周凯旋

（广东悉筑建筑设计有限公司高州分公司 广东高州 525200）

1 引言

在进行风振控制研究过程中，将某超高层结构作为研究对象，并进一步研究风荷载作用下的结构动力特性。这一过程中，主要应用改进过的自回归模型进行了相应的模拟，并且对X、Y两个不同方向的脉动风荷载时程进行了探讨。同时，通过对本工程的结构特点进行分析，进一步提出了三种不同的减振控制方法：①通过设置粘滞阻尼器以及调频质量阻尼器（Ⅱ）达到减振效果；②通过设置粘滞阻尼器（Ⅲ）起到减振作用；③通过设置调频质量阻尼器（Ⅳ）以求达到减振效果。研究过程中，分别假定了三种不同的风振作用：10年、50年以及100年一遇。同时，还针对不同的控制方案下的风振方向以及控制动力进行了分析。通过对试验数据的分析，可以对比得到不同减振方案的风振控制效果。一方面，对于Ⅱ和Ⅲ两种不同的控制方案而言，不仅能够对风振输入能量进行有效的消散，同时可以对建筑结构的动力响应状况进行有效的消减。此外，还可以减少建筑结构层的加速度，有效降低结构层间侧移的突变状况。就数据方面来说，两种方案在降低建筑结构顶层位移以及结构加速度响应状况的幅度可以达到33%以及51.4%，从数据可以看出，两种控制方案不仅能够有效降低建筑结构的风致振动，并且能改善超高层结构的安全性与使用效果。另一方面，通过对模拟结果进行研究，进一步对超高层结构风振控制设计工作提出了相应的改进建议。

2 风振控制的概述

2.1 结构风荷载

超高层建筑结构受风荷载影响是一个随机性的过程，在进行风荷载分析时，将其分为三个不同的部分：①是由平均风压造成的平均力；②是由脉动风压所造成的随机脉动力；③是在风荷载作用下出现的结构惯性力。在进行超高层建筑结构的设计时，要对动态风荷载进行重点分析，这一过程中要借助于模型风洞试验进行深入的研究。另外，结构荷载具有以下几个特点：①其与空间、位置、时间等因素有着直接的关系，并且受到建筑附近地形、地貌等因素的直接影响；②风荷载状况和建筑结构的几何外形有着密切的关系，同时结构不同部分对于风荷载有着不同的敏感程度。此外，脉动风的强度以及风向、频率等因素都是随机的。

2.2 被动控制

对于风荷载被动控制而言，其打破了以往的设计方法，主要借助于建筑结构自身的性能进行动力荷载的抵抗。总体而言，钢结构要比混凝土结构有着更轻的质量，因而其阻尼系数相对较小，因而在对结构进行振动控制时相对容易，并且能够有效提高建筑结构的抗风、抗震效果。被动控制主要包含两方面的内容：①利用耗能减振系统抵抗风荷载。在这一系统中，主要将建筑结构中的部分非承重构件设计成能够抵消风能的元件，也可以在结构中的合适位置加装阻尼器。在受到风荷载作用的影响下，阻尼器将会产生一定的阻尼，进而有效起到风能耗散的作用。②就是吸振减振系统的应用。对于吸振减振技术而言，应用环节中需要在建筑的主结构中附加相应的子结构，进而可以使建筑结构的振动出现转移，进而可以使结构的振动能量进行重新的组合与分配，以此来达到降低结构风振反应的作用。现阶段，应用较广的阻尼器包含TMD、TLD等等。

2.3 主动控制

随着土木领域理论架构的不断完善，通过主动控制来降低环境荷载作用逐渐受到了业内专家的广泛重视。因为主动控制能够根据输入改变状况进行实时的调整，因而其控制效果方面对于外荷载特性没有较强的依赖性，因而在效果方面比被动控制好。现阶段，在进行超高层结构主动控制理论的研究过程中，主要以各种类型的控制算法为主。在进行计算分析以及模拟的过程中，可以对结构主动控制的可行性做出全面的分析，同时还能对控制系统的时滞补偿状况以及时滞效应进行研究。

