超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制與抗風(fēng)設(shè)計(jì)

摘要 本文從風(fēng)荷載的特點(diǎn)及其效應(yīng)出發(fā)，針對(duì)性的提出了降低結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)的措施，重點(diǎn)敘述了機(jī)械措施，得出結(jié)論如下：在結(jié)構(gòu)振幅最大處設(shè)置自振頻率與結(jié)構(gòu)一階自振頻率相接近的TMD也是減小風(fēng)振反應(yīng)的有效措施。最后，本文還討論了一種基于我國(guó) 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的高層建筑風(fēng)振控制的實(shí)用化設(shè)計(jì)方法。

風(fēng)荷載是各類(lèi)建筑物的重要設(shè)計(jì)荷載之一。對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)、高層建筑而言，風(fēng)荷載常常起主要甚至決定性作用，復(fù)雜的動(dòng)力風(fēng)效應(yīng)影響成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素之一。隨著新技術(shù)、新材料、新型式、新設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，工程結(jié)構(gòu)日趨多樣化、大型化、復(fù)雜化，對(duì)風(fēng)敏感程度越來(lái)越強(qiáng)。然而，在現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范中，上述結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)并不完善，風(fēng)與結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)分析提出了巨大挑戰(zhàn)。因此重大工程結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性研究越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注與重視。

一、風(fēng)荷載特點(diǎn)及其效應(yīng)

隨著高強(qiáng)輕質(zhì)材料的應(yīng)用和設(shè)計(jì)水平的不斷提高，現(xiàn)代建筑不斷向高層和超高層的方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的阻尼更小，柔度更大。高層建筑的特點(diǎn)是長(zhǎng)細(xì)比較大，在動(dòng)力荷載作用下易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，長(zhǎng)期的、頻繁的中低風(fēng)作用使高層建筑某些局部構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。當(dāng)高層建筑的自振頻率接近風(fēng)的卓越頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)一步加劇，風(fēng)振的影響非常顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)構(gòu)由于風(fēng)災(zāi)產(chǎn)生的破壞占結(jié)構(gòu)破壞總數(shù)的大部分。風(fēng)荷載已成為高層、超高層結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)荷載之一，已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不容忽視的內(nèi)容。

根據(jù)大量實(shí)測(cè)的風(fēng)速時(shí)程記錄，可將風(fēng)看作由平均風(fēng)（長(zhǎng)周期的穩(wěn)定風(fēng)）和脈動(dòng)風(fēng)（短周期的波動(dòng)風(fēng)）組成。平均風(fēng)是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，把風(fēng)對(duì)建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不隨時(shí)間而改變的量。由于風(fēng)的長(zhǎng)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的自振周期，可等效為靜態(tài)作用處理，應(yīng)用結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算。脈動(dòng)風(fēng)的強(qiáng)度是隨時(shí)間按隨機(jī)規(guī)律變化的，由于周期較短，應(yīng)用隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行分析。

由于氣流的慣性和粘性，風(fēng)流經(jīng)非流線型的高層建筑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的流固相互作用效應(yīng)，主要表現(xiàn)為氣流的分離、再附著、渦的形成和脫落以及尾流的發(fā)展；同時(shí)產(chǎn)生氣動(dòng)力。風(fēng)荷載對(duì)高層建筑有明顯的三維荷載效應(yīng)，按照氣動(dòng)力的合力方向，風(fēng)荷載對(duì)建筑的作用主要分為順風(fēng)向荷載，橫風(fēng)向荷載，扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載。

在三維氣流流動(dòng)中，順風(fēng)向有平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)的共同作用；而在與平均風(fēng)垂直的水平方向，即橫風(fēng)向以及豎直方向僅有脈動(dòng)風(fēng)作用。因此，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，其風(fēng)效應(yīng)主要包括：順風(fēng)向效應(yīng)、橫風(fēng)向效應(yīng)，風(fēng)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)反應(yīng)。

二、風(fēng)振控制的設(shè)防目標(biāo)

為了使高層建筑在風(fēng)荷載作用下不會(huì)發(fā)生局部破壞、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和變形過(guò)大等現(xiàn)象，以保證結(jié)構(gòu)的安全，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)必須保證強(qiáng)度、剛度和舒適性的要求。

影響人體感覺(jué)不舒適的主要因素是振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。由于持續(xù)時(shí)間取決于陣風(fēng)本身，而結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的調(diào)整又十分困難，因此一般使用限制結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的方法來(lái)滿足舒適度的要求。

三、降低結(jié)構(gòu)風(fēng)振相應(yīng)的措施

目前超高層建筑抗風(fēng)措施主要有氣動(dòng)措施、結(jié)構(gòu)措施與機(jī)械措施三種方法。

3.1 氣動(dòng)控制法

氣動(dòng)措施可分為被動(dòng)控制，半主動(dòng)控制與主動(dòng)控制。

半主動(dòng)控制與主動(dòng)控制需要外界能量，通過(guò)改變氣動(dòng)措施的狀態(tài)或向風(fēng)場(chǎng)中吹氣來(lái)改善結(jié)構(gòu)周?chē)牧鲌?chǎng)，特別是控制流動(dòng)分離，從而減小流體作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力。但由于流體分布的隨機(jī)性，導(dǎo)致這類(lèi)措施很難用于工程實(shí)際。

