高層建筑中高聳結構風振控制等效設計

李世杰

(青島中筑置業有限公司,山東 青島 266555)

0 引言

在高層建筑的結構設計中,由于其高聳結構會在風荷載的強烈作用下,極容易引起很大的結構位移以及加速度的變形,導致結構本身產生顫振等現象,可能造成建筑結構物的抖振并會產生不規則的運動,形成嚴重的安全隱患[1]。大多數情況下,大跨度、 高層、 異形結構建筑對于風荷載效應非常敏感,風荷載成為此類建筑設計中的主要控制因素之一。結構分析中經常涉及到風洞試驗和非確定性振動分析等復雜過程,結構設計師難于掌握,從維護成本及人身安全等方面綜合考慮,都要對高層建筑中高聳結構風振控制等效設計開展深入研究分析,為高層建筑中高聳結構提供安全可靠的設計方法和技術手段[2]。

1 高層建筑中高聳結構風振控制等效設計

等效靜力風荷載主要是指靜風荷載,將它有效作用于某個結構上時,會導致結構上的靜荷載響應與外來氣動荷載所產生的極大脈動響應。“等效”指的是某一設計關注的結構響應指標,讓建筑結構在某類假設模式的荷載作用下靜力風振響應與實際風荷載作用導致的極值脈動風振響應一致。

1.1 高聳結構風振控制等效設計

高層建筑中的高聳結構空間在設計上通常追求剛性結構,越來越注重節能和輕質化,但仍要重點考慮風振效應的影響,在高層建筑中選用適當的振動控制手段。高聳結構在風荷載和地震荷載下會受到動力響應,形成慣性力對結構本身產生應力。在該背景下研究高層建筑中高聳結構風振控制等效設計,具體設計流程如圖1所示。

根據圖1的高聳結構風振控制等效設計流程可知,本文研究的高聳結構風振控制等效設計主要分為三個步驟:第一步是分析高層建筑中高聳結構空間;第二步是取值風振控制等效荷載;第三步是優化高聳結構風振控制等效設計。優化高聳結構風振控制等效設計方法主要優化了風振控制模擬過程,對模態的設定基于風振控制結構中的阻尼器,通過主體結構的位移為基礎,設置風振信號的振型,獲取了優化后的模型表達式,從而完成高層建筑中高聳結構風振控制等效設計。

1.2 高層建筑中高聳結構空間分析

隨著建筑技術和工藝水平的大幅提高,目前很多高層建筑在高聳結構的設計建設中,逐漸轉向了節能化和輕質化的設計風格,在保證建筑本身的結構性能的同時也節約了資源。高聳結構一般傾向于追求剛性結構設計,其建筑物設計的較為硬質,對建筑結構中的剛度和阻尼要求不斷下降,但該項考量又缺失了對風振的重視,所以在高聳結構空間中仍然要選擇振動控制。對于一些高度大或體型復雜的高層建筑,要考慮在風荷載作用下所具有的動力響應的線性排布。在建筑的水平荷載的作用中,不僅包含了風荷載作用,也包含了水平地震可能出現的荷載作用。這兩種荷載都是不穩定的隨機動力可能,風荷載與水平地震也存在不同之處[3]。對高聳結構的考慮一般基于三個方面:一是在風振作用下形成的慣性力,會對高聳結構本身施加應力;二是風振作用同樣會影響到處于高層建筑中的人體感受;三是在風振力的反復作用下,高聳結構會受到疲勞破壞。結構中的風荷載計算由兩部分組成,對于一般性的建筑本文對其風振效應不作考慮,而高層建筑結構表面上一點的風壓風速與表面特征有關,可對一些因素進行忽略。

1.3 風振控制等效荷載取值

通過高層建筑中高聳結構空間的分析,可以初步設定風振控制的設計方向。“陣風荷載因子”用來表征脈動風荷載對建筑結構響應的擴大,這種簡便可行的方法逐漸成為了制定高聳結構風力規范的重要依據。慣性力法實際上也屬于陣風荷載因子法,它的陣風荷載因子與慣性力有關,它是從結構動力學方程出發,用結構的一階振型慣性力來表示等效風荷載。本文在風速組成中將計算分為兩個部分,通過結構風向的相應過程對風荷載的作用力進行分析,通過空氣密度及壓力系數的設定,采用風動實驗方法獲得建筑物的迎風面寬度,在結構整體作用下對其模態進行分解。根據隨機振動理論對高聳建筑的設定進行解構,位移響應基于坐標設定獲得模態阻尼,在位移響應設定中對其求導能夠得到結構動力響應的速度、加速度和彎矩剪力等值[4]。

在脈動風速的三個方向中設置了相關性的檢測,發現其處于較弱狀態,通過對風場上數值的模擬將其簡化得到相應的風速場,在聲速遠大于風速的前提條件下設置氣體屬性,其風速與風壓的關系表達式為:

