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文檔簡介
1、<p> 超高層建筑結(jié)構風振控制與抗風設計</p><p> 摘要 本文從風荷載的特點及其效應出發(fā),針對性的提出了降低結(jié)構風振反應的措施,重點敘述了機械措施,得出結(jié)論如下:在結(jié)構振幅最大處設置自振頻率與結(jié)構一階自振頻率相接近的TMD也是減小風振反應的有效措施。最后,本文還討論了一種基于我國 《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》的高層建筑風振控制的實用化設計方法。 </p><p> 風荷載
2、是各類建筑物的重要設計荷載之一。對大跨空間結(jié)構、高層建筑而言,風荷載常常起主要甚至決定性作用,復雜的動力風效應影響成為結(jié)構設計的控制因素之一。隨著新技術、新材料、新型式、新設計方法的應用,工程結(jié)構日趨多樣化、大型化、復雜化,對風敏感程度越來越強。然而,在現(xiàn)行的建筑結(jié)構規(guī)范中,上述結(jié)構的抗風設計參數(shù)并不完善,風與結(jié)構間復雜的相互作用對結(jié)構抗風設計、防災減災分析提出了巨大挑戰(zhàn)。因此重大工程結(jié)構在風荷載作用下的動力響應特性研究越來越受到學術界
3、和工程界的關注與重視。 </p><p> 一、風荷載特點及其效應 </p><p> 隨著高強輕質(zhì)材料的應用和設計水平的不斷提高,現(xiàn)代建筑不斷向高層和超高層的方向發(fā)展,結(jié)構的阻尼更小,柔度更大。高層建筑的特點是長細比較大,在動力荷載作用下易產(chǎn)生振動和變形,長期的、頻繁的中低風作用使高層建筑某些局部構件產(chǎn)生疲勞破壞,從而使整個結(jié)構失穩(wěn)。當高層建筑的自振頻率接近風的卓越頻率時,結(jié)構響應進
4、一步加劇,風振的影響非常顯著。據(jù)統(tǒng)計,結(jié)構由于風災產(chǎn)生的破壞占結(jié)構破壞總數(shù)的大部分。風荷載已成為高層、超高層結(jié)構的主要設計荷載之一,已成為結(jié)構設計中不容忽視的內(nèi)容。 </p><p> 根據(jù)大量實測的風速時程記錄,可將風看作由平均風(長周期的穩(wěn)定風)和脈動風(短周期的波動風)組成。平均風是在給定的時間間隔內(nèi),把風對建筑物的作用力的速度、方向以及其他物理量都看成不隨時間而改變的量。由于風的長周期遠遠大于結(jié)構的自振
5、周期,可等效為靜態(tài)作用處理,應用結(jié)構靜力計算。脈動風的強度是隨時間按隨機規(guī)律變化的,由于周期較短,應用隨機振動理論進行分析。 </p><p> 由于氣流的慣性和粘性,風流經(jīng)非流線型的高層建筑時,會產(chǎn)生復雜的流固相互作用效應,主要表現(xiàn)為氣流的分離、再附著、渦的形成和脫落以及尾流的發(fā)展;同時產(chǎn)生氣動力。風荷載對高層建筑有明顯的三維荷載效應,按照氣動力的合力方向,風荷載對建筑的作用主要分為順風向荷載,橫風向荷載,扭
6、轉(zhuǎn)風荷載。 </p><p> 在三維氣流流動中,順風向有平均風和脈動風的共同作用;而在與平均風垂直的水平方向,即橫風向以及豎直方向僅有脈動風作用。因此,對于建筑結(jié)構,其風效應主要包括:順風向效應、橫風向效應,風致扭轉(zhuǎn)效應及結(jié)構的自激振動反應。 </p><p> 二、風振控制的設防目標 </p><p> 為了使高層建筑在風荷載作用下不會發(fā)生局部破壞、結(jié)構開
7、裂和變形過大等現(xiàn)象,以保證結(jié)構的安全,結(jié)構的抗風設計必須保證強度、剛度和舒適性的要求。 </p><p> 影響人體感覺不舒適的主要因素是振動頻率、振動加速度和振動持續(xù)時間。由于持續(xù)時間取決于陣風本身,而結(jié)構振動頻率的調(diào)整又十分困難,因此一般使用限制結(jié)構振動加速度的方法來滿足舒適度的要求。 </p><p> 三、降低結(jié)構風振相應的措施 </p><p> 目
8、前超高層建筑抗風措施主要有氣動措施、結(jié)構措施與機械措施三種方法。 </p><p> 3.1 氣動控制法 </p><p> 氣動措施可分為被動控制,半主動控制與主動控制。 </p><p> 半主動控制與主動控制需要外界能量,通過改變氣動措施的狀態(tài)或向風場中吹氣來改善結(jié)構周圍的流場,特別是控制流動分離,從而減小流體作用在結(jié)構上的風力。但由于流體分布的隨機性,
9、導致這類措施很難用于工程實際。 </p><p> 被動氣動控制,即通過改變建筑的外形以減小建筑的風荷載與風致效應,是一種常用并且十分有效的措施,并且可以與建筑設計相結(jié)合。氣動措施用于建筑的方案設計階段,基于風對超高層建筑的作用機理,能從根源上減小結(jié)構的風荷載與風致效應。 </p><p><b> 3.2結(jié)構控制法 </b></p><p&g
