高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)及控制研究

辛立鳳

高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)及控制研究

辛立鳳

（廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院土木系 廣西柳州 545616）

風(fēng)對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響，是結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個重要的內(nèi)容。本文將針對傳統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計方法，深入研究高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)的特征以及控制措施，以供相關(guān)從業(yè)人員借鑒學(xué)習(xí)。

高層建筑；風(fēng)振效應(yīng)；風(fēng)振控制

隨著高強(qiáng)度材料在高層建筑的廣泛應(yīng)用，給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計造成一定的影響，首先，高強(qiáng)度材料逐漸代替了傳統(tǒng)的黏土磚、混凝土等笨重材料，這在一定程度上節(jié)約了高層建筑的施工成本，但化學(xué)建材阻尼較小，剛度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)施工材料，因此當(dāng)高層建筑受到外來作用的沖擊的時候，結(jié)構(gòu)反應(yīng)勢必增大，影響到高層建筑的穩(wěn)定性，因此本文將研究高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)作用與風(fēng)振效應(yīng)的通知研究。

1 高層建筑的風(fēng)作用以及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)作用

風(fēng)對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響主要可劃分為兩個部分，分別為風(fēng)荷載與風(fēng)響應(yīng)。風(fēng)荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮的結(jié)構(gòu)荷載，包括靜荷載與動荷載。[1]風(fēng)荷載與高層建筑周圍的基本風(fēng)壓和高度有著直接聯(lián)系，因此相關(guān)工作人員確定高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載的最好辦法是進(jìn)行風(fēng)洞試驗，通過實驗結(jié)果，確定高層建筑風(fēng)荷載的基本系數(shù)，為后續(xù)的風(fēng)振效應(yīng)的控制工作提供便利。而風(fēng)響應(yīng)依照結(jié)構(gòu)的不同可分為順風(fēng)向相應(yīng)和橫風(fēng)向相應(yīng)，考慮到高層建筑的安全性與舒適性，相關(guān)從業(yè)人員要深入研究高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，從而在實踐中解決高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的風(fēng)相應(yīng)問題。此外，研究建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)響應(yīng)問題的最好方法是通過風(fēng)洞試驗，考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)在空氣阻力阻尼作用下產(chǎn)生的自激振動，以此為基礎(chǔ)，展開高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)的控制研究。

1.2 風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計

與地震作用相比，風(fēng)作用是一種復(fù)雜的影響，且持續(xù)時間較長。因此相關(guān)設(shè)計人員需要在設(shè)計的過程中，考慮高層建筑在風(fēng)的持續(xù)作用下，會不會出現(xiàn)坍塌、墻面開裂以及變形的現(xiàn)象，并通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計，滿足高層建筑的安全性和舒適性的基本要求。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要計算高層建筑的風(fēng)壓高度變化系數(shù)以及風(fēng)振效應(yīng)系數(shù)，并根據(jù)實驗的結(jié)果進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計，從而滿足高層建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。[2]同時，結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下必須滿足高層建筑的剛度設(shè)計要求，從而在應(yīng)對突如其來的地震作用的工作中，保證高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件不會因為位移過大而損壞。而從舒適度的角度來考慮，持續(xù)的風(fēng)作用會給高層建筑的住戶以心理角度的不適感，從而影響高層建筑住戶的用戶體驗，因此在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要將風(fēng)作用對人體的舒適度考慮在內(nèi)，包括計算風(fēng)作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的振動頻率、振動加速度以及振動持續(xù)時間，并研究二者之間的關(guān)系，從而使高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到建筑舒適度的基本要求。

2 風(fēng)振控制的相關(guān)措施

2.1 耗能減振系統(tǒng)

耗能減振系統(tǒng)是把結(jié)構(gòu)物的某些非承重構(gòu)件設(shè)計成耗能元件，從而在風(fēng)作用時，阻尼器能夠產(chǎn)生較大的阻尼來耗散能量，使高層建筑結(jié)構(gòu)反應(yīng)減小。通常來說，高層建筑的耗能減振系統(tǒng)是由耗能剪力墻與阻尼器減振系統(tǒng)組成。此外，耗能減振系統(tǒng)還能通過耗能支撐，為高層建筑提供良好的支撐效果，因此耗能減振系統(tǒng)不但作為風(fēng)振控制的重要措施，在英美等發(fā)達(dá)國家，耗能減振系統(tǒng)還通常所謂高層建筑的一個重要的加固措施，因此被廣泛的應(yīng)用，擁有良好的市場前景。

