第４卷第３期 ２００６年６月 福建工程学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｕｉｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴ ＶＤ１．４ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０Ｏ６ 文章编号：１６７２—４３４８（２００６）０３—０３０４—０３ 多层房屋结构屋顶隔热层ＴＭＤ减震控制系统设计 刘强 （集蔓大学工程技术学院。福建厦门 ３６１０２１） 摘要：在结构控制理论研究成果基础上，提出了利用多层房屋结构屋顶隔热层作为调谐质量阻尼嚣 （ Ｄ）装置系统来达到减震目的之设想；详细介绍了屋顶隔热层ＴＭＤ装置构造设计。并用仿真算例验 证其可行性和实用性。 关键词：调谐质量阻尼器；设计参数；屋顶隔热层 中圈分类号：１１３３５２．１ 文献标识码：Ａ Ａｓｅｉｓｍａｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｒｏｏｆ ａｓ ＴＭＤ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｓｔｏｒｅｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｌｉｕ Ｑｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｊｉｍｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｘｉａｍｅｎ ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｍａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｒｏｏｆ ｏｆ ｍｕｌｔｉｓｔｏｍｙ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｅ ｕｓｅｄ ｓ ＴＭＤ ｓｙｓｔａｅｍ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｒｏｏｆ ｕｓｅｄ ａｓ ＴＭＤ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎｄ ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｅｄ １１１１１８８ ｄａｍｐｅｒ；ｄｅｓｉｎ ｐａｒｇａｍｅｔｅｒ；ｔｈｅｒｍａｌ—ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｒｏｏｆ 随着结构控制理论研究不断深入。各种新的 好。基于以上理论研究成果，本文将研究多层砖 混结构屋顶隔热层作为ＴＭＤ系统设计。 控制技术不断提出。可供选择的控制装置也越来 越多，其中被动调谐质量阻尼器（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ缩写Ｐ．ＴＭＤ），由于易于工程实现，受 到工程界的普遍重视，因而应用广泛。 １ 多层房屋结构地震反应ＴＭＤ控 制系统设计步骤 地震作用下，多层房屋结构顶层加设ＴＭＤ控 目前，国内外专家学者在房屋结构施加调谐 质量阻尼器进行减震控制分析理论研究方面取得 显著的成效，理论分析研究表明…，对一般剪切型 制系统设计步骤： １）以多层砖混结构为研究对象，建立动力计 建筑，在地震激励下，结构相对于地面的最大位移 发生在顶层。