高層建筑風(fēng)敏感性及風(fēng)振控制方法簡(jiǎn)述

1、高層建筑風(fēng)敏感性及風(fēng)振控制方法簡(jiǎn)述xxx（南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院土木工程系，南京，210016）摘要：針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)特性，在考慮風(fēng)荷載的影響因素及特點(diǎn)基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)振分析的基本理論，就脈動(dòng)風(fēng)荷載特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行分析，并引出結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度的概念。通過(guò)對(duì)風(fēng)敏感度分析，驗(yàn)證了部分相關(guān)理論的可靠性，能在一定程度上反映結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)本質(zhì)特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度問(wèn)題的客觀、定量描述。同時(shí)，介紹了常用抗風(fēng)設(shè)計(jì)控制方法，引出了高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的一些原則和舒適性條件。關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載；風(fēng)敏感度；風(fēng)振特征；抗風(fēng)控制方法；舒適性Wind-sensitivity and wind-resis

2、tant controlof high-rise structureYu Chaofan(School of Civil Engineering, College of Aeronautice and Space, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016, China)Abstract: In consideration of the wind-resistant characteristics of high-rise structure, factors and features of wi

3、nd load are of great significance in the structural vibration analysis. According to the basic theory, while analyzing the characteristics of fluctuating wind load and structural dynamic, it smoothly draws out the concept of wind-sensitivity. Besides, through the analysis of wind-sensitivity, it ver

4、ifies that the related theories are of reliability, which reflects the essential characteristics of wind-induced response. And it describes the problems about wind-sensitivity objectively and quantitively. At the same time, some common control method of wind design are also introduced, in wich it le

5、ads to some principles of wind design and comfort conditions of high-rise structure.Key words: wind load; wind-sensitivity; characteristics of wind vibration; wind-resistant control; sense of comfort引言近年，我國(guó)興建了許多的高層建筑結(jié)構(gòu)，為眾多城市抹上一份不同的色彩。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)之一就是側(cè)向荷載是其最主要的控制因素。除地震荷載外，高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)的主要側(cè)向荷載是風(fēng)載

6、。由于高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)具有柔度大、阻力小、迎風(fēng)面大等特點(diǎn)，由風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力反應(yīng)在整個(gè)結(jié)構(gòu)反應(yīng)中所占的比重較大。對(duì)于非地震區(qū)及沿海等強(qiáng)風(fēng)地區(qū)來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中控制性荷載。因此，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。而在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論中，風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度是其基礎(chǔ)性問(wèn)題，它可以使結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究更具有針對(duì)性。同時(shí)，風(fēng)振控制方法也是當(dāng)前抗風(fēng)研究重點(diǎn)之一，它增大了高層建筑結(jié)構(gòu)的可靠性。本文將就這幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。1.風(fēng)荷載的特點(diǎn)1.1 風(fēng)荷載的特點(diǎn)風(fēng)荷載是控制高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要側(cè)向荷載，正確考慮風(fēng)力的作用，關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于高層建筑而言

7、，風(fēng)是一種持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的隨機(jī)荷載。風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)物體的作用，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生震動(dòng)，其產(chǎn)生的原因主要有以下三種：1）順風(fēng)向的風(fēng)力作用，它包括平均風(fēng)（靜壓力）和脈動(dòng)風(fēng)（動(dòng)壓力），其中脈動(dòng)風(fēng)（動(dòng)壓力）引起結(jié)構(gòu)物的順風(fēng)向振動(dòng)，這種形式的振動(dòng)在一般工程結(jié)構(gòu)中都要考慮；2）結(jié)構(gòu)物背后的漩渦引起結(jié)構(gòu)物的橫風(fēng)向的振動(dòng)；3）由別的建筑物尾流中的氣流引起的振動(dòng)。對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō),脈動(dòng)風(fēng)的作用是不容忽視的，因此在確定風(fēng)荷載的試驗(yàn)中，模型風(fēng)洞試驗(yàn)是必不可少的。1.2 風(fēng)荷載分類1.2.1 順風(fēng)向荷載順風(fēng)向風(fēng)荷載，即與風(fēng)的方向一致的風(fēng)力作用，是高層建筑承受的主要荷載。但隨著城市空間的日益緊密，高層建筑之間的距離越來(lái)越小，相鄰建筑之

