某高层结构风振与地震反应控制设计方案的对比分析

摘 要：针对某98.93m高层结构自身特点设计了三种减振控制方案,即方案一将阻尼器布置在结构顶部21~26层;方案二将阻尼器布置在结构中部12~14层;方案三将阻尼器布置在结构下部3~4层,并以所模拟的脉动风荷载时程及所选地震波作为动力荷载输入,对结构进行各方案下的风振和地震反应控制对比分析。结果表明,各方案下风振与地震输入能量可得到不同程度的耗散而衰减结构的风振与地震反应。在结构的风振控制方面,方案二对结构顶层加速度和侧移的最大控制效果分别达43%和44%,其总体控制效果稍优于方案一,显著优于方案三;在结构的地震控制方面,方案一与方案二对结构顶层侧移的控制效果相当,均在10%左右,方案三控制效果最小。对同时考虑风振与地震反应的高层结构控制设计,建议尽量将减振装置设置在结构的中上部楼层,以最小的投入达到最大的控制效果。     

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。     

基于风振性能的高层建筑抗风设计优化

提出了一个基于风振性能的结构优化设计方法来解决高层建筑在各种风灾条件下的风致性能设计问题。借签抗震性能设计方法,划分了高层建筑的三水准抗风设防标准。各水准下的风灾烈度及其概率要素可以通过对气象部门的极端风速记录开展统计极值分析来进行。基于高层建筑风致动力响应的频域内风振模态分析,给出了各种风致加速度指标的实用表达式。通过数学建模对风致性能的结构优化设计问题作出了精确描述,用结构构件尺寸等设计变量显式的表达出各种风振性能设计指标。发展了基于优化准则法的数值算法来求解高层建筑在多种风致性能设计约束条件下的结构最优设计。最后,通过一个40层住宅楼的工程实例验证了文中提出的多级抗风性能自动化结构设计方法的有效性和实用性。     

高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的分析方法

高层建筑横风向风致响应和等效静力风荷载是风工程和结构工程领域关注的问题。基于既有高层建筑横风向气动力和气动阻尼研究成果,推导出一套高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的计算方法。该方法考虑了广义气动力的振型修正、气动阻尼及背景分量对风致响应的影响。通过算例与日本AIJ(2004)推荐的横风向荷载的计算方法进行了比较,显示了本计算方法的便捷性和结果的准确性,并分析了振型修正、气动阻尼和背景分量等因素对计算结果的影响。     

防晃水箱控制高层建筑风振响应研究

防晃水箱作为一种新型调谐流体阻尼器,是在一般水箱内安置环形防晃板,在高层建筑顶部设置这种水箱可以增加阻尼,减小建筑物的振动响应。本文应用数值模拟技术对高层建筑物的顺风向和横风向风载进行了时程模拟,考虑了水箱和结构间的动力耦合作用,分析了水箱对高层建筑物风响应的控制作用,为强风下研究高层建筑物的舒适性和安全性提供了一个有效的分析过程,也为合理设计防晃水箱提供了理论依据。     

高层建筑风振控制基于规范的实用设计方法

在建立了设置被动减振装置的高层建筑风振控制效果结构等效阻尼比计算公式的基础上,依据《建筑结构荷载规范》和高层建筑结构设计规程提出了设置被动减振装置高层建筑风振控制基于规范的实用设计方法。应用本文方法对设置矩形ＴＬＤ的上海中环广场超高层建筑的计算结果表明：本文方法具有简单、直观,且可与常规的结构抗风设计结果进行直接比较的特点,是风振控制规范化的一种设计方法,完全可为广大结构工程师所接受。     

巨型结构自振特性的影响因素分析

巨型结构体系是适应超高层建筑发展趋势和特点的新型结构体系,该文选取上海环球金融中心大厦为研究对象,该结构采用巨型框架结构、钢筋混凝土筒结构和伸臂钢桁架组成的三重结构体系抵抗水平荷载,进行了整体结构模型的振动台试验,并利用有限元软件ANSYS进行了自振特性分析,理论分析与试验结果进行了验证,探明了该巨型结构体系的动力特性和主要影响因素,可供工程设计人员在结构选型和方案设计时参考。     

