論超高層結(jié)構(gòu)三種風(fēng)振控制方法的對比

周凱旋

（廣東悉筑建筑設(shè)計有限公司高州分公司 廣東高州 525200）

1 引言

在進(jìn)行風(fēng)振控制研究過程中，將某超高層結(jié)構(gòu)作為研究對象，并進(jìn)一步研究風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)動力特性。這一過程中，主要應(yīng)用改進(jìn)過的自回歸模型進(jìn)行了相應(yīng)的模擬，并且對X、Y兩個不同方向的脈動風(fēng)荷載時程進(jìn)行了探討。同時，通過對本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)一步提出了三種不同的減振控制方法：①通過設(shè)置粘滯阻尼器以及調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（Ⅱ）達(dá)到減振效果；②通過設(shè)置粘滯阻尼器（Ⅲ）起到減振作用；③通過設(shè)置調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（Ⅳ）以求達(dá)到減振效果。研究過程中，分別假定了三種不同的風(fēng)振作用：10年、50年以及100年一遇。同時，還針對不同的控制方案下的風(fēng)振方向以及控制動力進(jìn)行了分析。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以對比得到不同減振方案的風(fēng)振控制效果。一方面，對于Ⅱ和Ⅲ兩種不同的控制方案而言，不僅能夠?qū)︼L(fēng)振輸入能量進(jìn)行有效的消散，同時可以對建筑結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)狀況進(jìn)行有效的消減。此外，還可以減少建筑結(jié)構(gòu)層的加速度，有效降低結(jié)構(gòu)層間側(cè)移的突變狀況。就數(shù)據(jù)方面來說，兩種方案在降低建筑結(jié)構(gòu)頂層位移以及結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)狀況的幅度可以達(dá)到33%以及51.4%，從數(shù)據(jù)可以看出，兩種控制方案不僅能夠有效降低建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動，并且能改善超高層結(jié)構(gòu)的安全性與使用效果。另一方面，通過對模擬結(jié)果進(jìn)行研究，進(jìn)一步對超高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制設(shè)計工作提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

2 風(fēng)振控制的概述

2.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載

超高層建筑結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載影響是一個隨機(jī)性的過程，在進(jìn)行風(fēng)荷載分析時，將其分為三個不同的部分：①是由平均風(fēng)壓造成的平均力；②是由脈動風(fēng)壓所造成的隨機(jī)脈動力；③是在風(fēng)荷載作用下出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)慣性力。在進(jìn)行超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，要對動態(tài)風(fēng)荷載進(jìn)行重點(diǎn)分析，這一過程中要借助于模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行深入的研究。另外，結(jié)構(gòu)荷載具有以下幾個特點(diǎn)：①其與空間、位置、時間等因素有著直接的關(guān)系，并且受到建筑附近地形、地貌等因素的直接影響；②風(fēng)荷載狀況和建筑結(jié)構(gòu)的幾何外形有著密切的關(guān)系，同時結(jié)構(gòu)不同部分對于風(fēng)荷載有著不同的敏感程度。此外，脈動風(fēng)的強(qiáng)度以及風(fēng)向、頻率等因素都是隨機(jī)的。

2.2 被動控制

對于風(fēng)荷載被動控制而言，其打破了以往的設(shè)計方法，主要借助于建筑結(jié)構(gòu)自身的性能進(jìn)行動力荷載的抵抗。總體而言，鋼結(jié)構(gòu)要比混凝土結(jié)構(gòu)有著更輕的質(zhì)量，因而其阻尼系數(shù)相對較小，因而在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動控制時相對容易，并且能夠有效提高建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震效果。被動控制主要包含兩方面的內(nèi)容：①利用耗能減振系統(tǒng)抵抗風(fēng)荷載。在這一系統(tǒng)中，主要將建筑結(jié)構(gòu)中的部分非承重構(gòu)件設(shè)計成能夠抵消風(fēng)能的元件，也可以在結(jié)構(gòu)中的合適位置加裝阻尼器。在受到風(fēng)荷載作用的影響下，阻尼器將會產(chǎn)生一定的阻尼，進(jìn)而有效起到風(fēng)能耗散的作用。②就是吸振減振系統(tǒng)的應(yīng)用。對于吸振減振技術(shù)而言，應(yīng)用環(huán)節(jié)中需要在建筑的主結(jié)構(gòu)中附加相應(yīng)的子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以使建筑結(jié)構(gòu)的振動出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，進(jìn)而可以使結(jié)構(gòu)的振動能量進(jìn)行重新的組合與分配，以此來達(dá)到降低結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)的作用。現(xiàn)階段，應(yīng)用較廣的阻尼器包含TMD、TLD等等。

