用于高层建筑的动态振动阻尼系统的制作方法

发明领域

本发明涉及用于动态衰减振动的系统的领域，特别是在建筑物中的应用。

现有技术

如现有技术中已知的，调谐质量阻尼器(tmd)，其在图1中用附图标记100示意性地示出，并且其动力学方案在图2中示出，是减少结构体(structuralmass)(如建筑物)的振动的有效解决方案，该结构体的振动由具有相关能量含量的力以总体质量系统(globalmasssystem)的共振频率激励。tmd由辅助质量块(secondarymass)组成，具有精确的刚度，以将tmd固有频率调节到振动初级系统的临界共振频率。以这种方式，通过与有效的结构阻尼源同等的效果，在初级固有频率下具有两个自由度的总体质量系统的频率响应相对于振动初级系统的独立响应被降低。然而，这种效果实际上是由辅助质量块的惯性作用产生的，辅助质量块以与振动初级系统相反的相位振动。tmd最重要的应用之一是用于衰减风在高层建筑中引起的振动。特别地，tmd在解决舒适性问题方面有效，这是因为在每周或每月的风的作用下以及非常长的恢复周期内，加速度峰值很大。世界上有数座建筑都在其建筑物的顶部安装了重达数百吨的重物，使建筑加速度降低了高达60％。这种系统的一个主要缺点是它的大尺寸占据了建筑物的顶部的很大一部分，而该占据的部分通常是在商业上非常有价值和买家感兴趣的空间。

另一个缺点是，如果阻尼系统的目标频率稍有偏失，则该系统的校准对于避免更差的性能是至关重要的。

发明概述

因此，本发明的主要目的是提供一种用于高层建筑的振动阻尼系统，其需要更少的资本投资，具有更可持续的质量分布，并且占据更少的空间。这些和其他目的是通过一种动态振动阻尼系统来实现的，该动态振动阻尼系统用于具有高度大于100m的建筑物，根据权利要求1，该动态振动阻尼系统包括多个阻尼单元，该多个阻尼单元适于插入位于所述建筑物的一个或更多个立面或一个或更多个平板(slab)、或一个或更多个隔墙、或其组合中的相应的壳体中，该多个阻尼单元中的每一个都包括：摆动质量块，当建筑物振动时，该摆动质量块适于在平行于建筑物立面或建筑物平板或隔墙的相应的摆动平面上沿相反的方向水平运动；一个或更多个水平弹簧，其固定到摆动质量块，以吸收由摆动质量块的运动而产生的能量；一个或更多个阻尼器，其固定到摆动质量块，以能够衰减摆动质量块的运动。

因此，根据本发明的解决方案使用大量的小摆动质量块，这些小摆动质量块分布在建筑物立面上或其平板中的选定位置处，非常有利地分布在包括浮动地板的平板中，或分布在隔墙中，或分布在它们的组合中，而不是使用非常有限数量的振动吸收质量块，如图1所示，以一个或两个的量级放置在建筑物的顶部内，从而占据了用于建造公寓或顶层公寓的宝贵空间。当摆动质量块位于立面单元中时，它们优选位于建筑物的较高楼层，并占据建筑物总立面表面的大约三分之一。当摆动质量块位于浮动地板中时，它们优选水平地位于浮动地板之下。

以这种方式，当施加扰动力时，对应于摆动质量块之和的全部辅助质量块足以实现显著降低高层建筑物的加速度。在最有前景的配置之一中，每个立面单元中的每个摆动质量块的重量包括在75kg至大约270kg或甚至高达300kg的范围内，以便使动态振动阻尼阻尼器系统的累积质量等于建筑物重量的大约0.1-0.2％。包括弹簧、阻尼器和摆动质量块的各个阻尼单元有利地容纳在相应的立面单元的拱肩区域(spandrelarea)中，该区域通常是立面的不透明区域。作为立面，通常理解为建筑物的竖直周向壁的面向建筑物外部的一面和面向建筑物内部的一面两者。阻尼单元也可以完全集成在专门用于窗户的立面区域中，从而有助于给建筑物提供独特的美学外观，如果摆动质量块具有特定的设计，或者可选地摆动质量块可以部分分布在建筑物的拱肩区域和视觉区域中，这取决于设计选择。

立面集成动态振动阻尼系统的潜力很大程度上取决于具体的应用，并且在建筑设计确定后，应进行适当的校准。

对现有建筑物进行的灵敏度分析表明，如果还考虑到建筑成本和来自额外的可用租赁面积的收入，根据本发明的集成在立面中的动态振动阻尼系统可以比已知的tmd系统更有利可图，因为动态振动阻尼系统相对于已知技术的tmd的优势在于，对应于顶部3-4层的建筑物的宝贵租赁面积没有被浪费。