8、間順向風(fēng)的干擾也越來(lái)越明顯。1.2.2 橫風(fēng)向荷載當(dāng)高層建筑的高寬比較大時(shí)，橫向風(fēng)動(dòng)力響應(yīng)的干擾效應(yīng)要大于順向風(fēng)荷載。但結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)響應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制往往比較復(fù)雜，一般認(rèn)為主要是由順向風(fēng)紊流、橫向風(fēng)紊流和尾流激勵(lì)三者共同作用產(chǎn)生的，但是由于橫風(fēng)向響應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制比較復(fù)雜，影響因素比較多，至今還沒(méi)有成熟的理論和計(jì)算方法。1.2.3 扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載扭轉(zhuǎn)響應(yīng)是因氣動(dòng)荷載瞬時(shí)作用點(diǎn)與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度中心不重合引起的。高層建筑扭轉(zhuǎn)風(fēng)振會(huì)增大截面邊界附近的位移與加速度，對(duì)于高寬比較大的高層建筑物，尤其是建筑物形狀不規(guī)則，迎風(fēng)面較大的建筑，扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載響應(yīng)大大增加，可成為建筑物邊界點(diǎn)響應(yīng)中的主要因素；此外由于高層建筑中的

9、舒適性要求較高，在高層建筑的設(shè)計(jì)中必須考慮到扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載的響應(yīng)問(wèn)題。12.結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度21 結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度的定義風(fēng)敏感度反映了結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)作用下響應(yīng)的顯著程度，主要受到尺度、頻率和模態(tài)3個(gè)關(guān)鍵效應(yīng)的影響。因此，要定量刻畫結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感性問(wèn)題，一個(gè)最直接的想法是，將包含上述3種效應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與不包含這3種效應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)作比值。由此可得到結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度的定義為：結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度是表征結(jié)構(gòu)真實(shí)脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)與某一基準(zhǔn)脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)的比值。即風(fēng)敏感度為風(fēng)敏感性的定量指標(biāo)，反映了結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)的顯著程度，風(fēng)敏感度數(shù)值愈大，表明結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)愈顯著。依據(jù)上述定義，要確定結(jié)構(gòu)的風(fēng)敏感度需要解決以下兩方面問(wèn)題：(1)合理確定結(jié)構(gòu)

10、的某種響應(yīng)作為分析對(duì)象結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)可以從多個(gè)方面來(lái)描述，如節(jié)點(diǎn)位移、桿件內(nèi)力、支座反力、系統(tǒng)應(yīng)變能等；從以往研究來(lái)看，采用不同的響應(yīng)指標(biāo)來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)特性，結(jié)果可能是不同的。為此，需要對(duì)采用不同指標(biāo)的合理性進(jìn)行考察。這里的“合理性”包含兩層含義：一是計(jì)算要相對(duì)簡(jiǎn)單，具有工程可操作性；二是要具有較好的規(guī)律性，便于區(qū)分不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)敏感程度。基于以上考慮，并通過(guò)大量試算，本文最終確定以系統(tǒng)應(yīng)變能作為計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度的響應(yīng)指標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)是：1)系統(tǒng)應(yīng)變能可以從宏觀上反映結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)特性，而位移或內(nèi)力等響應(yīng)指標(biāo)僅能夠反映結(jié)構(gòu)某一節(jié)點(diǎn)或桿件的特性；2)系統(tǒng)應(yīng)變能與結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力響應(yīng)都有密切聯(lián)系，

