超高层建筑风振问题综述

随着现代材料技术和施工技术的发展,土木结构向着高、大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展,使得结构对风的敏感性大大增强,风荷载正逐渐成为结构设计时的主要侧向荷载之一,甚至是决定性的设计荷载.因此对于高、长等柔性结构的抗风计算和设计是结构抗风安全的关键,具有重要意义.合理的进行结构抗风设计,是保证结构安全的重要因素,特别是超限高层建筑,由于它们的结构设计计算己经超出了相关规范及规程的要求.因此,在设计时应进行专门的研究,对于实际工程具有现实的指导意义.

一、风对建筑结构的作用及结构抗风设计要求

风荷载是建筑物的主要荷载之一,虽然其作用幅度比一般地震荷载小,但其作用频度却较地震荷载高得多.随着结构规模的增加(高度与长度),风荷载变得越来越重要以至于最后成为结构设计中控制性荷载,即非抗震设计时的荷载效应组合控制结构的设计.

1.1建筑结构的风致效应

建筑结构的风致效应包括静力效应和动力效应.静力风效应是指由于结构上的静力风荷载所引起的结构的静内力和静位移,动力风效应是指由结构上的脉动风荷载和漩涡干扰力所引起的结构的振动反应,包括振动内力、振动位移和振动加速度.

1.2风对建筑结构的作用

在风力的作用下处在风场中的建筑物承受由风引起的静力荷载与动力荷载.按风对建筑物作用力的方向不同可分为:

1.在建筑物的迎风面上产生的压力(气流流动产生的阻力),包括静压力和动压力,

2.在横风向产生横风向干扰力(气体流动产生的漩涡扰力与湍流脉动压力),

3.空气流经建筑物后在建筑物的背后产生的涡流干扰力(包括背风向的吸力).

1.3建筑结构抗风设计要求

建筑物抗风设计必须保证结构在使用过程中不出现破坏现象,主要涉及以下几个方面：

1.结构抗风设计必须满足强度设计的要求,也就是说结构的构件在风荷载和其他荷载的共同作用下内力必须满足强度设计的要求.确保建筑物在风力的作用下不会产生倒塌、开裂和大的残余变形等破坏和损伤.

2.结构抗风设计必须满足刚度设计的要求,以防止建筑物在风力作用下产生过大的变形,引起隔墙的开裂、建筑装饰和非结构构件损坏.

3.结构抗风设计还需要满足舒适度设计的要求,以防止人员对风力作用下引起的摆动造成不舒适感.

二、高层建筑结构风荷载研究主要方法

目前,对于高层建筑风荷载的研究其主要方法有:

2.1风洞实验研究

由于风荷载与结构的相互作用机理复杂、理论分析困难,要深入了解流体流经钝体建筑物所引起的许多复杂作用仍然需要进行物理实验.目前低速风洞试验是研究高层建筑风振响应的主要方法.

2.2理论研究

高层建筑风振响应理论研究主要有两种方法：1）频域法,它根据随机振动理论,建立了输入风荷载频谱特性与输出结构响应之间的直接关系.2)时域法,它是一种直接动力方法,是基于将随时间变化的风荷载作为计算的输入数据,结构的阻尼、刚度、质量分布是计算的对象,直接求解运动微分方程而最终得到动态响应数据.

2.3计算风工程

计算风工程又称为数值风洞方法,它以流体动力学为理论基础,依靠先进的电子计算机用数值方法模拟风与结构的相互作用过程.

三、风振控制

3.1控制的概念

最早是由Kabori和Minai在1960年提出的.与结构自身的加固和加强相比结构中引进附加控制系统,具有明显的优势.结构控制是控制技术和建筑领域的交叉学科,是建筑模型下应用控制理论达到建筑安全、舒适目标的课题.根据控制力是否有外加能源输入,结构控制可分为被动控制和主动控制.

3.2被动控制

被动控制突破了传统的设计方法,使仅依靠增加结构本身性能来抵抗动力荷载的方法发展为由结构的抗震抗风控制体系能动地控制结构的动力反应.

3.2.1耗能减振系统

耗能减振系统是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件,或在结构物的某些部位设置阻尼器,在风荷载作用时,阻尼器产生较大的阻尼,大量耗散能量,使主体结构的动力反应减小.耗能减振系统可分为两类:(1)耗能构件减振体系,利用结构的非承重构件作为耗能装置,常用的耗能构件包括耗能支撑、耗能剪力墙等.(2)阻尼器减振系统,包括粘弹性阻尼器VED、金属阻尼器、摩擦阻尼器等.

3.2.2吸振减振系统

吸振减振技术是在主结构中附加子结构,使结构振动发生转移,即使结构的振动能量在主结构与子结构之间重新分配,从而达到减小结构风振反应的目的.目前主要的吸振减振装置有调谐质量阻尼器TMD、调谐液体阻尼器TLD等.

3.2.3TMD系统（TunedMassDamper）

TMD能有效地减小结构风振反应已为人们普遍接受.已有许多TMD成功地装置在世界各地的高层钢结构上,如美国纽约的CiticorpCenter(59层),台北101大楼等.

3.2.4调谐液体阻尼器TLD（TunedLiquidDamper）

利用液面振荡力作为控制力作用于结构时为调谐液体阻尼器TLD.简化模型主要有“集中质量法”和“浅水波动理论法”两类.

3.3主动控制

由于主动控制的实时控制力可以随激励输入改变,其控制效果不依赖于外荷载的特性,因此明显优于被动控制,越来越得到人们的重视.目前,结构主动控制的理论研究以各种控制算法为主线,采用计算分析和模拟方法研究结构主动控制的可行性、控制系统的时滞效应和时滞补偿、控制参数对控制效果的影响等问题.各种主动控制算法不断被提出.

四、高层及超高层建筑风振舒适度控制

高层建筑在强风作用下由于脉动风的影响将产生振动,这种振动有可能使在高层建筑内生活或工作的人在心理上产生不舒服感,从而影响建筑物的正常使用.高层建筑钢结构的刚度相对较小,人体舒适度问题更为严重.因此,在高层建筑钢结构设计规程中,均要求验算人体舒适度.然而,高层钢结构风振舒适度控制仅靠增加结构自身的水平刚度和阻尼是很不经济的、有时甚至是无法做到的.设置TMD/TLD来减小结构的风振加速度是高层钢结构的重要发展方向之一.

五、结论

高层建筑对风的动力作用较敏感,风振作用成为结构分析中不容忽视的因素,一般把风的动力效应通过风振系数转化成结构的拟静力计算,在此基础上根据需要进行结构动力分析、模型风洞实验或专门计算校核等.高层建筑受风荷载的影响效应和在抗风设计中风振系数、水平位移指标等参数的正确选取是高层建筑抗风设计的关键.同时主动和被动控制结构的风致振动效应也是当前抗风的主要措施.