2.3 主動控制

隨著土木領(lǐng)域理論架構(gòu)的不斷完善，通過主動控制來降低環(huán)境荷載作用逐漸受到了業(yè)內(nèi)專家的廣泛重視。因?yàn)橹鲃涌刂颇軌蚋鶕?jù)輸入改變狀況進(jìn)行實(shí)時的調(diào)整，因而其控制效果方面對于外荷載特性沒有較強(qiáng)的依賴性，因而在效果方面比被動控制好。現(xiàn)階段，在進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)主動控制理論的研究過程中，主要以各種類型的控制算法為主。在進(jìn)行計算分析以及模擬的過程中，可以對結(jié)構(gòu)主動控制的可行性做出全面的分析，同時還能對控制系統(tǒng)的時滯補(bǔ)償狀況以及時滯效應(yīng)進(jìn)行研究。

3 超高層結(jié)構(gòu)三種風(fēng)振控制方法的對比分析

3.1 工程概況

該超高層建筑位于廣東省，綜合了辦公、住宅以及商業(yè)、娛樂等功能。主體結(jié)構(gòu)由主樓與群房構(gòu)成，其中主樓部分68層，建筑的總高度達(dá)到了289m。另外，群房結(jié)構(gòu)為10層，總高度達(dá)到了64m。該建筑的總面積為257355m2，結(jié)構(gòu)的立面體型呈現(xiàn)梭形。結(jié)構(gòu)主體采用混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主。為了便于設(shè)備的布設(shè)以及避難層的設(shè)置，該建筑在第23層以及38層、54層、64層分別按要求設(shè)立了四道加強(qiáng)層，并且在核心筒的Y方向的剪力墻結(jié)構(gòu)中設(shè)立了四道伸臂桁架結(jié)構(gòu)。同時，在結(jié)構(gòu)的外圍框架柱中，分別設(shè)立一圈環(huán)狀支撐構(gòu)件。由于該超高層建筑位于廣東沿海地區(qū)，因而夏季經(jīng)常會受到強(qiáng)臺風(fēng)氣候的襲擊，并且上部結(jié)構(gòu)主要以住宅功能為主，因而對風(fēng)振控制有著嚴(yán)格的要求。通過查閱規(guī)范，了解到該地區(qū)10年、50年以及100年一遇的風(fēng)壓值分別是0.50kN/m以及0.75kN/m、0.90kN/m。此外，根據(jù)2010年廣東省頒布實(shí)施的《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，在進(jìn)行該建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)計算工作時，對于結(jié)構(gòu)高度大于60m的超高層建筑項(xiàng)目，其基本風(fēng)壓值應(yīng)該使用100年重現(xiàn)期。為了確保該建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足抗風(fēng)舒適度的相關(guān)要求，本文在進(jìn)行風(fēng)壓控制分析時，主要針對三種基本風(fēng)壓進(jìn)行具體研究。

3.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制方案設(shè)計

通過對本建筑的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行分析，并且參考經(jīng)濟(jì)有效的基本原則，初步擬定了三種不同的控制方案：方案一，把建筑結(jié)構(gòu)中原有的生活以及消防用水箱用作調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD），并且其重量為500t。方案二，為了降低對結(jié)構(gòu)空間的使用、美觀方面的影響，在該建筑的四個設(shè)備層中分別進(jìn)行了線性粘滯阻尼器（VD）的設(shè)置，并且把設(shè)備層的鋼支撐使用粘滯阻尼支撐來代替。這一過程中，將粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)設(shè)定為200kNs/mm。方案三，上述兩種不同的方案組合起來，進(jìn)而可以構(gòu)成一個混合式的耗能減振體系。其中，圖1為TMD、VD設(shè)置狀況示意圖。表1中的數(shù)據(jù)為三種不同的風(fēng)壓條件下，該超高層建筑結(jié)構(gòu)沿X方向以及Y方向所展現(xiàn)出的工況。

