高层建筑超高层建筑结构抗风设计任务书

摘要：高层特别是超高层建筑的风荷载，是结构设计中位移和扭转超限的主要控制因素，也是结构设计的重点和难点之一。本文结合工程实例和目前国内比较常见的风振控制措施，简要介绍在设计中的一些抗风措施。
关键词：高层建筑；风荷载；抗风措施；阻尼器
Abstract: The high-rise building wind loads, the structural design displacement and torsion overrun the main controlling factor also focus on structural design and one of the difficulties. In this paper, integrate the engineering example and the more common wind-induced vibration control measures to a brief introduction in the design of some of the control measures。
Key words: high-rise building；wind load；structural control measures Damper

引言：
伴随城市化的快速进展，建筑高度和高宽比的增加及钢结构的大量应用，高层建筑的刚度越来越柔，阻尼比越来越小。一方面要求建筑尽量轻柔化，可以减少自重减轻地震力等的影响，另一方面又要求建筑有较大的承载力和刚度来解决水平荷载的影响，高层建筑物如果设

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计的太过轻柔则达不到足够的刚度，在风荷载作用下会导致水平位移过大，因此高层建筑如何做好抗风设计，除了做好合理的结构分析与设计，可以结合控制结构振动的方法来解决以上问题。

1.工程概况

该超高层建筑于江苏省某沿海城市,三面环水,地理位置优越, 抗震设防烈度为六度，百年一遇风荷载基本值为0.50kn/m2。建筑占地约7千平方米,该建筑地下2层,地上41层,4层裙房，塔楼5～41层，其中14、30层为避难层，建筑总高度约180m,建筑总面积达约10万平方米。该建筑系钢筋混凝土剪力墙结构。首层层高为10m,标准层层高为4m，平面中间电梯间及楼梯均为现浇剪力墙筒体。基础形式为钻孔灌注桩筏形基础,地下室外墙厚为550mm。经初步计算，扭转周期比可以满足规范要求但风荷载下顶部位移过大，风荷载下的层间位移角超限。

2.案例分析

2.1模型分析

首先进行结构的模型分析,主要得出结构的周期、频率、质量参与系数等信息,是结构静动力风荷载和风振分析的基础。

2.2总风荷载作用下结构侧移、相对层间位移以及风振位移响应

在Y向和X向风荷载作用下,结构位移等值线。从位移分析结果可以来看,结构Y方向的刚度小于X方向的刚度,在风荷载作用下Y方向的最大位移、明显大于X方向的位移;由随机振动理论,计算结构在设计基本风压下,结构顺风向Y向的风振位移与Y向总最大位移相比占18%,，结构风振位移不可忽略,并且随着风速加大,由脉动风引起的结构动力位移逐渐加大。一般将高层建筑风效应分为顺风向、横风向和扭转三个方向。由于本工程实例较规则，扭转效应不明显，故主要研究在脉动风力作用下结构顺风向风振反应的控制或在涡激干扰作用下结构横风向风振反应的控制。风荷载具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动。作用在结构物上的脉动风荷载对结构产生的动力响应与结构物本身的动力特性有关，即动力作用取决于结构物体的刚/柔特征。

3.高层建筑的风振控制

3.1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，主要包含：设计必须满足强度、刚度、舒适度要求、防止风力对外墙、女儿墙等构件的局部破坏、满足疲劳破坏的要求。

3.2结构振动控制

由于本案例中建筑采用轻质高强材料，且结构已经合理布置，在无法控制顶点位移的情况下，考虑进行振动控制，在结构上安装一些控制系统，当结构受到风荷载激励时，这些控制系统主动或被动地产生控制力，降低或抑制结构的动力反应。一般常见的结构震动控制的形式主要分为被动控制、主动控制、混合控制和半主动控制四种。
3.

2.1 被动控制

被动控制一般在结构的某个部位附加一个子系统，或对结构自身的某些构件上的处理以改变结构体系的动力特性。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。由于高层结构的动力反应以第一振型为主，因此在振动控制中主要是控制第一振型的振动。具有构造简单，造价低，易于维护且无需外界能源支持等优点。另外，由于被动控制装置的控制力来自于控制装置与结构一起振动而产生的对受控结构的作用力，这组被动产生的控制力应该是控制装置本身参数及受控结构位移、速度反应的函数。
对本工程而言，可以采用以下三种方案：①耗能减震装置，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装设阻尼器，通过在结构发生变位时耗散能量而减小结构的振动，缺点在于装设数量较多，影响造价。②调谐质量阻尼器(TMD)，主结构振动时，质量块也随之产生惯性运动，从而通过弹簧、阻尼器向主结构施加反方向作用力来部分抵消结构的扰动力，使结构的振动反应衰减。缺点在于TMD对频率非常敏感，只有频率非常接近结构受控振型的频率时，抗风效果才会很好。高层建筑在使用过程中由于活载、刚度的变化，会使结构的频率有一定程度的改变，这造成TMD实际减振效果难以预料；几百甚至上千吨的质量块附加在结构上，会使结构的动力反应增大；造价比较昂贵。③调谐液体阻尼器TLD，原理为利用水罐中浅水层的波浪效应来达到抑制结构风振响应的目的。且结构相对简单，维护费用也较低，广泛应用于日本。根据实验能使结构的位移响应减少50%。
3.