(1)

其中,w為所求風壓值,Pa;ρ為空氣密度,kg/m3,對其取值為1.25 kg/m3。那么式(1)根據空氣密度的取值可以進行簡化,獲得式(2)為:

(2)

根據結構動力學,結構低頻區域響應抵御外力作用的僅有彈力。基于此理論,荷載-響應相關法充分考慮了結構上脈動風力間的關聯性,用準靜風荷載的方式計算出結構的等效背景風荷載。風速在平均風與脈動風的組合中實現隨風振變動,可以得到風場的穩定環境條件。基于脈動風壓隨時間的變化規律及外界環境的改變,通過空氣密度的變化及外界障礙物的阻擋,將風振力作用的風荷載求解為:

(3)

1.4 高聳結構風振控制等效設計優化

基于諧波疊加對風荷載數值進行確定,如果在模擬過程中存在較多的模擬點數時,會導致計算量的增大,所以要對該結構下模擬過程的等效設計進行優化,優化流程如圖2所示。

在風振結構的模態分析中,設定數學模型對原有的控制模擬進行優化,通過若干個模態參數,描述實際的動態特性,將復雜的理論計算以及多自由度的問題,分解為簡單化的單自由度的耦合模型。對模態的設定基于風振控制結構中的阻尼器,通過主體結構的位移為基礎,設置風振信號的振型,優化后的模型表達式為:

(4)

其中,N為頻率采樣點數,Hz;Φi為風振控制中的結構參數;xi為隨機的風振信號,m。為了解決上述解耦公式分析中存在的一定荷載向量問題,設置的隨機風振的響應取值應在一定范圍內,在理論設定中完成對于高層建筑的高聳結構的風振控制。

2 實驗論證分析

2.1 實驗說明

在高層建筑中高聳結構風振控制等效設計實驗中,為了驗證所設計的控制方法的有效性,通過搭建仿真實驗環境對控制方法進行有效性驗證。在仿真實驗環境中,再將風振控制等效設計方法與傳統的控制方法進行對比。在仿真實驗中要設置足夠的對比基礎,以實際參數進行設定并通過對仿真環境的搭建,選擇部分樣本并在數據中進行隨機提取,通過建筑數據構建風振參數控制效果的對比實驗。以高層建筑為研究對象,設置實驗樓層為10層—20層的建筑數據,通過實驗中設計控制方法下的復模態位移與傳統方法中的位移進行對比,獲得基于設計方法使用后的風振力減小比例,分析出控制方法的優勢性。

2.2 實驗環境搭建與開展

仿真實驗中,為了對高層建筑的風振控制方法設計結果進行有效性驗證,設置實驗環境參數如表1所示。

表1 實驗環境參數

在上述的主要參數中對實驗仿真環境進行構建,將上述參數編入至程序中,通過設計方法中的諧波疊加原理對風振進行節點高度的測驗。由于設定節點過多,選取部分具有實驗代表性的節點進行說明,對高層建筑中的高聳建筑結構進行模擬。為了實驗的仿真效果,實驗過程中作了如下約束:首先在節點處的風速設置隨機模擬為20 m/s以內,并保持風速的平穩狀態;其次設置脈動風速時程的風速均值為0;最后設定隨機模擬節點中,使風振功率與目標功率的曲線盡量保持一致,保證實驗結果貼近實際效果。除此之外,還應設置樓層中鋼材的扭轉角,便于在風荷載的受力中進行分析,在結構平動力中設定結構扭轉中的剪力之和,并以結構的平動側移為基準設定層間的扭轉角,通過單向偏心力的作用,實現對樓層中第i層的扭轉角計算:

(5)

2.3 實驗結果

根據上述的仿真實驗環境的構建,將所設計控制方法與傳統方法進行對比,對比實驗結果如表2所示。

根據表2的實驗結果,可以對風振控制方法結果進行分析,從10層至24層的15層建筑中,以設計的控制方法的復模態位移為出發點,通過對兩種風振控制方法的比對,獲得實驗數據。基于15層高層建筑的風振力減少比例的考量,設計方法能夠同比減小15%～18%左右的風振力,對現代環境下的高層建筑的高聳結構起到了良好風振力控制作用,可以將該方法應用到實際高聳建筑結構的設計當中。

3 結語

本文對高層建筑中高聳結構風振控制等效設計進行了分析研究,通過對高聳結構空間的分析,設定了基于高層建筑的空間解耦,在對風振控制的等效荷載進行去除之后,對整體設計進行了優化。在實驗中驗證了設計的優勢性,在傳統控制方法中對風振效應實現了等比減小,一定程度上實現了風振控制的目的。但是,本文仍舊存在一些不足之處,還需要在以后的研究中進行優化。