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钢制技术颠覆阻尼器的设计

钢制阻尼系统可以使高层建筑在地震中更安全,减少风的摇摆,而不会占用宝贵的楼层空间

伴随着城市的扩张,全球房地产价格的持续上涨促使开发商建造更高、更苗条轻巧的建筑。

在伦敦、香港、纽约、多伦多、惠灵顿、马尼拉等这些拥有全球高房价的城市,人们依然非常愿意在这些商业中心居住和工作,因此开发商纷纷将目光投向高层建筑。

现代施工方法使摩天大楼能够建在越来越窄的地基上,给人以纤细之感。虽然这些细长的摩天大楼可满足住宿需求,同时它们也很容易随风摇晃。

“VCD模组采用标准日本SM490A结构钢制造,内含3M粘弹性聚合物,是一种超耐用材料。”

这种摇晃对高层的影响更为明显,虽然没有安全隐患,但它可能导致高层居住者罹患某种形式的晕动病。因此,开发商纷纷呼吁工程师和设计师开发阻尼器,帮助减少这种摇晃现象。

当下有两种最受欢迎的阻尼器安装在建筑物的顶部,一种为调谐质量阻尼器(一种可吸收任何振动的机械系统),另一种阻尼器采用注满水的水箱,通过增重来对抗任何晃动。

这两种阻尼器体积都很庞大,高度超过两个楼层(100平方米以上)。在寸土寸金的城市使用这两种阻尼器价格不菲。

 

马尼拉中央公园塔开发项目中使用VCD技术的两座大楼

 

现有的阻尼器的成本居高不下,因此位于多伦多的Kinetica Dynamics公司与材料生产商3M公司以及钢铁制造商新日铁住金工程公司,联合开发了一种在无需占用宝贵建筑面积的情形下,可抑制任何风致晃动或震动的阻尼器。

这种新开发的粘弹性耦合阻尼器(VCD)利用3M团队开发的粘弹性聚合物作为粘性材料的剪切和抗应变阻力以及弹性拉伸记忆功能。

新日铁住金工程公司采用了数层粘弹性材料,并将其夹在高强钢之间,从而形成相应的VCD模块。

这些模块运往工地,并与型钢一起铸造在摩天大楼的钢筋混凝土结构中。这些‘嵌入物’是由当地的钢铁制造商制造的,仅需‘模板’作为公差保护器,以便后期使用高强度钢螺栓固定VCD。该过程可以作为施工周期内的关键路线开展,从而节省了建筑时间,提高了施工效率。

“这意味着普通承包商就可以完成VCD的施工安装,无需专家团队的参与,用该等‘嵌入物’(当地制造商制造的标准结构型钢)镶铸可谓非常简单。”Kinetica Dynamics公司首席技术官兼管理负责人Michael Montgomery解释道。

通过在多伦多大学为期8年的开发和测试过程,他与3M公司和新日铁住金工程公司一直致力于推动VCD在高层钢筋结构中的应用,而目前VCD技术的应用正逐步变为现实。

 

 

VCD模组测试方案包括全尺寸阻尼测试,旨在验证钢材和粘弹性技术,以核实阻尼的有效性和稳健性。测试结果表明,无论是对常见等级的风力和地震,亦或对飓风和极端地震场景,相比传统的结构设置,VCD模组的阻尼性能均有显著改善。

“多年来,我们一直在研究这些VCD,并确保对它们开展全面测试。VCD模组采用标准日本SM490A结构钢制造,内含3M粘弹性聚合物,是一种超耐用材料。”Montgomery先生解释道。

“在测试过程中,我们发现阻尼器在钢材与聚合物之间不添加任何额外的粘结层的情况下表现更好。固定用的钢螺栓是标准日本生产的六角A490钢螺栓,可提供很强的夹紧力。”

围绕塔架的阻尼器的分布和位置取决于结构和地震工程师的设计。在地震活动剧烈的地区,不仅可以降低地震振动的强度和烈度,还可减少震后的修复工作量。

“在测试过程中,我们发现阻尼器在钢材与聚合物之间不添加任何额外的粘结层的情况下表现更好。”

若将VCD容量设计成预先设定的负载,需将VCD连接元件用作“结构保险丝”,以防止相邻结构元件损坏。在强烈地震后,只需检查这些“保险丝”,并给予必要的更换或修理。

Kinetica Dynamics公司、3M和新日铁住金工程公司均已将VCD安装在其位于高风荷载和地震活动频繁区域的重要开发项目中。

马尼拉中央公园塔开发项目包括两座塔楼,分别高达267米和217米。它们位于台风肆虐的地区,距离主要断层线只有几公里。每个塔内部署32个VCD,事实上,每个结构上都设有VCD,以降低风力和地震荷载。在多伦多,62层的“Y+C”共管公寓开发项目中安装了42个VCD,这些VCD取代了大楼中央部分的钢连梁。

随着摩天大楼日益成为大城市住宿和办公位置的首选,这种采用钢制技术设计的阻尼器无疑可以提升安全性和舒适性,还可以最大限度地扩大建筑面积,因此发展潜力巨大。

 

图片来源:iStock, Kinetica