2.2 主动控制

主动控制原理在于对输入外荷载和结构响应进行实时跟踪观测，根据选定的控制算法即可得到所需的控制力，再以驱动设备将控制力施加到结构上，减少或抑制结构动力反应，由于实时控制力可以随外荷载变化而变化，其控制效果基本不依赖于荷载特性，因此明显优于被动控制。与被动控制相比，主动控制目前还主要处于理论研究阶段，常用于高耸结构的主动控制装置有ATMD、ABS、ATS。从理论上来说主动控制的效果可以达到十分完美，但在实际使用时却存在一个问题，主要是计算方法和控制机构的灵敏度产生“时滞”效应。控制力的计算和施加需要一个过程，这样就不能与状态向量同步实现而产生滞后，因此可能导致结构的不稳定。
3.

2.3 混合控制和半主动控制

两种方案均为组合式控制，能有效解决上述2种存在的不足，增加了系统地可靠性。

4.本案例分析解决

4.1 分析思路

由于不论何种减震装置（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，因此通常解决问题思路是：首先求出各种减震装置对高层建筑风振控制效果的等效结构阻尼比；按《建筑结构荷载规范》修正受控结构上的等效设计风荷载；最后按修正后的等效设计风荷载用静力分析方法计算受控结构的受控风效应。

4.2 分析思路

经过国内常见几种阻尼器的性能对比，列出表格进行对比：
阻尼器性能对比表

通过比较经济性、抗风舒适度和抗震性能安全性，结合本案例的结构类型，综合考虑后本案例选取粘滞阻尼墙。

4.3 速度型粘滞阻尼器的应用

通过在结构上合理设置粘滞型阻尼器，增加结构阻尼比，使结构的加速度反应降低、满足其舒适度要求；粘滞型阻尼器因其性能稳定、概念清晰而且造价相对较低，在结构上设置非结构耗能元件可以提高结构抗震性能已经得到工程界广泛认可。在各种消能减振装置中粘滞阻尼墙作为速度相关性耗能装置由于其优越的性能，在国内外均有应用。粘滞阻尼墙厚度薄，出力大，容易满足建筑设计对阻尼器尺寸方面的要求。
粘滞阻尼墙作为剪切阻抗式粘滞阻尼器的一种，其工作原理如图1所示，在中间钢板和外侧钢板间填充阻尼粘滞液，通过中间钢板与外侧钢板的相对运动产生粘滞阻尼力。
图1 粘滞阻尼墙示意图及其力学模型

4.4 本案例等效阻尼比求解

粘滞性阻尼器主要通过增加结构的阻尼来减小结构的效应，主要有以下计算方法：①复刚度法②非正交阻尼强解藕振型分解法③模态应变能法，以上三种方法在高层建筑上抗风减震上广泛应用，由于篇幅所限无法一一详解，也可由《抗震设计规范》中导出粘滞性阻尼器风振控制第j阶振型的等效阻尼比为
经过计算后的等效阻尼比回代至结构计算模型，计算结果能满足规范要求。
5.结语
本文通过工程实例，对国内常用减振阻尼器作出综合比较，并结合本实例特点对超高层结构抗风设计提出切实可行的解决方案。高层和超高层建筑是是世界上应用越来越广泛的结构形式，而风振是设计这类建筑无法回避的一个难点，如何采用结构振动控制的方式来解决上述问题是广大结构工程师学习的重要方向。
参考文献 ：
瞿伟廉高层建筑和高耸结构的风振控制设计 [M] 武汉：武汉测绘科技大学出版社，1991.
胡卫兵，何健 高层建筑与高耸结构抗风计算及风振控制 [M]北京：中国建材工业出版社，2003.
[3]王肇民 高耸结构振动控制 [M]上海：同济大学出版社 1997.
[4]葛楠 高层建筑风振问题的研究[D]北京中国建筑科学研究院2006.