11、而后兩者恰恰是實(shí)際工程設(shè)計(jì)中較為關(guān)心的響應(yīng)指標(biāo)。(2)定義基準(zhǔn)脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)確定脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)基準(zhǔn)態(tài)的指導(dǎo)思想是，尋找一種不包含上述3種效應(yīng)的理想狀態(tài)。為此，本文將基準(zhǔn)態(tài)假定為“點(diǎn)狀剛性結(jié)構(gòu)”。“點(diǎn)狀”是指結(jié)構(gòu)受荷面積足夠小，可認(rèn)為作用在結(jié)構(gòu)上的脈動(dòng)風(fēng)荷載完全相關(guān)；“剛性”是指結(jié)構(gòu)剛度足夠大，可僅考慮結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)背景響應(yīng)，忽略共振響應(yīng)。由此可得到結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度的具體定義式為：22 結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度計(jì)算公式2基于上述尺度、頻率和模態(tài)3個(gè)關(guān)鍵效應(yīng)系數(shù)，可得到結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度的計(jì)算公式如下：（1）式中ET為脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)總應(yīng)變能；Eb為背景響應(yīng)分量應(yīng)變能；Er為共振響應(yīng)分量應(yīng)變能；Eb0加為點(diǎn)狀剛性結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)應(yīng)變能。

12、由于結(jié)構(gòu)背景響應(yīng)反映了脈動(dòng)風(fēng)荷載的準(zhǔn)靜力效應(yīng)，主要取決于外荷載的特性，受結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性的影響很小，而背景響應(yīng)應(yīng)變Eb與結(jié)構(gòu)背景響應(yīng)b的平方有關(guān)，再根據(jù)尺度效應(yīng)系數(shù)的定義式，有 2（2）將上式代回（1），可得結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度的計(jì)算公式： 2 （3）23 結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度分析圖1給出了5類屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)敏感度分布圖。可以看出，如果取=1.0作為一個(gè)分界線，球殼結(jié)構(gòu)處于分界線以下，其他4類結(jié)構(gòu)基本上處于分界線以上。這說(shuō)明球殼結(jié)構(gòu)的真實(shí)脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)小于相應(yīng)的基準(zhǔn)態(tài)脈動(dòng)風(fēng)響應(yīng)，其他4類結(jié)構(gòu)則相反。為探討其統(tǒng)一規(guī)律，本文引入一個(gè)無(wú)量綱的縮減頻率 2其中n1為結(jié)構(gòu)基頻率(Hz)；L為結(jié)構(gòu)特征尺度(m)，V0為基本風(fēng)速

13、(m/s)。顯然，縮減頻率n*不僅包含了結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，同時(shí)也包含了來(lái)流的參數(shù)。 圖1 不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)敏感度分布2 圖2 結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度2圖2給出了結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度隨n*的變化曲線，由圖可知：(1)5類結(jié)構(gòu)的風(fēng)敏感度從大到小依次為：鞍形索網(wǎng)>懸挑屋蓋(平板網(wǎng)架)>柱面網(wǎng)殼>球面網(wǎng)殼。顯然，風(fēng)敏感度是與結(jié)構(gòu)剛度密切相關(guān)的一個(gè)參數(shù)，總體表現(xiàn)為柔性結(jié)構(gòu)大于剛性結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)大于曲面結(jié)構(gòu)。這符合一般意義上人們對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振特性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也說(shuō)明本文定義的風(fēng)敏感度能夠較好的反映結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)特征；(2)風(fēng)敏感度是縮減頻率n*的遞減函數(shù)，具有較好的規(guī)律性，在今后的實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)縮減頻率對(duì)風(fēng)敏感度

14、進(jìn)行估算。3.高層建筑風(fēng)振控制方法3.1控制的概念結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制是指在結(jié)構(gòu)發(fā)生風(fēng)振反應(yīng)時(shí)，由設(shè)置在結(jié)構(gòu)上的一些控制裝置主動(dòng)或被動(dòng)地產(chǎn)生一組控制力，以達(dá)到減小和抑制結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)的目的。根據(jù)其控制原理大致可分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。3.2控制的類型主動(dòng)控制當(dāng)有外部能源輸入時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制即為主動(dòng)控制。當(dāng)風(fēng)振控制為主動(dòng)控制時(shí)，控制力由外加能源主動(dòng)施加，這時(shí)風(fēng)振控制主要是如何合理地選擇控制力的施加規(guī)律，以使結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)滿足減振要求。主動(dòng)控制作動(dòng)器通常是液壓伺服系統(tǒng)或電機(jī)伺服系統(tǒng)，一般需要較大甚至很大的能量驅(qū)動(dòng)。主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（active mass damper or active mass dr