然而，为了获得足以产生调谐质量阻尼器效果的总质量，具有较小功效的较低楼层也必须使用，并且由于较小的形状参数(即参与参数，由建筑物任何高度处的模态位移与建筑物顶部处的模态位移之比的平方计算)而导致功效上的损失。在建筑物顶部以下的楼层，形状函数低于1，并且随着楼层降低而更小，而建筑物顶部的位置形状参数总是1，因为建筑顶部的位移最大。

在不脱离所要求保护的发明的范围的情况下，摆动质量块可以被置于集成在建筑物中并且适于容纳它们的其他部分中。

附图简述

通过参考附图，本发明的进一步方面和优点将从本发明的优选实施例的以下的详细描述中变得明显，其中：

图1示出了用于现有技术的建筑物的阻尼系统的方案，图2示出了图1的动态阻尼系统的示意性动力学表示，

图3a示出了位于立面中的本发明的动态振动阻尼系统的细节的示意性前视图，

图3b示出了位于建筑物的平板中的本发明的动态振动阻尼系统的细节的示意性截面图；

图3c示出了位于隔墙内部的本发明的动态振动阻尼系统的细节的示意性轴测图；

图4示出了属于本发明的动态振动阻尼系统的阻尼单元的示意性前视图，

图5示出了属于本发明的动态振动阻尼系统的阻尼单元的示意性纵向截面，

图6示出了建筑物的立面单元的拱肩区域的横截面，该拱肩区域用于属于本发明的动态振动阻尼系统的阻尼单元，

图7中的a、b、c示出了属于本发明的动态振动阻尼系统的阻尼单元的三种变型，

图8示出了用于计算本发明的动态振动阻尼系统的建筑地板的方案，

图9示出了具有用于计算的分布风力和压力的时程(timehistory)的示例的图表，以及表示采用的舒适标准的图表，图10的a、b、c、d示出了没有阻尼系统和具有阻尼系统的不同高层建筑物的方案，以用于比较计算，

图11示出了关于在图10的建筑物中的已知tmd的加速度百分比降低相对于质量比的曲线图，

图12示出了关于在图10的建筑物中的本发明的动态振动阻尼系统的加速度百分比降低相对于立面单元质量的曲线图，

图13示出了关于在根据本发明的动态阻尼器系统和已知的tmd之间的加速度百分比降低的曲线图，图14示出了当目标是加速度降低25％时，关于四种不同类型的建筑的已知的tmd系统的估计利润相对于立面集成mtmd的估计利润且相对于建筑物高度的曲线图。图15示出了当目标是加速度降低40％时，关于四种不同类型的建筑的已知的tmd系统的估计利润相对于本发明的立面集成动态系统的估计利润且相对于建筑物高度的曲线图，

图16示出了当目标是加速度降低50％时，关于四种不同类型的建筑的已知的tmd系统的估计利润相对于本发明的立面集成动态振动阻尼系统的估计利润且相对于建筑物高度的曲线图，

图17示出了与建筑物的顶部加速度的功率谱密度相关的曲线图，所述建筑物涉及基本建筑物和用本发明的立面集成动态振动阻尼系统(仅在建筑物的第一固有频率下工作)增强的建筑物，

图18示出了与建筑物的顶部加速度的功率谱密度相关的曲线图，所述建筑物涉及基本建筑物(黑色)和用本发明的立面集成动态振动阻尼系统(在建筑物的前两个固有频率下工作)增强的建筑物；

图19示出了属于本发明的动态振动阻尼系统的阻尼单元的前视图；

图20、图21、图22示出了图19的阻尼单元在三个竖直平面a-a、b-b、c-c处的三个截面。

本发明的优选实施例的描述

通过阅读下文对根据本发明的动态振动阻尼装置的优选实施例的描述，将更好地理解本发明。

参考图3a和图4，示意性地示出了具有四个立面单元10的建筑物立面的一部分，每个立面单元10具有属于本发明的动态振动阻尼系统的相应的阻尼单元，每个相应的阻尼单元集成在一个立面单元10中，并且包括钢框架1、由钢或重混凝土块制成的摆动质量块2、通常为四个的水平弹簧3、已知类型的四个水平阻尼器4和两个轨道5或者滑动导向件，轨道5或者滑动导向件允许摆动质量块2相对于框架在两个相对的方向上水平相对平移。

