淺談高墩柔性結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)控制

淺談高墩柔性結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)控制

0高頻結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的問題高層建筑以其簡單美觀的建筑形式在城市中得到了廣泛應(yīng)用，是城市地標(biāo)的重要建筑。高聳結(jié)構(gòu)因其具有較大的高寬比,結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度與自振頻率較小,在風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生振動(dòng)從而使得高聳結(jié)構(gòu)的舒適度、變形能力及穩(wěn)定性均受到嚴(yán)重的威脅。根據(jù)高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振破壞的情況,可以看出其風(fēng)致失效形式主要有以下三種1觀塔外框架該旅游觀光塔總高135.5m,結(jié)構(gòu)由鋼框架核心筒和外框架組成。觀光塔外框架部分為6根鋼柱,沿高度方向每相隔20m左右設(shè)置環(huán)向橫梁。該工程地面粗糙度類別為A類,進(jìn)行舒適度驗(yàn)算時(shí),取重現(xiàn)期為10年的基本風(fēng)壓0.45kN/m2tmd系統(tǒng)方案該旅游觀光塔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)以整體彎曲變形為主,結(jié)構(gòu)層間變形較小。因此,采用安裝在層間的速度相關(guān)型阻尼器或位移相關(guān)型阻尼器,都難以充分發(fā)揮其耗能減振作用。擬對該觀光塔設(shè)置TMD進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用下的舒適度控制。綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)使用功能、安裝條件、各種TMD方案的優(yōu)缺點(diǎn)和造價(jià)等因素,采用懸吊式TMD減振系統(tǒng)。為節(jié)約造價(jià),采用總重約為36.4t的消防水箱作為TMD系統(tǒng)的慣性質(zhì)量,則TMD系統(tǒng)的模態(tài)質(zhì)量比約為3.22%。結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02,則TMD系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)附加的等效阻尼比約為0.0404,設(shè)置TMD系統(tǒng)的受控結(jié)構(gòu)的等效阻尼比約為0.0604?？紤]本結(jié)構(gòu)第一階和第二階振型振動(dòng)的特性基本相同,設(shè)計(jì)的懸掛式TMD系統(tǒng)滿足控制兩個(gè)方向的振動(dòng)(第一階和第二階振型振動(dòng))的要求,取兩階振型振動(dòng)的平均周期約2.85s,最優(yōu)頻率比為0.97,對應(yīng)懸吊式TMD系統(tǒng)的周期為2.95s,則TMD系統(tǒng)的剛度和阻尼分別為164.96kN/m和6.26kN·s/m,擺長約2.17m,TMD系統(tǒng)擺角約為5度時(shí)其行程約為0.18m,TMD系統(tǒng)擺角約為10°時(shí)其行程約為0.36m,基本滿足單擺線性擺角范圍的要求。3由于旅游塔風(fēng)的振動(dòng)，td減速根據(jù)A類地貌10年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.45kN/m3.1mtd減少振動(dòng)聯(lián)合分析與結(jié)構(gòu)風(fēng)軸運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)3.1.1tmd控制系統(tǒng)根據(jù)U2方向風(fēng)荷載工況下的頂層位移和加速度時(shí)程曲線分析可知結(jié)構(gòu)以第一階振型頻率0.348Hz振動(dòng)。沿結(jié)構(gòu)不同高度處的無控/有控的結(jié)構(gòu)峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移的對比見圖3,結(jié)構(gòu)頂層、設(shè)備層和觀光層的結(jié)構(gòu)峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移無控/有控的對比見表1,無控/有控結(jié)構(gòu)基底反力對比見表2。從圖3、表1和表2可以看出采用TMD控制系統(tǒng)可使基底剪力降低14.67%、傾覆力矩降低20.38%,頂點(diǎn)平均位移最大值降低約37.67%,并可使結(jié)構(gòu)頂部平均加速度最大值降低約35.7%,從而滿足舒適度要求。由于TMD控制系統(tǒng)為動(dòng)力減振裝置,它對脈動(dòng)風(fēng)荷載引起的加速度等動(dòng)力響應(yīng)有更好的控制效果。此風(fēng)荷載工況下TMD控制系統(tǒng)行程為120mm。3.1.2tmd控制系統(tǒng)穩(wěn)定性根據(jù)-U2方向風(fēng)荷載工況下的頂層位移和加速度時(shí)程曲線分析可知結(jié)構(gòu)以第一階振型頻率0.348Hz振動(dòng)。沿結(jié)構(gòu)不同高度處的無控與有控的結(jié)構(gòu)峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移的對比見圖4。