高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)

李世杰

(青島中筑置業(yè)有限公司,山東 青島 266555)

0 引言

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,由于其高聳結(jié)構(gòu)會(huì)在風(fēng)荷載的強(qiáng)烈作用下,極容易引起很大的結(jié)構(gòu)位移以及加速度的變形,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生顫振等現(xiàn)象,可能造成建筑結(jié)構(gòu)物的抖振并會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的運(yùn)動(dòng),形成嚴(yán)重的安全隱患[1]。大多數(shù)情況下,大跨度、 高層、 異形結(jié)構(gòu)建筑對(duì)于風(fēng)荷載效應(yīng)非常敏感,風(fēng)荷載成為此類(lèi)建筑設(shè)計(jì)中的主要控制因素之一。結(jié)構(gòu)分析中經(jīng)常涉及到風(fēng)洞試驗(yàn)和非確定性振動(dòng)分析等復(fù)雜過(guò)程,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師難于掌握,從維護(hù)成本及人身安全等方面綜合考慮,都要對(duì)高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)開(kāi)展深入研究分析,為高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)提供安全可靠的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段[2]。

1 高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)

等效靜力風(fēng)荷載主要是指靜風(fēng)荷載,將它有效作用于某個(gè)結(jié)構(gòu)上時(shí),會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的靜荷載響應(yīng)與外來(lái)氣動(dòng)荷載所產(chǎn)生的極大脈動(dòng)響應(yīng)。“等效”指的是某一設(shè)計(jì)關(guān)注的結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo),讓建筑結(jié)構(gòu)在某類(lèi)假設(shè)模式的荷載作用下靜力風(fēng)振響應(yīng)與實(shí)際風(fēng)荷載作用導(dǎo)致的極值脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)一致。

1.1 高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)

高層建筑中的高聳結(jié)構(gòu)空間在設(shè)計(jì)上通常追求剛性結(jié)構(gòu),越來(lái)越注重節(jié)能和輕質(zhì)化,但仍要重點(diǎn)考慮風(fēng)振效應(yīng)的影響,在高層建筑中選用適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)控制手段。高聳結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震荷載下會(huì)受到動(dòng)力響應(yīng),形成慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生應(yīng)力。在該背景下研究高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì),具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

根據(jù)圖1的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)流程可知,本文研究的高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)步驟:第一步是分析高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)空間;第二步是取值風(fēng)振控制等效荷載;第三步是優(yōu)化高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)。優(yōu)化高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)方法主要優(yōu)化了風(fēng)振控制模擬過(guò)程,對(duì)模態(tài)的設(shè)定基于風(fēng)振控制結(jié)構(gòu)中的阻尼器,通過(guò)主體結(jié)構(gòu)的位移為基礎(chǔ),設(shè)置風(fēng)振信號(hào)的振型,獲取了優(yōu)化后的模型表達(dá)式,從而完成高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)。

1.2 高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)空間分析

隨著建筑技術(shù)和工藝水平的大幅提高,目前很多高層建筑在高聳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建設(shè)中,逐漸轉(zhuǎn)向了節(jié)能化和輕質(zhì)化的設(shè)計(jì)風(fēng)格,在保證建筑本身的結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)也節(jié)約了資源。高聳結(jié)構(gòu)一般傾向于追求剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其建筑物設(shè)計(jì)的較為硬質(zhì),對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的剛度和阻尼要求不斷下降,但該項(xiàng)考量又缺失了對(duì)風(fēng)振的重視,所以在高聳結(jié)構(gòu)空間中仍然要選擇振動(dòng)控制。對(duì)于一些高度大或體型復(fù)雜的高層建筑,要考慮在風(fēng)荷載作用下所具有的動(dòng)力響應(yīng)的線性排布。在建筑的水平荷載的作用中,不僅包含了風(fēng)荷載作用,也包含了水平地震可能出現(xiàn)的荷載作用。這兩種荷載都是不穩(wěn)定的隨機(jī)動(dòng)力可能,風(fēng)荷載與水平地震也存在不同之處[3]。對(duì)高聳結(jié)構(gòu)的考慮一般基于三個(gè)方面:一是在風(fēng)振作用下形成的慣性力,會(huì)對(duì)高聳結(jié)構(gòu)本身施加應(yīng)力;二是風(fēng)振作用同樣會(huì)影響到處于高層建筑中的人體感受;三是在風(fēng)振力的反復(fù)作用下,高聳結(jié)構(gòu)會(huì)受到疲勞破壞。結(jié)構(gòu)中的風(fēng)荷載計(jì)算由兩部分組成,對(duì)于一般性的建筑本文對(duì)其風(fēng)振效應(yīng)不作考慮,而高層建筑結(jié)構(gòu)表面上一點(diǎn)的風(fēng)壓風(fēng)速與表面特征有關(guān),可對(duì)一些因素進(jìn)行忽略。