阻尼单元的宽度l由竖框之间的距离决定，并取决于每个项目。阻尼单元的高度h由上横梁(transom)和中间横梁之间的距离决定，并取决于每个项目。阻尼单元优选地集成在立面单元幕墙7中，并且优选地放置在拱肩区域中，以便不干扰幕墙的视觉外观。在拱肩区域，阻尼单元被放置在例如拱肩玻璃8和隔热板6(如果提供的话)的后面，在幕墙的内部，以便维护操作或改进时从内部容易地接近。阻尼单元有利地通过铝板9从内侧覆盖，在维护/改进阻尼装置的情况下，铝板9可以打开。幕墙的宽度l足够大以适应摆动质量块2的运动。隔热单元8和铝板9之间的拱肩区域的高度h和拱肩区域中的间隙d足以容纳装置的质量块和轨道系统，摆动质量块2可沿着轨道系统运动。

在本发明的另一个实施例中，如图6的水平横截面所示，为了将动态振动阻尼系统的阻尼单元集成在立面拱肩区域中，尺寸为大约1500mm的宽度l和大约70mm的深度，并且这些尺寸还允许设计适当厚度的拱肩板以保持立面的隔热和隔音性能。关于拱肩的高度h，一般在700mm到1000mm以上的范围内，特别取决于具体的耐火要求。考虑到必要机构的公差和预形成运动所需的公差，用于容纳摆动质量块2的体积需要是大约500mm×700mm×60mm(宽×高×深)。当使用钢制造摆动质量块2时，这允许动态振动阻尼系统的每个单元中的最大质量大约重160kg，并且横向位移大约为±500mm。然而，这些设计限制可以通过使用3000mm宽的双立面单元来克服。以这种方式，例如，摆动质量块可用的最大位移可以在±500mm甚至更大的范围内，而单元摆动质量块的重量几乎可以加倍。即使为了达到任何项目应用的特定需求，立面设计者可以进行其他调整，但在以下优选实施例的描述中，设想单元摆动质量块2的最大极限值为300kg，更有利地为270kg。这一极限值源于实际考虑以及由于大的立面恒载(deadload)对立面单元和平板设计可能产生的问题。

在图7中，显示了可用作摆动阻尼单元的不同形状的机构：旋转质量块、由线性弹簧驱动的平移质量块、由聚合物或弹性体的剪切变形驱动的平移质量块。

阻尼单元的详细描述

我们现在描述阻尼单元的特别有利的实施例，该阻尼单元是本发明的阻尼系统的一部分。

特别参考图19，形成多重调谐质量阻尼器(mtmd)系统的阻尼单元具有由10×80mm轧制钢板组成的周边框架1。周边框架用螺钉固定在立面竖框和横梁上。下横梁还为质量块的自重提供了额外的支撑。钢的重量，形成250kg的标称质量，是由基本钢铸造摆动质量块2得到的，其形状如图20所示。

图中铸造件的净重约为200kg。通过填充摆动质量块2竖直横截面顶部可见的凹部，可以增加额外的重量。最佳重量约为270kg，并且可为调谐选项提供8％的益处。

摆动质量块2在底部由两个滚柱轴承501支撑，滚柱轴承允许摆动质量块以最小的摩擦滑动，例如名义摩擦系数为0.001。此外，在顶部提供滚柱轴承501，也减少摩擦并在相对于轨道方向的横向偏离的情况下横向引导摆动质量块2，并且用不锈钢延伸板(stainlesssteelrunningboard)502滚制成铝辊(aluminiumroll)。导向件504上的底部导向滚柱轴承503也被设计成在运输过程中承受钢摆动质量块2的重量，因为阻尼单元将被水平运输到现场，然后被竖直提升到位。轨道505用作由挤压铝制成的凸轮从动件。

因此，重量最初地被设计为在运输和提升过程中锁定到位，并在面板最终安装到建筑物周边后释放。

刚度和阻尼系统由初始长度约为1150mm的两根预应力减震绳301提供。在这个长度上，减震绳最初可以被预加应力到这样的水平，即使当质量块已经运动到其位移极限时，也允许减震绳保持一定程度的预张力，确保绳不会下垂并产生阻碍的可能性。在它们的中间位置，两根减震绳通过铝或尼龙泪珠形套管端(aluminiumornylontearshapedthimbleends)和钩环端连接器(carabinerendconnectors)11在摆动质量块2顶部固定在阻尼单元的相对侧，以便在必要时快速安装和更换。另一端固定在摆动质量块2的底部，假定穿过导辊(rollerguide)12，中间位置长度约为1550mm，其永久性应变约为35％。初始长度设计为不会在弦上沿质量块的任何可能位置出现任何松弛。任一方向的最大摆动距离约为400mm，使得最大绳应变约为70％，低于绳的最大操作应变极限值90％。特征13是减震绳导管和端部止动件。