将ＴＭＤ设在顶层并且控制第一振 型频率比控制其它频率效果要好的多。同时研究 结果还表明 ，ＴＭＤ的阻尼比增加。控制效果更 算模型。并计算出各质点的集中质量、质量矩阵、 刚度矩阵、阻尼矩阵。 ２）计算无ＴＭＤ时多层砖混结构的自振频 率，标准化振型、广义振型质量Ｊｌ，．。 ３）选取多层砖混结构欲控制的振型，将ＴＭＤ 的自振频率调谐于结构控制振型所相应的频率， 好。但超过２０％时则相反。ＴＭＤ的质量比增加， 控制效果也更好，但超过３％时则相反；ＴＭＤ的频 率与原结构的频率比在０．９左右时控制效果较 收稿日期：２００５—１１—３０ 即ｆ＝Ｗｄ／ｗｌ＝１，或 Ｄｔ＝Ｗｄ，Ｗ 。 作者简介：刘强（１９６７一），男（汉），福建福州人，高级讲师，工学硕士，研究方向为结构控制和减震 第３期 刘强：多层房屋结构屋顶隔热层ＴＭＤ减震控制系统设计 ３０５ ４）假设ＴＭＤ系统的质量比Ｈ，计算出ＴＭＤ Ｋｄ ：Ｍｄ ｙ：１ ４４７．１３８ ｋＮ・ｍ 系统最优频率比厂０ 或ｆ：１以及阻尼比 。 可 Ｃｄ ＝２Ｗｄ，Ｍｄ ｄ＝２９．４１８ ｋＮ－ｓ 按最优ＴＭＤ参数选择程序或按经验公式¨ 计算 Ｃｄｙ＝２ＷｄｙＭｄｙ ｄ：３４．２６９ ｋＮ・ｓ一 选取。 ５）计算ＴＭＤ安装参数ｍｄ、Ｋ 和Ｃ ： 由 ＝鲁＝丽 ， ｍｄ＝ｕｍＩ，Ｋｄ：ｍｄ ；。Ｃｄ＝２ｍ，ｊ ｔ‘Ｉｄ ｄ 则ＴＭＤ质量为结构总重量的１．６％。 ６）进行结构一ＴＭＤ系统时程分析，若不满足 控制指标或安全储备过大，返回步骤４。 ７）根据ＴＭＤ的ｍ Ｋ 和Ｃ ，进行屋顶隔热 层作为ＴＭＤ构造设计。 方向 — 卜 ２仿真实例计算与分析 地震波 ６层砖混结构办公楼，标准层如图１所示。 层高３．３ ｍ，室内外高差３００ ｎｌｎｌ，楼盖为９０ ｍｍ厚 钢筋混凝土现浇板，屋盖为１００ ｎｌｎｌ钢筋混凝土现 浇板。墙体采用２４０厚Ｍｕｌ０粘土砖Ｍ５混合砂 浆砌筑。设防烈度８度。建造于Ⅱ类场地土。设计 图ｌ标准层平面图 地震分组为三组。屋顶为不上人屋面。试进行屋 Ｆｉｇ．１ Ｐｌａｎ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄ ｌａｙｅｒｓ 顶隔热层ＴＭＤ参数设计和隔热层构造设计。 假设地震激励采用ＥＬ．ｃｅｎｔｒｏ波，峰值加速度 ＴＭＤ装置设计参数为 为３４０ ｇｅｌ；时程分析结果如表１所示。表中Ｄ。和 Ｍｄ，＝ｕＭｌ ；２３９．７×１０２ ｋｇ Ｄ分别表示设置和未设置ＴＭＤ时结构层最大位 Ｍｄ ＝ｕＭｌ ＝２３９．１×１ ｋｇ 移，ｔ表示位移发生的时间， 表示控制效果 ： Ｋ ＝Ｍｄ ＝１ ０６６．４ ｋＮ－ｍ （Ｄｏ—Ｄ），Ｄｏ×１００％。 衰１ ６层结构一彻系统时程分析结果 Ｔａｂ．１ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｏｆ ＴＭＤ ｆｏｒ ａ ｓｉｘ ｓｔｏｒｉｅｄ ｂｕｉｌｄｉｎｇ 从表１结构一ＴＭＤ时程分析可以看出，ＴＭＤ 屋顶隔热层ＴＭＤ构造是由隔热板的质量块以 阻尼器参数设计方法可行，结构各节点的位移峰值 及有阻尼性多层橡胶支座组成。有阻尼性多层橡 得以显著降低，控制率在２０％一３０％左右，而ＴＭＤ 胶支座有铅蕊多层橡胶、高阻尼型多层橡胶２种。 阻尼器本身的质量仅为结构总质量的１．６％。 