圖1 TMD、VD設(shè)置狀況示意圖

表1 結(jié)構(gòu)沿X、Y方向的工況分析

3.3 風(fēng)振控制效果研究

具體分析過程中，主要用到了由CSI公司所研發(fā)的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計軟件Etabs，并以此為基礎(chǔ)建立了結(jié)構(gòu)三維有限元模型。其中，結(jié)構(gòu)剪力墻應(yīng)用了殼單元，樓板主要應(yīng)用了膜單元，梁、柱主要使用的是空間桿單元。其中，圖2所表征的是在基本風(fēng)壓為0.75kN/m以及0.90kN/m的狀況下，該超高層結(jié)構(gòu)沿著X以及Y方向、使用與未使用消能器時所出現(xiàn)的層側(cè)移以及層加速度的變化狀況。

通過對上述圖表的分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：①對于不設(shè)置耗能器的結(jié)構(gòu)，層側(cè)移以及層加速度將會伴隨著基本風(fēng)壓以及建筑高度的增大而呈現(xiàn)遞增的趨勢，并且層側(cè)移隨著高度的不斷變化，其曲線逐漸趨于平緩。②與無控狀態(tài)相比，通過設(shè)置耗能減振器（如方案Ⅱ與方案Ⅲ），可以對結(jié)構(gòu)的層側(cè)移、層加速度進(jìn)行有效的控制，并且峰值層的加速度會隨著高度變化，其曲線逐漸趨于連續(xù)、均勻，這一過程中沒有發(fā)生明顯突變的現(xiàn)象。研究表明，通過使用耗能裝置能夠?qū)︼L(fēng)振輸入結(jié)構(gòu)的能量進(jìn)行有效損耗，進(jìn)而改善建筑結(jié)構(gòu)的安全性與舒適性。③通過對Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三種不同的控制方案進(jìn)行對比，能夠看出前兩種方案的頂層峰值加速度均能控制在規(guī)范所規(guī)定的范圍（0.15m/s）之內(nèi)。但是，對于Ⅳ方案（僅設(shè)置TMD）而言，不能達(dá)到規(guī)范要求。究其原因，主要是由于該建筑所利用的生活、消防用水箱重量不足，因而很難達(dá)到相應(yīng)的減振效果。④保持基本風(fēng)壓不變，在控制方案一致的情況下，通過耗能減振器的應(yīng)用，可以對結(jié)構(gòu)風(fēng)振加速度反應(yīng)進(jìn)行有效的控制，其效果明顯好于對位移反應(yīng)的控制。比如在方案Ⅱ中，當(dāng)基本風(fēng)壓維持在0.75kN/m時，Y方向的頂層峰值位移以及加速度的減振效果分別是19.1%與44.9%，從數(shù)值上可以明顯看出兩者之間的差異。

圖2 層側(cè)移、層加速度變化狀況曲線圖

4 結(jié)束語

本文超高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制方法的研究時，首先對傅里葉變換技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的AR模型可以對結(jié)構(gòu)以及X、Y兩個不同方向的脈動風(fēng)速時程進(jìn)行有效的模擬，并且能夠提高計算工作的精度與效率，所得的模擬結(jié)果有著較高的可信度。這樣一來，就可以確保超高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制時域分析過程的有著較高的精確度。通過對比可以看出，通過設(shè)置粘滯阻尼減振控制裝置，可以對超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動響應(yīng)進(jìn)行有效的控制，并且能夠減少結(jié)構(gòu)層的加速度以及層間側(cè)移突變狀況。因而，能夠顯著提高超高層結(jié)構(gòu)使用的安全性、舒適性。同時，該方案安裝環(huán)節(jié)相對簡單、易于設(shè)備的維護(hù)，同時可以獲得最大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。