通过这种设计，借助于下部和上部铰接通道14、15，从而提供快速接近所有关键部件，尤其是滚柱轴承。

本设计中的一些主要部件具有以下优选但非排他的尺寸和材料：

减震绳301的直径为6.5mm，并且由bssp170-171、bs3f-70:1991的重型芳纶编结弹性材料制成，最大延伸能力：105％，75％，最大延伸：130n，最小：100n。

连接器11是铝或尼龙泪珠形套管，双缠绕加钩环端连接器。

导向件12是减震绳尼龙导辊。

滚柱轴承501直径为19mm，m8螺栓凸轮从动件滚轮轴承。

周边框架1是10×80mm的钢板。

延伸板502是不锈钢挤压铝辊。

对于本领域技术人员来说明显的是，通过简单地考虑重力的不同方向，所描述的用于插入建筑物立面的壳体中的阻尼单元的这种实施例可以容易地适用于平板或隔墙。

本发明的多重调谐质量阻尼器(mtmd)的应用实例

本发明的动态振动阻尼系统是针对由54层的建筑物构成的应用实例来计算的，该建筑物具有由混凝土制成的结构框架。建筑物的方形截面如图8所示，由五个分割间(bay)组成，每个分割间跨度为9米。每层楼的高度是4米。

从1楼到18楼，建筑物的柱子横截面为1m乘1m，从19楼到36楼，横截面为0.85m×0.85m，而从37楼到54楼，横截面为0.75m×0.75m。梁的截面均为1.2m×0.3m，并且0.3m厚的芯位于横截面的中央分割间。该建筑物的总结构质量约为62450吨。

建立了该建筑物的二维fem模型，给出了前两个固有频率是0.23hz和0.81hz。假设该结构的阻尼比为1％。

当受到由冯卡门谱(vonkarmanspectrum)而产生的10分钟风压样本(速度平均值为27.7m/s，并且标准偏差为3.89m/s)的激励时，建筑物顶部的加速度的时程在第一固有频率处的rms为6.88mg，在第二峰值处的rms为4.36mg，总rms(全加速度响应)为9.49mg。根据iso6897(irwin)的舒适度标准，建议将第一频率的rms限制在4.8mg，并且将第二共振分量的rms限制在2.9mg。

根据辅助系统的刚度和阻尼，使用denhartog公式对tmd进行校准，图11可以看出对于图10c的建筑物应用在图9的风的时程下第一模型的最后一层rms加速度降低相对于质量比。该结果与世界上数个安装了tmd的建筑物的性能一致，表明最佳应用范围是通过将tmd应用为建筑物结构质量的1％左右(第一振动模型的模态质量的2.5％至3％)来给出的。

通过在建筑物的最后顶部18层应用本发明的动态振动阻尼系统，对应于大约1/3的高度，并考虑1.5m×4m的立面模块，建筑物的方形楼层截面显示，当假设风垂直于其中一个边缘吹时，将有30×2＝60个立面单元可用于每层的动态振动阻尼系统的阻尼单元，因此总共60×18＝1080个立面单元。通过选择50至300kg之间的摆动质量块的重量，图12的曲线可根据第一模型最后一层rms加速度降低相对于质量比获得。

图13的图表将tmd的性能与动态振动阻尼系统中的一个的性能进行了比较，表明动态振动阻尼系统的第一模型存在性能损失，这是由于质量分布在建筑物高度的上三分之一处，而不是在建筑物的顶部。这种损失用有效质量的约1.5倍的比率来表示。

表1-不同质量单元选择的单元弹簧质量阻尼器系统的特性

表2-不同质量单元选择的动态振动阻尼系统的性能

表1显示了根据denhartog方法给出的校准和每个不同的单元质量选择，每个立面单元的弹簧质量阻尼器系统的机械特性。在表2中，动态振动阻尼系统的相应的性能以加速度rms的降低、单元质量位移和加速度以及添加给建筑物的等效阻尼来表示。