被動(dòng)氣動(dòng)控制，即通過(guò)改變建筑的外形以減小建筑的風(fēng)荷載與風(fēng)致效應(yīng)，是一種常用并且十分有效的措施，并且可以與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合。氣動(dòng)措施用于建筑的方案設(shè)計(jì)階段，基于風(fēng)對(duì)超高層建筑的作用機(jī)理，能從根源上減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載與風(fēng)致效應(yīng)。

3.2結(jié)構(gòu)控制法

通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的抗風(fēng)性能來(lái)抵抗風(fēng)荷載的作用，即通過(guò)提高結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度和剛度，由結(jié)構(gòu)本身儲(chǔ)存和消耗風(fēng)振能量來(lái)抵御風(fēng)荷載。這種傳統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，不一定安全，也很不經(jīng)濟(jì)，失去了輕質(zhì)高強(qiáng)材料本身的優(yōu)勢(shì)。僅用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。

3.3機(jī)械控制法

機(jī)械措施是通過(guò)在主體結(jié)構(gòu)上添加輔助阻尼系統(tǒng)來(lái)減小結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)，比如臺(tái)北101大廈與上海環(huán)球金融中心都在其頂部設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來(lái)控制結(jié)構(gòu)頂部的位移與加速度，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與舒適度的要求。機(jī)械措施也可以用來(lái)提高建筑的抗震性能。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)被動(dòng)減振控制體系的一類(lèi)，它由主結(jié)構(gòu)和附加在主結(jié)構(gòu)上的子結(jié)構(gòu)組成。其中子結(jié)構(gòu)包括固體質(zhì)量、彈簧減振器和阻尼器等，具有質(zhì)量、剛度和阻尼，由于這種系統(tǒng)是利用調(diào)整子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性來(lái)減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的，而不是靠提供外部能量，故稱(chēng)為“被動(dòng)調(diào)頻減振控制體系”。

TMD在控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)方面是一種有效的減振裝置。它具有簡(jiǎn)潔、可靠、有效以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，倍廣泛的應(yīng)用到高層結(jié)構(gòu)以及的土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制中，尤其是高層建筑，電視塔以及橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。

四、設(shè)置TMD的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的實(shí)用方法

項(xiàng)海帆等提出了一種基于我國(guó) 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的高層建筑風(fēng)振控制的實(shí)用化設(shè)計(jì)方法。由于不論何種減振裝置（主動(dòng)，被動(dòng)，半主動(dòng)），其減振的效果都可認(rèn)為是相當(dāng)于增加了結(jié)構(gòu)的阻尼。

4. 1 強(qiáng)度和剛度的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法

對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，一般考慮結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)的共同作用。根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，作用在高層建筑任意高度處順風(fēng)向的等效靜力風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按下述公式計(jì)算：

式中， 為基本風(fēng)壓， 為風(fēng)荷載體型系數(shù)， 為風(fēng)壓高度變化系數(shù)， 為重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù)， 為順風(fēng)向Z高度處的風(fēng)振系數(shù)。顯然，公式（1）中只有風(fēng)振系數(shù) 與結(jié)構(gòu)阻尼比有關(guān)?？紤]到設(shè)置被動(dòng)的減振裝置的作用是將高層建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比提高到 ，因此，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，受控結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)應(yīng)為：

式中脈動(dòng)增大系數(shù) 可表示成：

式中：

由此可知，在求得設(shè)置被動(dòng)減振裝置的高層建筑結(jié)構(gòu)控制效果的結(jié)構(gòu)等效阻尼比 和有效阻尼比 后，就可按式（2）和（3）求得受控結(jié)構(gòu)降低了的風(fēng)振系數(shù) ，并最終由（1）計(jì)算得到受控結(jié)構(gòu)上降低了的等效設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。依此等效設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值就可如同常規(guī)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)一樣，用靜力計(jì)算的方法求得受控高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和其它荷載組合下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和結(jié)構(gòu)層與層間位移，并最終驗(yàn)算它們的強(qiáng)度和剛度的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。

4. 2 舒適度的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法

由于舒適度主要取決于結(jié)構(gòu)的風(fēng)振層加速度，因此設(shè)置被動(dòng)減振裝置的高層建筑結(jié)構(gòu)舒適度的抗風(fēng)設(shè)計(jì)只需考慮受控結(jié)構(gòu)風(fēng)振層加速度的計(jì)算方法。根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程，結(jié)構(gòu)頂部順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)振加速度的設(shè)計(jì)計(jì)算值為：

其中A為高層建筑總的迎風(fēng)面積，mtot為建筑物總質(zhì)量。顯然，對(duì)于設(shè)置被動(dòng)減振裝置的高層建筑，只需依其有效阻尼比 ，按公式（3）求得降低了的脈動(dòng)增大系數(shù) 后，就可由式（4）得到αw。并最終驗(yàn)算舒適度的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李?lèi)?ài)群等. 工程結(jié)構(gòu)減振控制[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 2007.06

[2] 顧明， 葉豐， 張建國(guó). 典型超高層建筑風(fēng)荷載幅值特性研究[ J] 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2006， 26（ 1） ： 24- 29

[3] 汪小娣. 高層建筑風(fēng)效應(yīng)及風(fēng)振控制[J]. 振動(dòng)與控制，2007

[4]顧明. 降低超高層建筑橫風(fēng)向響應(yīng)氣動(dòng)措施研究進(jìn)展[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).2013.03