高层建筑风敏感性及风振控制方法简述

高层建筑风敏感性及风振控制方法简述xxx（南京航空航天大学航空宇航学院土木工程系，南京，210016）摘要：针对高层建筑结构的抗风特性，在考虑风荷载的影响因素及特点基础上，根据结构风振分析的基本理论，就脉动风荷载特性与结构动力特性进行分析，并引出结构风敏感度的概念。通过对风敏感度分析，验证了部分相关理论的可靠性，能在一定程度上反映结构的风振响应本质特征，实现了对结构风敏感度问题的客观、定量描述。同时，介绍了常用抗风设计控制方法，引出了高层建筑结构抗风设计的一些原则和舒适性条件。关键词：风荷载；风敏感度；风振特征；抗风控制方法；舒适性Wind-sensitivityandwind-resistantcontrolofhigh-risestructureYuChaofan(SchoolofCivilEngineering,CollegeofAeronauticeandSpace,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing,210016,China)Abstract:Inconsiderationofthewind-resistantcharacteristicsofhigh-risestructure,factorsandfeaturesofwindloadareofgreatsignificanceinthestructuralvibrationanalysis.Accordingtothebasictheory,whileanalyzingthecharacteristicsoffluctuatingwindloadandstructuraldynamic,itsmoothlydrawsouttheconceptofwind-sensitivity.Besides,throughtheanalysisofwind-sensitivity,itverifiesthattherelatedtheoriesareofreliability,whichreflectstheessentialcharacteristicsofwind-inducedresponse.Anditdescribestheproblemsaboutwind-sensitivityobjectivelyandquantitively.Atthesametime,somecommoncontrolmethodofwinddesignarealsointroduced,inwichitleadstosomeprinciplesofwinddesignandcomfortconditionsofhigh-risestructure.Keywords:windload;wind-sensitivity;characteristicsofwindvibration;wind-resistantcontrol;senseofcomfort引言近年，我国兴建了许多的高层建筑结构，为众多城市抹上一份不同的色彩。对于高层建筑结构而言，其结构设计的显著特点之一就是侧向荷载是其最主要的控制因素。除地震荷载外，高层建筑、高耸结构的主要侧向荷载是风载。由于高层建筑、高耸结构具有柔度大、阻力小、迎风面大等特点，由风荷载引起的结构静、动力反应在整个结构反应中所占的比重较大。对于非地震区及沿海等强风地区来说，风荷载往往是结构设计中控制性荷载。因此，对高层建筑结构进行抗风设计研究具有十分重要的现实意义。而在结构抗风设计理论中，风荷载和结构风敏感度是其基础性问题，它可以使结构的抗风研究更具有针对性。同时，风振控制方法也是当前抗风研究重点之一，它增大了高层建筑结构的可靠性。本文将就这几个问题进行简单分析。1.风荷载的特点1.1风荷载的特点风荷载是控制高层建筑结构设计的重要侧向荷载，正确考虑风力的作用，关系到结构设计的合理性和经济性。对于高层建筑而言，风是一种持续时间较长的随机荷载。风对结构物体的作用，使结构产生震动，其产生的原因主要有以下三种：1）顺风向的风力作用，它包括平均风（静压力）和脉动风（动压力），其中脉动风（动压力）引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑；2）结构物背后的漩涡引起结构物的横风向的振动；3）由别的建筑物尾流中的气流引起的振动。对于高层建筑来说,脉动风的作用是不容忽视的，因此在确定风荷载的试验中，模型风洞试验是必不可少的。1.2风荷载分类1.2.1顺风向荷载顺风向风荷载，即与风的方向一致的风力作用，是高层建筑承受的主要荷载。但随着城市空间的日益紧密，高层建筑之间的距离越来越小，相邻建筑之间顺向风的干扰也越来越明显。1.2.2横风向荷载当高层建筑的高宽比较大时，横向风动力响应的干扰效应要大于顺向风荷载。但结构横向风响应的激励机制往往比较复杂，一般认为主要是由顺向风紊流、横向风紊流和尾流激励三者共同作用产生的，但是由于横风向响应产生的机制比较复杂，影响因素比较多，至今还没有成熟的理论和计算方法。1.2.3扭转风荷载扭转响应是因气动荷载瞬时作用点与结构的质量和刚度中心不重合引起的。高层建筑扭转风振会增大截面边界附近的位移与加速度，对于高宽比较大的高层建筑物，尤其是建筑物形状不规则，迎风面较大的建筑，扭转风荷载响应大大增加，可成为建筑物边界点响应中的主要因素；此外由于高层建筑中的舒适性要求较高，在高层建筑的设计中必须考虑到扭转风荷载的响应问题。[1]2.结构风敏感度2．1结构风敏感度的定义风敏感度反映了结构在脉动风作用下响应的显著程度，主要受到尺度、频率和模态3个关键效应的影响。因此，要定量刻画结构风敏感性问题，一个最直接的想法是，将包含上述3种效应的结构响应与不包含这3种效应的结构响应作比值。由此可得到结构风敏感度的定义为：结构风敏感度是表征结构真实脉动风响应与某一基准脉动风响应的比值。即风敏感度为风敏感性的定量指标，反映了结构脉动风响应的显著程度，风敏感度数值愈大，表明结构的脉动风响应愈显著。