接處可能并不設(shè)在屋頂當(dāng)中，而是設(shè)在屋蓋部分和柱子的鉸接處。美國西雅圖棒球場可開啟剛架就是采用這種結(jié)構(gòu) 這一連接處，允許溫度等荷載作用下的緩慢變形， 在大風(fēng)和地震時，也就是可能的最大 變形處。安置阻尼器的效果應(yīng)該是最理想的。
3．大型屋蓋中。在大型屋蓋上，可能最大的位移或變形處，用阻尼器取代原來的一些超靜定多余桿，或另加阻尼器的辦法，會加大屋蓋的阻尼比，減少其地震力和地震反應(yīng)。
4．雙排柱間。和普通結(jié)構(gòu)一樣。在雙排柱間或門架柱間設(shè)置阻尼器，增加結(jié)構(gòu)阻尼比，增加抗震能力。當(dāng)然也可以側(cè)向使用，增加結(jié)構(gòu)側(cè)向抗震能力。
5．開啟屋面的運動終止處：現(xiàn)代體育場館建筑設(shè)計中要求我們的可移動，可開啟的移動過程也要求我們盡力減少運動中的機械和碰撞振動
6．屋面安置的TMD垂直減震系統(tǒng)。 對于垂直震動可能為第一振型主導(dǎo)作用的大型屋面。安置垂直使用的TMD垂直減震系統(tǒng)會十分有效。
7．為防止看臺突發(fā)性擾動帶來的看臺的垂直震動的TMD 系統(tǒng)。芝加哥戰(zhàn)士體育場新建工程使用了這種TMD系統(tǒng)十分有效。
實際上，我們的體育館建筑是多種多樣的。我們可能應(yīng)用的阻尼器的安置辦法也是可能千變?nèi)f化的。只要我掌握阻尼器的基本原理，不斷試驗，創(chuàng)新，就可能提出建設(shè)性的好方案。當(dāng)然，我們更強調(diào)的是阻尼器的質(zhì)量。沒有阻尼器質(zhì)量的保證，沒有嚴(yán)格的規(guī)范管理和質(zhì)量監(jiān)督，盲目使用低質(zhì)量的阻尼器，不僅起不到減震作用，有時還是很危險的。
下面我們介紹一下美國西雅圖可開啟式棒球館、希臘2004年奧林匹克體育館 ? 和平與友誼體育館、有名的芝加哥橄欖球場等工程。這里面包括新建的體育場館，也包括翻新改造，抗震升級和加固的原有體育場館。
三，西雅圖可開啟式棒球場
在體育場館運用 Taylor 公司液壓粘滯阻尼器的實例中，最有意義，最杰出的作品要算西雅圖棒球場。 我們重點介紹一下該工程。。
于1999年竣工交付使用的這一建筑工程，整個屋頂面積為 192m x 200m， 屋頂高度為64米。 由三部分屋頂塊組成的最后屋頂，可以按建筑功能的需要開啟和關(guān)閉。全部屋頂?shù)闹亓繛橐蝗f噸重。支托屋頂?shù)膭偧埽且粋�不對稱三餃拱剛架。這個龐然大物屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)座落在美國太平洋沿岸地震帶的北部城市西雅圖。屬于美國 Zone 4 地震區(qū)。該建筑又要經(jīng)受太平洋沿岸的大風(fēng)。設(shè)計中要求這一萬噸重的屋頂在地震和大風(fēng)，以及開啟屋蓋時運動中的安全，最小的運動碰撞的需要。下決心使用液壓粘滯阻尼器，選擇阻尼器的位置、數(shù)量、計算大小都是需要精心考慮和設(shè)計的。
按建筑功能的考慮，整個主體結(jié)構(gòu)是兩邊支持高度不同，柱子高度不同的門式鋼架。高起的部分為四品三節(jié)間。低下的部分為四品二節(jié)間， 設(shè)在建筑的兩端。在移動開啟時，低下的一部分移動到高起部分下并和高跨門架一起移開賽場位置。形成了開敞的部分。設(shè)計中的主要考慮是地震和大風(fēng)中的橫向受力和變形。為了允許可能的溫度及其他荷載引起的慢速位移，該門架上部為鉸接點。這點就會產(chǎn)生最大的可能位移，阻尼器設(shè)置在門架的柱子和屋頂部分的連接處去減少這一位移是合理的。對于中間位置的高起的這四品門架，設(shè)在高起的外側(cè)連接處。考慮到結(jié)構(gòu)上連接點的距離，設(shè)計者設(shè)計了四個世界上最大的7米長的阻尼器。這四個阻尼器的單個受力能力，要求達(dá)到500噸，每個重量4.5噸。允許運動沖程375mm。建筑師還給阻尼器的尺寸提出了特殊嚴(yán)格要求：不允許直徑有25％以上的變化。為了防止西雅圖海鷗糞便的污染、腐蝕， 這里制造的阻尼器都要經(jīng)過特殊的防銹化學(xué)處理，使材料的防銹能力比普通不銹鋼還要高出許多。
在四個低跨門架上，阻尼器被安置在屋頂絎架和柱子的連接處。也是低跨門架最大的可能位移處。4個同樣承受能力和沖程但不同長短的液壓粘滯阻尼器被設(shè)置在這里。
加上以上阻尼器后，和常規(guī)設(shè)計相比，結(jié)構(gòu)節(jié)省了四百二十萬美圓。是設(shè)計人員和泰勒公司共同完成的一個杰作。
為了減少屋頂在開啟和關(guān)閉過程中的碰撞帶來的晃動，在門架運動的可能碰撞點都設(shè)置了Taylor公司減振阻尼器，共有36個。這些阻尼器對減少機械運動帶來的碰撞起了很大作用。
阻尼器的質(zhì)量，特別是耐久性，是致關(guān)重要的。特別是在結(jié)構(gòu)上起重大作用的阻尼器。總有人希望了解它的可靠性。 無論從實用和研究的角度，作使用中的在線無損監(jiān)測都是很有意義的。美國西雅圖在SAFECO棒球場作的阻尼器這一長期工作十分有意義。我們在這里介紹一下所有這些阻尼器都經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗。均能達(dá)到設(shè)計的質(zhì)量保證要求。然而，業(yè)主和有關(guān)設(shè)計人員為了能更好的監(jiān)測所安置的阻尼器系統(tǒng)。設(shè)計并使用了在線無損檢測。在所有8個阻尼器的部位都安置了位移和應(yīng)變傳感器，在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部位，安置了加速度計量計。
