超高层建筑结构风振控制与抗风设计

摘 要本文从风荷载的特点及其效应出发,针对性的提出了降低结构风振反应的措施,重点叙述了机械措施,得出结论如下：在结构振幅最大处设置自振频率与结构一阶自振频率相接近的TMD也是减小风振反应的有效措施.最后,本文还讨论了一种基于我国《建筑结构荷载规范》的高层建筑风振控制的实用化设计方法.

风荷载是各类建筑物的重要设计荷载之一.对大跨空间结构、高层建筑而言,风荷载常常起主要甚至决定性作用,复杂的动力风效应影响成为结构设计的控制因素之一.随着新技术、新材料、新型式、新设计方法的应用,工程结构日趋多样化、大型化、复杂化,对风敏感程度越来越强.然而,在现行的建筑结构规范中,上述结构的抗风设计参数并不完善,风与结构间复杂的相互作用对结构抗风设计、防灾减灾分析提出了巨大挑战.因此重大工程结构在风荷载作用下的动力响应特性研究越来越受到学术界和工程界的关注与重视.

一、风荷载特点及其效应

随着高强轻质材料的应用和设计水平的不断提高,现代建筑不断向高层和超高层的方向发展,结构的阻尼更小,柔度更大.高层建筑的特点是长细比较大,在动力荷载作用下易产生振动和变形,长期的、频繁的中低风作用使高层建筑某些局部构件产生疲劳破坏,从而使整个结构失稳.当高层建筑的自振频率接近风的卓越频率时,结构响应进一步加剧,风振的影响非常显著.据统计,结构由于风灾产生的破坏占结构破坏总数的大部分.风荷载已成为高层、超高层结构的主要设计荷载之一,已成为结构设计中不容忽视的内容.

根据大量实测的风速时程记录,可将风看作由平均风（长周期的稳定风）和脉动风（短周期的波动风）组成.平均风是在给定的时间间隔内,把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不随时间而改变的量.由于风的长周期远远大于结构的自振周期,可等效为静态作用处理,应用结构静力计算.脉动风的强度是随时间按随机规律变化的,由于周期较短,应用随机振动理论进行分析.

由于气流的惯性和粘性,风流经非流线型的高层建筑时,会产生复杂的流固相互作用效应,主要表现为气流的分离、再附着、涡的形成和脱落以及尾流的发展；同时产生气动力.风荷载对高层建筑有明显的三维荷载效应,按照气动力的合力方向,风荷载对建筑的作用主要分为顺风向荷载,横风向荷载,扭转风荷载.

在三维气流流动中,顺风向有平均风和脉动风的共同作用；而在与平均风垂直的水平方向,即横风向以及竖直方向仅有脉动风作用.因此,对于建筑结构,其风效应主要包括：顺风向效应、横风向效应,风致扭转效应及结构的自激振动反应.

二、风振控制的设防目标

为了使高层建筑在风荷载作用下不会发生局部破坏、结构开裂和变形过大等现象,以保证结构的安全,结构的抗风设计必须保证强度、刚度和舒适性的要求.

影响人体感觉不舒适的主要因素是振动频率、振动加速度和振动持续时间.由于持续时间取决于阵风本身,而结构振动频率的调整又十分困难,因此一般使用限制结构振动加速度的方法来满足舒适度的要求.

三、降低结构风振相应的措施

目前超高层建筑抗风措施主要有气动措施、结构措施与机械措施三种方法.

3.1气动控制法

气动措施可分为被动控制,半主动控制与主动控制.

半主动控制与主动控制需要外界能量,通过改变气动措施的状态或向风场中吹气来改善结构周围的流场,特别是控制流动分离,从而减小流体作用在结构上的风力.但由于流体分布的随机性,导致这类措施很难用于工程实际.

被动气动控制,即通过改变建筑的外形以减小建筑的风荷载与风致效应,是一种常用并且十分有效的措施,并且可以与建筑设计相结合.气动措施用于建筑的方案设计阶段,基于风对超高层建筑的作用机理,能从根源上减小结构的风荷载与风致效应.

3.2结构控制法

通过增强结构本身的抗风性能来抵抗风荷载的作用,即通过提高结构本身的强度和刚度,由结构本身储存和消耗风振能量来抵御风荷载.这种传统的抗风设计方法,不一定安全,也很不经济,失去了轻质高强材料本身的优势.仅用于结构设计阶段.

3.3机械控制法

机械措施是通过在主体结构上添加辅助阻尼系统来减小结构的风致响应,比如台北101大厦与上海环球金融中心都在其顶部设置调谐质量阻尼器来控制结构顶部的位移与加速度,以满足结构强度、刚度与舒适度的要求.机械措施也可以用来提高建筑的抗震性能.

调谐质量阻尼器系统是结构被动减振控制体系的一类,它由主结构和附加在主结构上的子结构组成.其中子结构包括固体质量、弹簧减振器和阻尼器等,具有质量、刚度和阻尼,由于这种系统是利用调整子结构的动力特性来减小结构的动力特性的,而不是靠提供外部能量,故称为“被动调频减振控制体系”.

TMD在控制结构振动方面是一种有效的减振装置.它具有简洁、可靠、有效以及低成本等优点,倍广泛的应用到高层结构以及的土木工程结构的振动控制中,尤其是高层建筑,电视塔以及桥梁结构的抗风设计.

四、设置TMD的结构抗风设计的实用方法

项海帆等提出了一种基于我国《建筑结构荷载规范》的高层建筑风振控制的实用化设计方法.由于不论何种减振装置（主动,被动,半主动）,其减振的效果都可认为是相当于增加了结构的阻尼.

4.1强度和刚度的抗风设计方法

对于高层建筑结构强度和刚度的抗风设计,一般考虑结构顺风向的平均风和脉动风的共同作用.根据高层建筑结构设计规范,作用在高层建筑任意高度处顺风向的等效静力风荷载标准值可按下述公式计算：

式中,为基本风压,为风荷载体型系数,为风压高度变化系数,为重现期调整系数,为顺风向Z高度处的风振系数.显然,公式（1）中只有风振系数与结构阻尼比有关.考虑到设置被动的减振装置的作用是将高层建筑结构的阻尼比提高到,因此,根据《建筑结构荷载规范》,受控结构的风振系数应为：

式中脉动增大系数可表示成：

式中：

由此可知,在求得设置被动减振装置的高层建筑结构控制效果的结构等效阻尼比和有效阻尼比后,就可按式（2）和（3）求得受控结构降低了的风振系数,并最终由（1）计算得到受控结构上降低了的等效设计风荷载的标准值.依此等效设计风荷载的标准值就可如同常规的抗风设计一样,用静力计算的方法求得受控高层建筑结构在风荷载和其它荷载组合下的结构构件内力和结构层与层间位移,并最终验算它们的强度和刚度的抗风设计要求.

4.2舒适度的抗风设计方法

由于舒适度主要取决于结构的风振层加速度,因此设置被动减振装置的高层建筑结构舒适度的抗风设计只需考虑受控结构风振层加速度的计算方法.根据高层建筑结构设计规程,结构顶部顺风向脉动风振加速度的设计计算值为：

其中A为高层建筑总的迎风面积,mtot为建筑物总质量.显然,对于设置被动减振装置的高层建筑,只需依其有效阻尼比,按公式（3）求得降低了的脉动增大系数后,就可由式（4）得到αw.并最终验算舒适度的抗风设计要求.