3 超高层结构三种风振控制方法的对比分析

3.1 工程概况

该超高层建筑位于广东省，综合了办公、住宅以及商业、娱乐等功能。主体结构由主楼与群房构成，其中主楼部分68层，建筑的总高度达到了289m。另外，群房结构为10层，总高度达到了64m。该建筑的总面积为257355m2，结构的立面体型呈现梭形。结构主体采用混凝土框架—核心筒结构，钢筋混凝土结构为主。为了便于设备的布设以及避难层的设置，该建筑在第23层以及38层、54层、64层分别按要求设立了四道加强层，并且在核心筒的Y方向的剪力墙结构中设立了四道伸臂桁架结构。同时，在结构的外围框架柱中，分别设立一圈环状支撑构件。由于该超高层建筑位于广东沿海地区，因而夏季经常会受到强台风气候的袭击，并且上部结构主要以住宅功能为主，因而对风振控制有着严格的要求。通过查阅规范，了解到该地区10年、50年以及100年一遇的风压值分别是0.50kN/m以及0.75kN/m、0.90kN/m。此外，根据2010年广东省颁布实施的《高层建筑混凝土结构技术规程》中的相关规定，在进行该建筑结构的抗风计算工作时，对于结构高度大于60m的超高层建筑项目，其基本风压值应该使用100年重现期。为了确保该建筑结构能够满足抗风舒适度的相关要求，本文在进行风压控制分析时，主要针对三种基本风压进行具体研究。

3.2 结构风振控制方案设计

通过对本建筑的实际特点进行分析，并且参考经济有效的基本原则，初步拟定了三种不同的控制方案：方案一，把建筑结构中原有的生活以及消防用水箱用作调频质量阻尼器（TMD），并且其重量为500t。方案二，为了降低对结构空间的使用、美观方面的影响，在该建筑的四个设备层中分别进行了线性粘滞阻尼器（VD）的设置，并且把设备层的钢支撑使用粘滞阻尼支撑来代替。这一过程中，将粘滞阻尼器的阻尼系数设定为200kNs/mm。方案三，上述两种不同的方案组合起来，进而可以构成一个混合式的耗能减振体系。其中，图1为TMD、VD设置状况示意图。表1中的数据为三种不同的风压条件下，该超高层建筑结构沿X方向以及Y方向所展现出的工况。

图1 TMD、VD设置状况示意图

表1 结构沿X、Y方向的工况分析

3.3 风振控制效果研究

具体分析过程中，主要用到了由CSI公司所研发的结构分析和设计软件Etabs，并以此为基础建立了结构三维有限元模型。其中，结构剪力墙应用了壳单元，楼板主要应用了膜单元，梁、柱主要使用的是空间杆单元。其中，图2所表征的是在基本风压为0.75kN/m以及0.90kN/m的状况下，该超高层结构沿着X以及Y方向、使用与未使用消能器时所出现的层侧移以及层加速度的变化状况。

通过对上述图表的分析，可以得出以下几点结论：①对于不设置耗能器的结构，层侧移以及层加速度将会伴随着基本风压以及建筑高度的增大而呈现递增的趋势，并且层侧移随着高度的不断变化，其曲线逐渐趋于平缓。②与无控状态相比，通过设置耗能减振器（如方案Ⅱ与方案Ⅲ），可以对结构的层侧移、层加速度进行有效的控制，并且峰值层的加速度会随着高度变化，其曲线逐渐趋于连续、均匀，这一过程中没有发生明显突变的现象。研究表明，通过使用耗能装置能够对风振输入结构的能量进行有效损耗，进而改善建筑结构的安全性与舒适性。③通过对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三种不同的控制方案进行对比，能够看出前两种方案的顶层峰值加速度均能控制在规范所规定的范围（0.15m/s）之内。但是，对于Ⅳ方案（仅设置TMD）而言，不能达到规范要求。究其原因，主要是由于该建筑所利用的生活、消防用水箱重量不足，因而很难达到相应的减振效果。④保持基本风压不变，在控制方案一致的情况下，通过耗能减振器的应用，可以对结构风振加速度反应进行有效的控制，其效果明显好于对位移反应的控制。比如在方案Ⅱ中，当基本风压维持在0.75kN/m时，Y方向的顶层峰值位移以及加速度的减振效果分别是19.1%与44.9%，从数值上可以明显看出两者之间的差异。

图2 层侧移、层加速度变化状况曲线图

4 结束语

本文超高层结构风振控制方法的研究时，首先对傅里叶变换技术进行了改进，改进后的AR模型可以对结构以及X、Y两个不同方向的脉动风速时程进行有效的模拟，并且能够提高计算工作的精度与效率，所得的模拟结果有着较高的可信度。这样一来，就可以确保超高层结构风振控制时域分析过程的有着较高的精确度。通过对比可以看出，通过设置粘滞阻尼减振控制装置，可以对超高层建筑结构风致振动响应进行有效的控制，并且能够减少结构层的加速度以及层间侧移突变状况。因而，能够显著提高超高层结构使用的安全性、舒适性。同时，该方案安装环节相对简单、易于设备的维护，同时可以获得最大的经济、社会效益。