15、iver,AMD）等組成的主動(dòng)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制應(yīng)用中較為成功。此外，智能材料自適應(yīng)控制是目前主動(dòng)控制研究的新熱點(diǎn)，如形狀記憶合金（shape memory alloy,SMA）、電（磁）致流變材料等。3被動(dòng)控制當(dāng)有外部無(wú)能源輸入時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制即為被動(dòng)控制。當(dāng)風(fēng)振控制為被動(dòng)控制時(shí)，控制裝置與結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)而產(chǎn)生控制力?？刂屏κ潜粍?dòng)產(chǎn)生的，它是結(jié)構(gòu)的位移與速度的函數(shù)。這時(shí)的風(fēng)振控制主要是如何合理選擇控制裝置的參數(shù)，以使其產(chǎn)生的控制力能是結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)達(dá)到減振要求。這種控制時(shí)通過(guò)設(shè)置耗能元件來(lái)完成的。3耗能減振技術(shù)主要通過(guò)在結(jié)構(gòu)的某些部位增設(shè)耗能器或耗能部件,為結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度或附加阻尼

16、。在風(fēng)荷載作用時(shí)，阻尼器產(chǎn)生較大的阻尼，大量耗散能量，使主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)減小，從而更好地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全，是一種有效、安全、經(jīng)濟(jì)且日漸成熟的工程減振技術(shù)。目前開發(fā)的耗能裝置主要有金屬耗能器、摩擦耗能器、粘彈性耗能器、粘滯耗能器，前兩種耗能器的耗能特性主要與耗能器兩端的相對(duì)位移有關(guān)，稱為位移相關(guān)型耗能器(或滯變型耗能器)，后兩種耗能器的耗能特性主要與耗能器兩端的相對(duì)速度有關(guān)，稱為速度相關(guān)型耗能器。耗能減振系統(tǒng)可分為兩類:1) 耗能構(gòu)件減振體系，利用結(jié)構(gòu)的非承重構(gòu)件作為耗能裝置，常用的耗能構(gòu)件包括耗能支撐、耗能剪力墻等。2) 阻尼器減振系統(tǒng)，包括摩擦阻尼器、軟鋼和合金阻尼器、鉛阻尼器、粘彈性阻

17、尼器VED、油阻尼器等。4.結(jié)論通過(guò)分析，可得風(fēng)敏感度的概念從時(shí)間和空間上較全面地概括了脈動(dòng)風(fēng)特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性之間的關(guān)系，揭示了結(jié)構(gòu)抗風(fēng)問(wèn)題的本質(zhì)特性，較好地反映了結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)特征，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度問(wèn)題的客觀、定量描述。同時(shí)，定性地介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的復(fù)雜特性，指出其是控制高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要側(cè)向荷載，正確考慮風(fēng)力的作用，關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。并且，分析并說(shuō)明其產(chǎn)生的原因主要有順風(fēng)向和橫風(fēng)向的風(fēng)力作用及由別的建筑物尾流中的氣流引起的振動(dòng)組成。而高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制方法則有主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。其區(qū)別在于有無(wú)外部能源的輸入。參考文獻(xiàn)1楊團(tuán)結(jié)，淺談高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)及風(fēng)振有效控制方法J，科技信息，2012,332-333. Yang Tuanjie, Wind-resistant & wind-induced vibration control in high rise structureJ, Science and Technology Information,2012,332-3332張建勝，武岳，吳迪，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)敏感性分析，J，振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2011,24（6）：682-688. Zhang Jiansheng, Wu Yue, Wu Di, Wind-sensitivity in design