依据上述定义，要确定结构的风敏感度需要解决以下两方面问题：(1)合理确定结构的某种响应作为分析对象结构的脉动风响应可以从多个方面来描述，如节点位移、杆件内力、支座反力、系统应变能等；从以往研究来看，采用不同的响应指标来衡量结构的风振响应特性，结果可能是不同的。为此，需要对采用不同指标的合理性进行考察。这里的“合理性”包含两层含义：一是计算要相对简单，具有工程可操作性；二是要具有较好的规律性，便于区分不同结构的风敏感程度。基于以上考虑，并通过大量试算，本文最终确定以系统应变能作为计算结构风敏感度的响应指标，其优点是：1)系统应变能可以从宏观上反映结构的整体响应特性，而位移或内力等响应指标仅能够反映结构某一节点或杆件的特性；2)系统应变能与结构位移和内力响应都有密切联系，而后两者恰恰是实际工程设计中较为关心的响应指标。(2)定义基准脉动风响应确定脉动风响应基准态的指导思想是，寻找一种不包含上述3种效应的理想状态。为此，本文将基准态假定为“点状刚性结构”。“点状”是指结构受荷面积足够小，可认为作用在结构上的脉动风荷载完全相关；“刚性”是指结构刚度足够大，可仅考虑结构的脉动风背景响应，忽略共振响应。由此可得到结构风敏感度的具体定义式为：响应应变能点状刚性结构的脉动风应变能真实结构的脉动风响应结构风敏感度2．2结构风敏感度计算公式[2]基于上述尺度、频率和模态3个关键效应系数，可得到结构风敏感度的计算公式如下：)1(01,1,1,0001,000mfbbrnjjrbrbbbbbnjjrbbbrbbTEEEEEEEEEEEEEEEEEEEcc（1）式中ET为脉动风响应总应变能；Eb为背景响应分量应变能；Er为共振响应分量应变能；Eb0加为点状刚性结构脉动风响应应变能。由于结构背景响应反映了脉动风荷载的准静力效应，主要取决于外荷载的特性，受结构自身动力特性的影响很小，而背景响应应变Eb与结构背景响应σb的平方有关，再根据尺度效应系数的定义式，有22022020sFFbbbbEE[2]（2）将上式代回（1），可得结构风敏感度的计算公式：)1(2mfs[2]（3）2．3结构风敏感度分析图1给出了5类屋盖结构的风敏感度分布图。可以看出，如果取λ=1.0作为一个分界线，球壳结构处于分界线以下，其他4类结构基本上处于分界线以上。这说明球壳结构的真实脉动风响应小于相应的基准态脉动风响应，其他4类结构则相反。为探讨其统一规律，本文引入一个无量纲的缩减频率01/VLnn[2]其中n1为结构基频率(Hz)；L为结构特征尺度(m)，V0为基本风速(m/s)。显然，缩减频率n*不仅包含了结构的主要参数，同时也包含了来流的参数。图1不同结构的风敏感度分布[2]图2结构风敏感度[2]图2给出了结构风敏感度随n*的变化曲线，由图可知：(1)5类结构的风敏感度从大到小依次为：鞍形索网悬挑屋盖(平板网架)柱面网壳球面网壳。显然，风敏感度是与结构刚度密切相关的一个参数，总体表现为柔性结构大于刚性结构、平面结构大于曲面结构。这符合一般意义上人们对结构风振特性的认识，同时也说明本文定义的风敏感度能够较好的反映结构的风振响应特征；(2)风敏感度是缩减频率n*的递减函数，具有较好的规律性，在今后的实际应用中可以通过缩减频率对风敏感度进行估算。3.高层建筑风振控制方法3.1控制的概念结构的风振控制是指在结构发生风振反应时，由设置在结构上的一些控制装置主动或被动地产生一组控制力，以达到减小和抑制结构风振反应的目的。根据其控制原理大致可分为主动控制和被动控制。3.2控制的类型3.2.1主动控制当有外部能源输入时，结构振动控制即为主动控制。当风振控制为主动控制时，控制力由外加能源主动施加，这时风振控制主要是如何合理地选择控制力的施加规律，以使结构的风振反应满足减振要求。主动控制作动器通常是液压伺服系统或电机伺服系统，一般需要较大甚至很大的能量驱动。主动调谐质量阻尼器（activemassdamperoractivemassdriver,AMD）等组成的主动控制系统在结构风振控制应用中较为成功。此外，智能材料自适应控制是目前主动控制研究的新热点，如形状记忆合金（shapememoryalloy,SMA）、电（磁）致流变材料等。[3]3.2.1被动控制当有外部无能源输入时，结构振动控制即为被动控制。当风振控制为被动控制时，控制装置与结构一起振动而产生控制力。控制力是被动产生的，它是结构的位移与速度的函数。这时的风振控制主要是如何合理选择控制装置的参数，以使其产生的控制力能是结构的风振反应达到减振要求。这种控制时通过设置耗能元件来完成的。[3]耗能减振技术主要通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部件,为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼。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，从而更好地保护主体结构的安全，是一种有效、安全、经济且日渐成熟的工程减振技术。目前开发的耗能装置主要有金属耗能器、摩擦耗能器、粘弹性耗能器、粘滞耗能器，前两种耗能器的耗能特性主要与耗能器两端的相对位移有关，称为位移相关型耗能器(或滞变型耗能器)，后两种耗能器的耗能特性主要与耗能器两端的相对速度有关，称为速度相关型耗能器。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，包括摩擦阻尼器、软钢和合金阻尼器、铅阻尼器、粘弹性阻尼器VED、油阻尼器等。4.结论通过分析，可得风敏感度的概念从时间和空间上较全面地概括了脉动风特性与结构动力特性之间的关系，揭示了结构抗风问题的本质特性，较好地反映了结构的风振响应特征，实现了对结构风敏感度问题的客观、定量描述。同时，定性地介绍了高层建筑结构风荷载的复杂特性，指出其是控制高层建筑结构设计的重要侧向荷载，正确考虑风力的作用，关系到结构设计的合理性和经济性。并