本文选用和研究的是高阻尼多层橡胶支座，它采用 ３屋顶隔热层们曲系统的构造设计 特殊配制橡胶材料制成，具有以下特性： （１）有很大的竖向刚度和水平刚度，这样的支 ３．１屋顶隔热层ＴＭＤ组成和设计原理 座有足够的能力承受上部质量块，并且又能使水 １）组成 平方向具有很大的变形能力。 ３０６ 福建工程学院学报 第４卷 （２）高阻尼多层橡胶粘性较大，其自身可以吸 收振动能量，它的功能如同阻尼器。 ＾Ｈ ＝ ＝ — ～ ＿５６．３０・３ｚ ｋ ‘ｍ ５２ ｋＮ．ｍ＿Ｊ 因此，合理设计高阻尼多层橡胶支座即可以作 为隔热层（ＴＭＤ）的弹簧系统，又可以是阻尼系统。 ２）设计原理 ３）支座数量ｍ 根据以上实例计算ＴＭＤ装置刚度为 Ｋｄ ＝１ ０６６．４ ｋＮ・ｍ一‘ Ｋｄ ＝１ １４７．１３８ ｋＮ・ｎｌ一‘ 在建筑物的屋顶利用隔热板设置滚动质量层， 利用质量层的惯性来减小建筑的振动。因此，隔热 层ＴＭＤ构造设计的关键是：（１）尽量将隔热板做成 取大值Ｋ ：１ １４７．１３８ ｋＮ・ｎｌ 串联的集中质量块，再选取合理的ＴＭＤ质量比扯， 算出帆。（２）依据ＴＭＤ自振频率与结构原频率之 比接近ｆ＝１时，选取结构控制第一振型，计算高阻 尼多层橡胶支座的Ｋ Ｃ 以及数量。 ３．２高阻尼多层橡胶支座设计 １）支座尺寸 选取支座截面形状为圆柱形。如图２所示， 支座中橡胶共１Ｏ层，厚度为５０ ｍｍ；钢板共９层， 厚度２９ ｍｉｌｌ。为了增加摩擦力，在支座顶面钢板 上加润滑油使钢板与ＴＭＤ质量块支座间摩擦系 数最小。 田２ 多层檬胶支座平面示意图 Ｆｉｇ．２ Ｐｌａｎ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｒｕｂｂｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔ ２）支座刚度计算 ＝ （１） ： Ｅ Ｓ （２） Ｅ曲＝３ Ｇ＋５ Ｇｓ ，（１＋６ＣＳ￣／Ｅ ） 式中， 为水平和竖向刚度；Ｇ为橡胶的剪 切模量，取０．４ Ｎｌｍｍ２；Ａ为橡胶支座截面面积； 为刚度修正系数，一般为Ｉ；Ｅ 为橡胶的体积 弹性模量；Ｓ。、Ｓ：分别为第一、二形状系数；ｔ，、 Ｄ、ｎ分别为单层橡胶厚度、橡胶直径、橡胶层数。 根据多层橡胶支座特性， 足够大，完全可 以承受隔热板ＴＭＤ重量，在此省略不计算。 由（１）式得 支座数量ｍ＝每＝＾ ３ Ｏ．３Ｚ ＿２５．６－Ｉ＇－ 取ｍ＝２８个。支座平面布置如图３所示。 图３多层橡胶支座平面布置 Ｆｉｇ．３ Ｐｌａｎ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｉ ｂｂｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔ ４）高层多层橡胶支座阻尼大量文献资料研 究表明［４】，高阻尼橡胶支座在水平剪切荷载下，具 有较大的等效阻尼特性。从试验结果可看出，多 层橡胶支座的等效阻尼一般在８％一１５％之间变 化。从以上实例计算可知。ＴＭＤ阻尼 ｄ＝０．０９１。 故多层橡胶支座的等效阻尼可以满足隔热层 （ＴＭＤ）阻尼设计要求。它对隔热板产生一定阻 力，具有耗能能力，能减小结构振动位移。 ３．３隔热层质量块的设计 根据图２多层橡胶支座平面布置图，为使隔 热板形成滚动的集中质量块，屋顶隔热板成串联 设计，如图４所示。 ｊ Ｉ 【 ］ ｒ ———１ １——１—— Ｔｒ Ｉ－ －ｌ－ｌ＿ 一 ｒ— －＿＿＿ Ｉ： ｉ Ｉ 昌 ｊ ；Ｌ ｌ 『ｕ 图４屋顶隔热板布置图 Ｆｉｇ．