2.2 吸振減振系統(tǒng)

吸振減振系統(tǒng)利用高層建筑的附加結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)的風(fēng)振效應(yīng)轉(zhuǎn)移，從而減小風(fēng)振效應(yīng)對高層建筑的影響，是一種高效的風(fēng)振效應(yīng)控制技術(shù)。減震吸震系統(tǒng)主要的裝置有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、調(diào)諧液體阻尼器兩種，都是利用將振動能量分解為主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)兩個部分的原理，達(dá)到減少結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)的效果。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器通常是由質(zhì)量塊、阻尼器、彈簧組成的風(fēng)振系統(tǒng)。將高層建筑的原結(jié)構(gòu)中，加入TMD系統(tǒng)，從而有效的衰減結(jié)構(gòu)中的動力反應(yīng)，由于其動力特性的優(yōu)勢。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器被廣泛的應(yīng)用于橋梁工程、高層建筑工程的風(fēng)振控制工作中，具有良好的應(yīng)用效果。此外，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器能夠產(chǎn)生一種控制力，減少高層建筑的平均減震系數(shù)，這在一定程度上增加了高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高其抗震抗風(fēng)的能力。調(diào)諧液體阻尼器系統(tǒng)的概念由日本提出，通過固定容器中液體的運動來吸收和消耗結(jié)構(gòu)的振動能量，調(diào)諧液體阻尼器的優(yōu)勢在于成本低，安裝簡便，并且易于維護(hù)，這給調(diào)諧液體阻尼器的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了便利的條件，在調(diào)諧液體阻尼器的實測之中，其實驗結(jié)果也完全滿足高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)控制的要求，能夠在最大限度上減少結(jié)構(gòu)反應(yīng)。此外，調(diào)諧體液阻尼器還能夠增加高層建筑底層的剪力效應(yīng)，因此適用于沿海的臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)。[3]

2.3 混合控制

混合控制是將主動控制與被動控制相結(jié)合，將兩種方式施加在同一高層建筑的結(jié)構(gòu)上，以期獲得良好的結(jié)果。例如在沿海的地震多發(fā)地區(qū)，一方面，高層建筑受到臺風(fēng)的威脅，對建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)能力要求較高。另一方面，高層建筑受到地震的威脅，對建筑結(jié)構(gòu)的底層剪力的要求較高，這個時候，需要進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)的混合控制，既增加高層建筑的抗風(fēng)能力，由增加高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，因此要求相關(guān)工作人員根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的實際需求，讓耗能減振系統(tǒng)與吸振減振系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到良好的防風(fēng)防震效果。[4]

3 結(jié)語

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)控制工作，需要從實際出發(fā)，實事求是的進(jìn)行抗風(fēng)抗震設(shè)計，以減少結(jié)構(gòu)反應(yīng)為目的，選擇合適的風(fēng)振效應(yīng)控制的措施，從而提高高層建筑的安全性與穩(wěn)定性。

[1]蔡洪昌.考慮脈動風(fēng)和耦合效應(yīng)的高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振CFD數(shù)值模擬[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[2]黃劍，顧明.超高層建筑風(fēng)荷載和效應(yīng)控制的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].振動與沖擊，2013，10：167～174.

[3]黃超，韓小雷，季靜.高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制方法研究初探[A].天津大學(xué).慶祝劉錫良教授八十華誕暨第八屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會論文集[C].天津大學(xué)，2008：5.

[4]歐進(jìn)萍，張微敬.高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)振阻尼控制分析與設(shè)計方法[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2003，06：32～37+86.

TU973+.213

A

1004-7344（2016）33-0336-01

2016-9-18

辛立鳳（1986-），女，河南焦作人，廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院土木系講師，碩士研究生，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。