SAFECO工程采用的是美國DATAQ INSTRUMENTS 公司的信號采集系統(tǒng)。他們將阻尼器上傳感器上采集的信號傳給DI-75B采集裝置，DI-75B 中內(nèi)設(shè) 5B類型信號條件模塊，將信號放大并與不相關(guān)信號分離。DI-75B和一個無線傳遞信號的DI-720 裝置相連，將信號通過無線電傳送到總控制室。以上DI-75B和DI-720均設(shè)置在現(xiàn)場的控制盤內(nèi)。
總控制室可以設(shè)在該工程的任何部位。為了更好的觀察，監(jiān)測和對比這一安裝了阻尼器工程的結(jié)構(gòu)反應(yīng)在線數(shù)據(jù)，特別是在西雅圖大風(fēng)下的反應(yīng)，在總控制室還安設(shè)了加速度計，風(fēng)速計和風(fēng)向計。所以這些信號和現(xiàn)場三個盤的信號一起，通過一個以太網(wǎng)絡(luò)送進(jìn)中心計算機進(jìn)行分析。分析的軟件是DATAQ INSTRUMENTS 公司提供的：WinDaq Pro 。 以上過程示在下框圖（圖12）內(nèi)：
整個監(jiān)測系統(tǒng)是每天24小時在線監(jiān)測。每個控制盤和總控制室內(nèi)都設(shè)有5個小時的UPS 斷電保護(hù)器。從監(jiān)測系統(tǒng)的計算機就很容易判斷結(jié)構(gòu)和阻尼器是否出現(xiàn)異常，發(fā)生問題。值得一提的是，位于太平洋板塊附近的西雅圖也是地震高發(fā)區(qū)。在1999年安置了阻尼器后，已經(jīng)經(jīng)歷了多次中小地震。也采集了很多地震記錄。
在這些地震和大風(fēng)中，該結(jié)構(gòu)和它的阻尼器一起都經(jīng)歷了考驗，完好無損。
西雅圖棒球場是個5億美元的工程項目。在使用了阻尼器以后，使承受地震力和風(fēng)荷載的能力大增，從而節(jié)省了420萬美元的開支。這是一個典型的使用效益和經(jīng)濟(jì)雙向收益的工程項目。
Taylor 公司現(xiàn)在已經(jīng)完成的已有10個不同的體育場館建筑），其中兩個都是可開啟的。對于地震區(qū)，在新建體育場館中占有很大的比例。 圖 14示出的是美國休士頓可開啟式棒球場。
3. 希臘和平與友誼2004年奧運會主賽館
計劃在2003年完工的希臘和平與友誼體育館，是一個抗震升級，翻新，加固工程。在馬鞍型屋頂和柱子之間設(shè)置了128個泰勒液體粘滯阻尼器，用來吸收地震能量。大大的減少了地震情況下屋頂?shù)南鄬ξ灰坪椭拥氖芰Α? 它將作為2004 Olympics 運動會的主賽館。 從而顯示了20世紀(jì)末期我們結(jié)構(gòu)工程師的最新科研成果。
4． 芝加哥戰(zhàn)士體育場看臺TMD系統(tǒng)
在歷時兩年，著名的芝加哥戰(zhàn)士體育場看臺上，人們首次安置TMD減振系統(tǒng)來控制看臺上觀眾移動和突發(fā)性擾動所可能帶來的振動，甚至倒塌。36個泰勒液體粘滯阻尼器，配合TMD系統(tǒng)設(shè)置在這里。大大的減少了這一振動和支持受力
五 結(jié)論
結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)在我們土木工程中的應(yīng)用，是上個世紀(jì)末我們?nèi)祟愒诳拐稹⒖癸L(fēng)、抗振動設(shè)計中最重要的成果之一。在我國大興土木之時，特別在為2008奧林匹克體育場館規(guī)劃設(shè)計之時，學(xué)習(xí)世界先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用到我們的工程中是十分重要的。這項新技術(shù)：
?可以在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，大大提高我們結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)、抗振動的能力。
?可以大大加強對我們所預(yù)計不到的地震等振動破壞的抵抗能力。
?可以節(jié)省我們的建設(shè)費用。
?學(xué)習(xí)和使用世界最先進(jìn)的技術(shù)，對我國未來土木工程的發(fā)展有不可估量的意義。
REFERENCES
[1] T.T. Soong, G.F. Dargush: Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, John Weley & Sons.
[2] M.C. Constantinou, T.T. Soong, G.F. Dargus: Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering, Monograph Series, MCEER
[3] Douglas P. Taylor, History, Design, and Applications of Fluid Dampers in Structural Engineering.
[4] Douglas P. Taylor, Seismic Damper Installation at the New Pacific Northwest Baseball Park
[5] 結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)--液體粘滯阻尼器在結(jié)構(gòu)工程上的測試，設(shè)計和應(yīng)用的發(fā)展
陳永祁 地震工程博士， 高級工程師
美國藍(lán)湖國際工程咨詢公司總裁
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