高层建筑楼顶钢塔风振效应的参数研究

本文针对高层建筑楼顶钢塔的风振效应开展研究,采用线性滤波法模拟了结构的脉动风荷载时程,探讨了主体结构、楼顶钢塔及二者整体工作三种情况的动力特性,分析了脉动风速谱、频率比、楼顶钢塔高度和跨度等6种不同参数对结构顺风向风振动力性能的影响,并对比分析了线性和非线性粘滞阻尼器及粘弹性阻尼器三种速度相关型阻尼器对结构楼顶钢塔风振效应的控制效果。结果表明,结构楼顶钢塔设计时应避开主体结构的前三阶自振频率,以降低鞭梢效应;风荷载作用下楼顶钢塔的风振响应远大于主体结构,随基本风压和钢塔高度的增大而增大,但随钢塔跨度的增大而减小;阻尼器可有效衰减楼顶钢塔的风振响应,粘滞阻尼器对楼顶钢塔风振响应的减振效果优于粘弹性阻尼器,而非线性粘滞阻尼器的减振效果又优于线性粘滞阻尼器。     

独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究

通过37个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了独立矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼的变化规律,考察了质量密度比、广义刚度、结构阻尼比、高宽比、宽厚比及风场类型对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明：超高层建筑顺风向气动阻尼比随折减风速变化的曲线近似一条单调增加的直线;结构阻尼比、质量密度比、宽厚比、折减风速、高宽比是影响顺风气动阻尼的比较重要的参数;广义刚度、风场类型相对影响较小。基于这些研究数据,拟合了超高层建筑顺风向气动阻尼比的经验公式,供工程设计人员参考。     

高层基础隔震建筑非平稳随机响应改进算法

利用虚拟激励法和等效线性化技术,计算了基础隔震高层建筑的非平稳随机响应。研究了高阶振型对高层隔震建筑响应的影响,提出了针对基础隔震结构随机响应分析的改进算法。计算中假定隔震建筑上部结构在大震作用下依然保持弹性状态,塑性变形集中在隔震层处,隔震层的恢复力-位移本构关系采用Bouc-Wen模型来描述。上部结构只需要提取前若干阶振型参与动力计算,剩余的高阶振型对结构响应的贡献按照静力校正技术求得。研究表明,改进的计算方法在没有显著增加计算量的同时,通过近似考虑高阶振型的影响,有效地提高了计算的精度。     

建筑物风荷载测量技术与动态响应的研究

风荷载是建筑物的主要侧向控制荷载,测量风荷载及预测建筑物风响应是工程需要。利用高频天平能够测量建筑物静态和动态风荷载并预测建筑物的动态响应,这是一种有待广泛推广的新技术。作为技术研究,在1.4m×1.4m风洞中利用一台五分量高频天平获得了两个模型在不同流动状态大气边界层中的广义力谱,计算了相应高层建筑的动态响应,并与国际ESDU风工程计算作了比较,对试验结果的可靠性进行了分析。     

风荷激励下天线结构的随机振动分析

研究随机天线结构的风激随机振动响应问题。考虑天线结构物理参数、几何尺寸和结构阻尼的随机性,在基于随机因子法对结构进行动力特性分析的基础上,从结构风激随机振动响应在频域上的表达式出发,利用求解随机变量函数矩的方法和求解随机变量数字特征的代数综合法,导出了随机天线结构在风荷激励下位移响应均方值和应力响应均方值的均值、方差和变异系数的计算表达式。以8米口径天线为例,分析了结构物理参数、几何尺寸和阻尼的随机性对天线结构风激位移响应均方值和应力响应均方值随机性的影响。     

巨、子结构质量比对新型有控建筑结构影响研究

新型有控建筑结构能够高效地控制其在脉动风载下的动力反应,它的巨、子结构质量比对其控振效果影响非常大,对这一问题进行深入研究。在以往研究新型有控建筑结构风振反应的某些特性时,将风载全部作用于巨结构,而对于巨、子结构同时承受风载的情形未曾考虑,有失新型有控建筑结构研究的全面性。综合讨论了新型有控建筑结构依靠巨结构独自承担风载及巨、子结构同时承担风载两种抗振方案,并研究了不同方案下,新型有控建筑结构风振反应随巨、子结构质量比不同而变化的规律。围绕着该问题,文中给出了新型有控建筑结构分析模型,介绍该结构动力参数矩阵组装方法及其动力特性分析方法。     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

新型巨-子结构消能控制体系的动力特性及减震性能研究

基于旋转惯容阻尼器(Rotation Inertia Damper,RID)具有实际物理质量小,且能提供较大阻尼力的特点,提出将RID应用到巨型结构体系,形成RID-巨-子结构消能控制体系.通过建立RID-巨-子结构消能控制体系的振动微分方程,分析RID参数(等效质量和等效阻尼系数)对系统动力特性的影响规律.在此基础上...     