結(jié)構(gòu)頂層、設(shè)備層和觀光層的結(jié)構(gòu)峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移無控/有控的對比見表3,無控/有控結(jié)構(gòu)基底反力對比見表4。從圖4、表3和表4可以看出采用TMD控制系統(tǒng)可使基底剪力降低約15.38%、傾覆力矩降低約21.66%,頂點(diǎn)平均位移最大值降低約37.5%,并可使結(jié)構(gòu)頂部平均加速度最大值降低約37.3%,滿足舒適度要求。此風(fēng)荷載工況下TMD控制系統(tǒng)行程為112mm。3.1.3tmd控制系統(tǒng)根據(jù)Y方向風(fēng)荷載工況下的頂層位移和加速度時(shí)程曲線分析可以看出TMD系統(tǒng)對頂層由Y方向風(fēng)荷載引起的加速度和位移的減振效果要好于U2方向,結(jié)構(gòu)以第二階振型頻率0.356Hz振動(dòng)。沿結(jié)構(gòu)不同高度處的無控與有控的結(jié)構(gòu)峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移的對比見圖5,結(jié)構(gòu)頂層、設(shè)備層和觀光層的結(jié)構(gòu)峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移無控/有控的對比見表5,無控/有控結(jié)構(gòu)基底反力對比見表6。從圖5、表5和表6可以看出采用TMD控制系統(tǒng)可使基底剪力降低約18.7%、傾覆力矩降低約23.13%,頂點(diǎn)平均位移最大值降低約40.7%,并可使結(jié)構(gòu)頂部平均加速度最大值降低約40.7%,從而滿足舒適度要求。此風(fēng)荷載工況下TMD控制系統(tǒng)行程為136mm。3.1.4tmd控制系統(tǒng)根據(jù)-Y方向風(fēng)荷載工況下的頂層位移和加速度時(shí)程曲線分析可知TMD系統(tǒng)對頂層由-Y方向風(fēng)荷載引起的加速度和位移的減振效果與Y方向相差不多,結(jié)構(gòu)以第二階振型頻率0.356Hz振動(dòng)。沿結(jié)構(gòu)不同高度處的無控與有控的結(jié)構(gòu)峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移的對比見圖6,結(jié)構(gòu)頂層、設(shè)備層和觀光層的結(jié)構(gòu)峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移無控/有控的對比見表7,無控/有控結(jié)構(gòu)基底反力對比見表8。從圖6、表7和表8可以看出采用TMD控制系統(tǒng)可使基底剪力降低約16.8%、傾覆力矩降低約21.72%,頂點(diǎn)平均位移最大值降低約40.85%,并可使結(jié)構(gòu)頂部平均加速度最大值降低約39.02%,從而滿足舒適度要求。此風(fēng)荷載工況下TMD控制系統(tǒng)行程為147mm。3.2tmd慣性質(zhì)量行程驗(yàn)算經(jīng)計(jì)算,100年重現(xiàn)期脈動(dòng)風(fēng)荷載下頂點(diǎn)動(dòng)位移峰值為0.081m。在風(fēng)荷載作用下,TMD行程與其安裝位置的結(jié)構(gòu)動(dòng)位移之比約為3.55,由此可估算出相應(yīng)的TMD慣性質(zhì)量行程y當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇100年重現(xiàn)期以上的風(fēng)荷載作用時(shí),TMD的行程可通過黏滯阻尼器緩沖裝置進(jìn)行限位。3.3結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)初步驗(yàn)算結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動(dòng)是由風(fēng)的湍流和建筑物尾流中的漩渦共同作用引起的,漩渦的特性與建筑物的形狀和風(fēng)的特性有關(guān),所以結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向的振動(dòng)不能通過順風(fēng)向的振動(dòng)理論來分析計(jì)算。由于該旅游觀光塔的橫截面形式為“Y”形,現(xiàn)有規(guī)范沒有給出此類型橫截面斯托拉哈數(shù)和升力系數(shù)的取值,因此無法精確地進(jìn)行橫風(fēng)向動(dòng)力荷載的取值和結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)的計(jì)算分析?，F(xiàn)參考文獻(xiàn)Appliedfluiddynamicshandbook(BlevinsR.D,VanNostrand1984)里面,橫截面形式為直角的斯托拉哈數(shù)取值0.13進(jìn)行結(jié)構(gòu)渦激共振的初步驗(yàn)算。本結(jié)構(gòu)高寬比約為6,則結(jié)構(gòu)迎風(fēng)表面為22.58m;根據(jù)結(jié)構(gòu)10m高度處的平均風(fēng)速26.83m/s和A類地貌的設(shè)計(jì)條件,則結(jié)構(gòu)頂部(135.5m)處的平均風(fēng)速為v詳細(xì)的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)及其TMD減振效果的計(jì)算分析,尚需基于風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果來進(jìn)行復(fù)核和對比。4tmd控制系統(tǒng)從上述順風(fēng)