４ Ｐｌａｎ ｏｆ ａ ｔｈｅｒｍｏ－ＩＩｌｓＩＩ ｒｏｏｆ （下转第３０９页） 第３期 刘丽娜：高层建筑多专业交叉施工时监理工作初探 ３０９ 影响使用功能或影响装修效果的，应会同业主、设 计和施工单位协商调整装修方案，避免返工。 烟感探头、消防喷洒头、广播喇叭、通风散流器、排 烟风口等，每个设备之间要有一定距离，应满足规 范要求和装修美观的需要。各专业的管道安装 时，不能占用灯具和广播喇叭在吊顶内的安装空 ３各专业交叉施工的协调方法 ３．１管线调整的一般原则 问，一般筒灯和喇叭净高１３０～１７０ ｎｌｌｎ之间，除去 主次龙骨的高度外，净占吊顶空间高度在５０— １００ ｍｍ。 １）有压力管让无压力管，如污水（干、支）管、 雨水管、空调系统的冷凝水管等，不允许倒坡，其 他管都要为其让路； ２）管径小的管让管径大的管； ３）管径大的管让通风管。 ４结语 工程施工中的各专业协调配合，是实现工程 监理目标的重要环节。作为监理单位，如何规范 监理工作，针对工程施工不同阶段容易出现的问 题采取相应的技术措施和协调、管理方法，力求取 ３．２房间吊顶上设备位置和管线调整 １）因各专业设计分工不同，在施工时常发现 在同部位上要安装几个设备，如在同一房间内，照 明图纸上灯具标明在房间的中心，消防报警图纸 得较好的协调效果，需要不断地探索、积累经验。 高层综合楼施工协调配合涉及施工各方的利 益。监理方对施工各方无直接的合同约束。就此 上烟感探头，广播系统图纸上广播喇叭也在房间 中心。出现这种情况时，一般处理方法是灯具在 房间的中心，其他专业的设备移开距灯具３００— ５００ ｎｌｌｎ。 而言，推行工程项目总承包制也是非常必要的。 由于总承包单位与各分包单位直接签订分包合 同，负有管理责任，有利于综合协调管理。在这种 情况下，监理的协调管理工作主要是直接面对总 ２）当需要将部分管线从楼板中改在吊顶中 敷设时，不宜把消防探测管、应急照明管、紧急广 播管改在吊顶中，因吊顶内消防探测管的防火处 理较麻烦，而且增加工程造价。 ３．３公共走道吊顶上未端设备净高调整 走道的中心线是各专业设备集中处，有灯具、 包单位，施工中发生的矛盾便于解决，更容易实现 工程施工监理目标。 （上接第３０６页） 为ＴＭＤ装置系统构造设计达到减震的目的是可 行的，它既满足传统隔热层构造设计要求，又起到 ＴＭＤ减震作用，并且制作方便、经济廉价、耐久性 好、施工方便，具有实际的应用价值。但确定 ＴＭＤ装置的可靠度问题，还需要通过地震模拟试 验加以验证；架空隔热层（ＴＭＤ）的材料选择及其 性能还有待进一步研究。 按图４所示计算，隔热层系统质量ｍ ＝２９４× １０２ ｋｇ，实例计算ＴＭＤ：ｍｄ＝２４０×１０２ ｋｇ，结果接 近满足设计要求。 ４ 结语 通过以上的计算和设计，利用屋顶隔热层作 参考文献： ［１］李桂青，霍达，邹祖军．结构控制理论及其应用［Ｍ］．上海：同济大学出版社，１９８９． ［２］李春祥，刘艳霞．地震作用下高层建筑ＴＭＤ控制优化设计［Ｊ］．同济大学学报，１９９９，２７（３）：２３６—２４５． ［３］邹祖军．ＰＴＭＤ对剪切型结构地震反应的控制效果分析［Ｊ］．同济大学学报，１９９９，２７（５）：５０７—５１０． ［４］施卫星，李正升．一种叠层橡胶支座动态性能试验研究［Ｊ］．同济大学学报，１９９９，２７（４）：４０２—４０５． ［５］胡晓锋，胡世德．调质阻尼器地震反应控制应用研究［Ｊ］．地震工程与工程振动，２０Ｏ０，２０（２）：１３５—１４１