10、t; 通過增強結(jié)構本身的抗風性能來抵抗風荷載的作用,即通過提高結(jié)構本身的強度和剛度,由結(jié)構本身儲存和消耗風振能量來抵御風荷載。這種傳統(tǒng)的抗風設計方法,不一定安全,也很不經(jīng)濟,失去了輕質(zhì)高強材料本身的優(yōu)勢。僅用于結(jié)構設計階段。 </p><p><b> 3.3機械控制法 </b></p><p> 機械措施是通過在主體結(jié)構上添加輔助阻尼系統(tǒng)來減小結(jié)構的風致響應,
11、比如臺北101大廈與上海環(huán)球金融中心都在其頂部設置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器來控制結(jié)構頂部的位移與加速度,以滿足結(jié)構強度、剛度與舒適度的要求。機械措施也可以用來提高建筑的抗震性能。 </p><p> 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)是結(jié)構被動減振控制體系的一類,它由主結(jié)構和附加在主結(jié)構上的子結(jié)構組成。其中子結(jié)構包括固體質(zhì)量、彈簧減振器和阻尼器等,具有質(zhì)量、剛度和阻尼,由于這種系統(tǒng)是利用調(diào)整子結(jié)構的動力特性來減小結(jié)構的動力特性的,而不是
12、靠提供外部能量,故稱為“被動調(diào)頻減振控制體系”。 </p><p> TMD在控制結(jié)構振動方面是一種有效的減振裝置。它具有簡潔、可靠、有效以及低成本等優(yōu)點,倍廣泛的應用到高層結(jié)構以及的土木工程結(jié)構的振動控制中,尤其是高層建筑,電視塔以及橋梁結(jié)構的抗風設計。 </p><p> 四、設置TMD的結(jié)構抗風設計的實用方法 </p><p> 項海帆等提出了一種基于我
13、國 《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》的高層建筑風振控制的實用化設計方法。由于不論何種減振裝置(主動,被動,半主動),其減振的效果都可認為是相當于增加了結(jié)構的阻尼。 </p><p> 4. 1 強度和剛度的抗風設計方法 </p><p> 對于高層建筑結(jié)構強度和剛度的抗風設計,一般考慮結(jié)構順風向的平均風和脈動風的共同作用。根據(jù)高層建筑結(jié)構設計規(guī)范,作用在高層建筑任意高度處順風向的等效靜力風荷載標準
14、值可按下述公式計算: </p><p> 式中, 為基本風壓, 為風荷載體型系數(shù), 為風壓高度變化系數(shù), 為重現(xiàn)期調(diào)整系數(shù), 為順風向Z高度處的風振系數(shù)。顯然,公式(1)中只有風振系數(shù) 與結(jié)構阻尼比有關??紤]到設置被動的減振裝置的作用是將高層建筑結(jié)構的阻尼比提高到 ,因此,根據(jù)《建筑結(jié)構荷載規(guī)范》,受控結(jié)構的風振系數(shù)應為: </p><p> 式中脈動增大系數(shù) 可表示成: </p
15、><p><b> 式中: </b></p><p> 由此可知,在求得設置被動減振裝置的高層建筑結(jié)構控制效果的結(jié)構等效阻尼比 和有效阻尼比 后,就可按式(2)和(3)求得受控結(jié)構降低了的風振系數(shù) ,并最終由(1)計算得到受控結(jié)構上降低了的等效設計風荷載的標準值。依此等效設計風荷載的標準值就可如同常規(guī)的抗風設計一樣,用靜力計算的方法求得受控高層建筑結(jié)構在風荷載和其它荷
16、載組合下的結(jié)構構件內(nèi)力和結(jié)構層與層間位移,并最終驗算它們的強度和剛度的抗風設計要求。 </p><p> 4. 2 舒適度的抗風設計方法 </p><p> 由于舒適度主要取決于結(jié)構的風振層加速度,因此設置被動減振裝置的高層建筑結(jié)構舒適度的抗風設計只需考慮受控結(jié)構風振層加速度的計算方法。根據(jù)高層建筑結(jié)構設計規(guī)程,結(jié)構頂部順風向脈動風振加速度的設計計算值為: </p>&l
17、t;p> 其中A為高層建筑總的迎風面積,mtot為建筑物總質(zhì)量。顯然,對于設置被動減振裝置的高層建筑,只需依其有效阻尼比 ,按公式(3)求得降低了的脈動增大系數(shù) 后,就可由式(4)得到αw。并最終驗算舒適度的抗風設計要求。 </p><p><b> 參考文獻 </b></p><p> [1] 李愛群等. 工程結(jié)構減振控制[M]. 機械工業(yè)出版社 200
18、7.06 </p><p> [2] 顧明, 葉豐, 張建國. 典型超高層建筑風荷載幅值特性研究[ J] 建筑結(jié)構學報, 2006, 26( 1) : 24- 29 </p><p> [3] 汪小娣. 高層建筑風效應及風振控制[J]. 振動與控制,2007 </p><p> [4]顧明. 降低超高層建筑橫風向響應氣動措施研究進展[J].同濟大學學報.201
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