龙卷风动态冲击高层建筑风荷载数值模拟

龙卷风具有较强的破坏力,是抗风减灾工程重要的防范对象之一。近年来,随着地球环境的恶化,龙卷风袭击大型城市的灾害时有发生,针对高层建筑的研究开始受到重视。目前对龙卷风动态冲击高层结构的研究还较少。因此,该文建立了动态运动的龙卷风风场模型,模拟了龙卷风动态冲击高层建筑结构的非定常过程,初步分析了龙卷风冲击高层建筑结构的风荷载特征及规律。结果表明:1） 该文采用的龙卷风模型及计算方法能可靠地模拟龙卷风的基本特征和荷载规律。2） 龙卷风动态冲击高层建筑,其荷载效应与建筑尺度有关。建筑尺度较小时,冲击荷载呈双峰特征,冲击效应和时变效应相对较小。相反,冲击荷载呈多峰特征,时变性强,冲击效应明显。3） 龙卷风在冲击较大尺度建筑时,主涡会发生破裂,形成多个漩涡。多漩涡及建筑尾涡相互作用和耦合是导致更大冲击效应的重要力学机制。这种力学现象在国内外龙卷风研究中尚未发现类似报道。     

基于能量的结构风振控制设计方法研究

建立了结构任意高度单位风能量计算公式、各楼层总输入风能量计算公式、结构总输入风能量计算公式。在主体结构弹性状态下,给出了粘滞和粘弹性阻尼器的能量耗散公式及结构总能量输出公式,提出了基于能量的结构风振控制的设计流程。以某高层建筑结构为例,验证了所提基于能量的结构风振控制方法可有效实现结构风振控制设计,达到有效抑制结构风振反应的目的。     

龙卷风冲击高层建筑气动力效应数值模拟

龙卷风是一种大型气旋流动,具有很强的破坏力,是抗风减灾工程中重点防范对象之一。现有龙卷风研究多集中于低矮建筑或输电线塔等结构,对作用于城市高层建筑结构的龙卷风流动特征及气动力响应还认识不清。该文采用大涡模拟开展了龙卷风数值风场模拟,与文献提供的龙卷风风洞实验结果进行了校核,获得了实验室尺度下龙卷风冲击高层建筑的风荷载特征和规律。进一步针对全尺寸条件下F2级龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场开展模拟,分析其流场特点和气动载荷响应特征,揭示了龙卷风冲击不同尺度和形状的高层建筑流场差异和气动荷载产生机理。     

某菱形截面纪念碑风致气弹响应风洞试验研究

对某高100米的菱形截面纪念碑进行刚性模型多点同步扫描测压与摆式气弹模型测振风洞试验,进而在测压数据基础上建立频域风荷载模型并采用随机振动分析方法计算结构风振响应,同时应用随机减量技术（RDT）识别了该气弹模型风致振动时的气动阻尼比。当在频响函数中考虑气动阻尼比后的风振响应计算结果和气弹模型试验值具有很好的一致性。由于实际结构振型与摆式模型线性振型存在差异,用振型修正系数修正气弹模型试验结果可得到实际结构风振响应。分析结果表明,刚性模型测压建立荷载模型,结合气弹模型测振识别气动阻尼,代入实际结构频域响应计算方法能够较精确地评估强风作用下低频小阻尼高耸结构的风致气弹响应。     

耗能减振层对某超高层结构的减振控制研究

本文以某288m超高层框架－核心筒结构的减振控制为研究对象,针对该工程的自身特点提出了设置非线性粘滞阻尼器、铅粘弹性阻尼器耗能减振层的六种控制方案。在10年一遇风振作用下,利用改进的自回归AR模型模拟了结构Y方向的脉动风荷载时程,并对该结构进行了不同控制方案下的风振控制研究,同时针对该结构进行了7度小震和中震作用下的阻尼减震控制研究。对比分析了不同控制方案下耗能减振层对结构地震与风振作用的减振效果,结果表明本文提出的六种控制方案不仅能有效抑制结构的风致振动,显著改善结构的风振舒适度,对结构顶层峰值加速度响应的最大降幅达40％,而且还能提高结构在地震作用下的可靠性,进一步证明了耗能减振层对于超高层结构抗风与抗震的有效性和可行性,提出了风振与地震作用下设置耗能减振层超高层结构的分析与设计建议。