第一实施例：已设计建筑物

动态振动阻尼系统在已设计建筑物上的一种可能应用，例如，在设计阶段，等效阻尼被高估，而在施工期间，发现其实际值低于预期值。最后一分钟的调整将涉及巨大的成本，即使是在设想进行tmd的情况下，因为这将对建筑施工的组织协调和建筑物上部最后几层的布局产生重大影响。相反，假如建筑物业主要求这种“最后一分钟的规范”，重新进行立面设计只需要很小的改动，并且不会对组织协调产生影响。因此，当建筑物设计已经进入高级阶段或施工已经开始时，动态振动阻尼系统是解决舒适度问题的合适解决方案。还有一个相似的场景是，建筑物的立面翻新，在它的寿命周期中经历的风带来的一个舒适问题。

此外，建筑物设计团队还可以在建筑物设计阶段应用动态振动阻尼系统。在这种情况下，设计团队可以在立面性能规范中要求额外的要求，规定立面要给建筑增加的临界阻尼的一定百分比。

此外，第二振动模型可能会受到所提出的动态振动阻尼系统的影响，以防在基本建筑物行为中由于该第二频率模型而出现过大的加速度峰值。例如，图17和图18显示了仅调谐第一振动模型或前两个固有频率时加速度的不同功率谱密度。应用第二模型策略的最简单的方法包括动态振动阻尼系统也集成在立面(elevations)的中心楼层，如图10d的方案所示。例如，在本应用示例中，考虑了中央十层，在图17和18的示例中，使用相同的立面顶部1/3的质量值，每个立面单元100kg。显然，相对于第一振动模型，需要较低的总质量来衰减第二振动模型，这是因为由于建筑物响应中的第二模型，能量含量较低。另一个证据是，在质量值比建筑顶部的质量小的情况下，会置换质量，从而允许设计者找到单元质量和层数的最佳组合，以实现所需的性能。表3显示，通过使用在建筑物立面的不同区域起作用的动态振动阻尼系统的第一模型，可以将示例建筑物的第一和第二振动模型控制在舒适限度内。

表3-在建筑物单一振动模型下起作用的第一模型动态振动阻尼系统与在前两个频率下起作用的第一模型动态振动阻尼系统的高性能之间的比较。

图14、图15和图16的图表显示了另一个实践的结果。在这种情况下，从配有tmd的现有建筑物的实际框架特征出发，分析了四个测试案例：纽约的花旗集团大厦(美国)、悉尼的希夫利大厦(澳大利亚)、伦敦的加拿大广场一号(英国)和横滨的横滨大厦(日本)。它们的高度在[180m至380m]的范围内变化，以评估本发明的效益趋势，同时考虑不同市场中不同的材料、建筑成本和租赁价格。总的结论似乎是，当应用本发明的动态振动阻尼系统以实现约25％-40％的加速度减缓时，以及当建筑物高度不超过300m时，会产生更高的益处。对这一结果的解释是，对于非常高的建筑物，由于保留了租金收入，收益减少，主要是因为涉及的楼层增加。当每个单元的质量固定时，例如定义为每阻尼单元75kg，动态振动阻尼系统的等效质量足以产生相对于基本建筑物约25％的加速度降低。相反，对于更高的要求，建筑物结构的加固应与动态振动阻尼系统相结合。在这种情况下，适当的解决方案是增加每个单元的质量，至少达到与立面总重量和尺寸方面的设计约束相兼容的程度。

考虑到财务可行性，集成在建筑立面中的动态振动阻尼系统的完美适用性最适合高度在100m到300m之间的高层建筑物。此外，另外一个重要的优点是，在现有建筑物上安装该系统时，可以更好地估计建筑物的振动。

本发明的另一个优点是，如果发现建筑物受到高峰值加速度的影响，则可以在计划中或不计划中的立面重新添加时将其集成到建筑物上。

立面集成根据本发明的动态振动阻尼系统的另一个优点是，大量独立的摆动质量块为动态振动阻尼系统提供了显著的冗余，特别是在一个或多个摆动质量块不能正常工作的情况下是有用的。

此外，根据本发明的动态振动阻尼系统的性能在更宽的频率范围内更为均匀，因此装置的校准不像已知tmd那样至关重要。

同样重要的一个优点是，将阻尼调整计划集成到建筑计划中不会导致额外的组织协调问题。动态振动阻尼系统与立面一起实施，立面是设计中已经存在的部件，因此在初始计划中没有引入设计复杂性。

与在热舒适性、声学舒适性和隔热性方面已经确立的性能一起，对最小等效阻尼的需求在将来可能是高层建筑物立面的特定性能之一。建筑物设计完成后，立面承包商可以轻松地将单个机构集成到立面单元中，为其提供用于后期校准和调整刚度以及阻尼的后制造系统。