1.3 風(fēng)振控制等效荷載取值

通過(guò)高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)空間的分析,可以初步設(shè)定風(fēng)振控制的設(shè)計(jì)方向。“陣風(fēng)荷載因子”用來(lái)表征脈動(dòng)風(fēng)荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)的擴(kuò)大,這種簡(jiǎn)便可行的方法逐漸成為了制定高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)力規(guī)范的重要依據(jù)。慣性力法實(shí)際上也屬于陣風(fēng)荷載因子法,它的陣風(fēng)荷載因子與慣性力有關(guān),它是從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程出發(fā),用結(jié)構(gòu)的一階振型慣性力來(lái)表示等效風(fēng)荷載。本文在風(fēng)速組成中將計(jì)算分為兩個(gè)部分,通過(guò)結(jié)構(gòu)風(fēng)向的相應(yīng)過(guò)程對(duì)風(fēng)荷載的作用力進(jìn)行分析,通過(guò)空氣密度及壓力系數(shù)的設(shè)定,采用風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法獲得建筑物的迎風(fēng)面寬度,在結(jié)構(gòu)整體作用下對(duì)其模態(tài)進(jìn)行分解。根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論對(duì)高聳建筑的設(shè)定進(jìn)行解構(gòu),位移響應(yīng)基于坐標(biāo)設(shè)定獲得模態(tài)阻尼,在位移響應(yīng)設(shè)定中對(duì)其求導(dǎo)能夠得到結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的速度、加速度和彎矩剪力等值[4]。

在脈動(dòng)風(fēng)速的三個(gè)方向中設(shè)置了相關(guān)性的檢測(cè),發(fā)現(xiàn)其處于較弱狀態(tài),通過(guò)對(duì)風(fēng)場(chǎng)上數(shù)值的模擬將其簡(jiǎn)化得到相應(yīng)的風(fēng)速場(chǎng),在聲速遠(yuǎn)大于風(fēng)速的前提條件下設(shè)置氣體屬性,其風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系表達(dá)式為:

(1)

其中,w為所求風(fēng)壓值,Pa;ρ為空氣密度,kg/m3,對(duì)其取值為1.25 kg/m3。那么式(1)根據(jù)空氣密度的取值可以進(jìn)行簡(jiǎn)化,獲得式(2)為:

(2)

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué),結(jié)構(gòu)低頻區(qū)域響應(yīng)抵御外力作用的僅有彈力。基于此理論,荷載-響應(yīng)相關(guān)法充分考慮了結(jié)構(gòu)上脈動(dòng)風(fēng)力間的關(guān)聯(lián)性,用準(zhǔn)靜風(fēng)荷載的方式計(jì)算出結(jié)構(gòu)的等效背景風(fēng)荷載。風(fēng)速在平均風(fēng)與脈動(dòng)風(fēng)的組合中實(shí)現(xiàn)隨風(fēng)振變動(dòng),可以得到風(fēng)場(chǎng)的穩(wěn)定環(huán)境條件。基于脈動(dòng)風(fēng)壓隨時(shí)間的變化規(guī)律及外界環(huán)境的改變,通過(guò)空氣密度的變化及外界障礙物的阻擋,將風(fēng)振力作用的風(fēng)荷載求解為:

(3)

1.4 高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于諧波疊加對(duì)風(fēng)荷載數(shù)值進(jìn)行確定,如果在模擬過(guò)程中存在較多的模擬點(diǎn)數(shù)時(shí),會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量的增大,所以要對(duì)該結(jié)構(gòu)下模擬過(guò)程的等效設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化流程如圖2所示。

在風(fēng)振結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析中,設(shè)定數(shù)學(xué)模型對(duì)原有的控制模擬進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)若干個(gè)模態(tài)參數(shù),描述實(shí)際的動(dòng)態(tài)特性,將復(fù)雜的理論計(jì)算以及多自由度的問(wèn)題,分解為簡(jiǎn)單化的單自由度的耦合模型。對(duì)模態(tài)的設(shè)定基于風(fēng)振控制結(jié)構(gòu)中的阻尼器,通過(guò)主體結(jié)構(gòu)的位移為基礎(chǔ),設(shè)置風(fēng)振信號(hào)的振型,優(yōu)化后的模型表達(dá)式為:

(4)

其中,N為頻率采樣點(diǎn)數(shù),Hz;Φi為風(fēng)振控制中的結(jié)構(gòu)參數(shù);xi為隨機(jī)的風(fēng)振信號(hào),m。為了解決上述解耦公式分析中存在的一定荷載向量問(wèn)題,設(shè)置的隨機(jī)風(fēng)振的響應(yīng)取值應(yīng)在一定范圍內(nèi),在理論設(shè)定中完成對(duì)于高層建筑的高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

在高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中,為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制方法的有效性,通過(guò)搭建仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)控制方法進(jìn)行有效性驗(yàn)證。在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,再將風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行對(duì)比。在仿真實(shí)驗(yàn)中要設(shè)置足夠的對(duì)比基礎(chǔ),以實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)定并通過(guò)對(duì)仿真環(huán)境的搭建,選擇部分樣本并在數(shù)據(jù)中進(jìn)行隨機(jī)提取,通過(guò)建筑數(shù)據(jù)構(gòu)建風(fēng)振參數(shù)控制效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以高層建筑為研究對(duì)象,設(shè)置實(shí)驗(yàn)樓層為10層—20層的建筑數(shù)據(jù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)控制方法下的復(fù)模態(tài)位移與傳統(tǒng)方法中的位移進(jìn)行對(duì)比,獲得基于設(shè)計(jì)方法使用后的風(fēng)振力減小比例,分析出控制方法的優(yōu)勢(shì)性。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建與開(kāi)展

仿真實(shí)驗(yàn)中,為了對(duì)高層建筑的風(fēng)振控制方法設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行有效性驗(yàn)證,設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)

在上述的主要參數(shù)中對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建,將上述參數(shù)編入至程序中,通過(guò)設(shè)計(jì)方法中的諧波疊加原理對(duì)風(fēng)振進(jìn)行節(jié)點(diǎn)高度的測(cè)驗(yàn)。由于設(shè)定節(jié)點(diǎn)過(guò)多,選取部分具有實(shí)驗(yàn)代表性的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明,對(duì)高層建筑中的高聳建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。為了實(shí)驗(yàn)的仿真效果,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中作了如下約束:首先在節(jié)點(diǎn)處的風(fēng)速設(shè)置隨機(jī)模擬為20 m/s以內(nèi),并保持風(fēng)速的平穩(wěn)狀態(tài);其次設(shè)置脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程的風(fēng)速均值為0;最后設(shè)定隨機(jī)模擬節(jié)點(diǎn)中,使風(fēng)振功率與目標(biāo)功率的曲線盡量保持一致,保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果貼近實(shí)際效果。除此之外,還應(yīng)設(shè)置樓層中鋼材的扭轉(zhuǎn)角,便于在風(fēng)荷載的受力中進(jìn)行分析,在結(jié)構(gòu)平動(dòng)力中設(shè)定結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)中的剪力之和,并以結(jié)構(gòu)的平動(dòng)側(cè)移為基準(zhǔn)設(shè)定層間的扭轉(zhuǎn)角,通過(guò)單向偏心力的作用,實(shí)現(xiàn)對(duì)樓層中第i層的扭轉(zhuǎn)角計(jì)算:

(5)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建,將所設(shè)計(jì)控制方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以對(duì)風(fēng)振控制方法結(jié)果進(jìn)行分析,從10層至24層的15層建筑中,以設(shè)計(jì)的控制方法的復(fù)模態(tài)位移為出發(fā)點(diǎn),通過(guò)對(duì)兩種風(fēng)振控制方法的比對(duì),獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。基于15層高層建筑的風(fēng)振力減少比例的考量,設(shè)計(jì)方法能夠同比減小15%～18%左右的風(fēng)振力,對(duì)現(xiàn)代環(huán)境下的高層建筑的高聳結(jié)構(gòu)起到了良好風(fēng)振力控制作用,可以將該方法應(yīng)用到實(shí)際高聳建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高層建筑中高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制等效設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究,通過(guò)對(duì)高聳結(jié)構(gòu)空間的分析,設(shè)定了基于高層建筑的空間解耦,在對(duì)風(fēng)振控制的等效荷載進(jìn)行去除之后,對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)性,在傳統(tǒng)控制方法中對(duì)風(fēng)振效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了等比減小,一定程度上實(shí)現(xiàn)了風(fēng)振控制的目的。但是,本文仍舊存在一些不足之處,還需要在以后的研究中進(jìn)行優(yōu)化。