基于粘滯阻尼器的某超高層結構風振控制研究

陳國華

（珠海大橫琴城市新中心發展有限公司 珠海519031）

0 引言

隨著現代科學和經濟的發展，近年來，高層和高聳結構都向著更高、更柔的方向發展，出現了越來越多鋼結構形式的高層建筑［1-3］。并且人們對居住環境以及建筑的美觀、安全及舒適度的要求愈來愈高。鋼結構高層建筑質量輕、剛度小、阻尼小，使得結構對風荷載十分敏感［4，5］。結構在風荷載作用下產生的振動，不足以保證其安全性和舒適度，為了抑制結構的風致響應必須進行振動控制。結構的被動控制相對于主動控制和半主動控制具有不需要外部能量、穩定性強等優點［6，7］，如粘滯阻尼器通過在結構中消耗能量，可有效減小結構風振響應［8-10］。

本文中所研究的對象是一座全鋼的框架-斜撐體系鋼結構高層建筑，建筑造型復雜，在風振作用下產生明顯的振動效應，影響主體結構的舒適度。為提高建筑的舒適性，擬采用3 種減振控制技術對結構進行了減振控制，提高其安全性與舒適性。

1 工程概況及模型建立

某工程為鋼結構超高層建筑，總建筑面積約16 000 m2，建筑高度120 m，地上38 層，建筑平面整體呈現矩形。第35層為設備層，第36層修建了1個露天游泳池，第37、38層為不住人的梯屋，因此減振設計方案將第34層作為舒適度控制層。

采用Midas Gen進行建模，如圖1所示。風洞試驗簡化模型總重量為89 000 t，而Midas Gen模型結構總重量為88 737 t，二者非常接近；風洞試驗簡化模型前三階陣型周期為4.44 s、3.96 s、3.44 s，Midas Gen模型前三階陣型周期為4.51 s、4.05 s、3.51 s，其相對誤差分別為1.48%、2.24%、1.96%。由此驗證了Midas Gen分析模型的準確性，在此基礎上可以進行后續的動力時程分析。

圖1 Midas Gen三維有限元計算模型Fig.1 Finite Element Model in Midas Gen

2 輸入風荷載

由于本工程建筑造型復雜，因此對該工程進行了1∶350 的比例尺的風洞試驗，風洞試驗結果可為結構振動控制計算模型提供風荷載時程激勵?；陲L洞試驗，確定最不利工況為40°風向角風荷載，故本減振工程采用風洞試驗一年重現期40°風向角的風荷載時程。每組風時程包含作用在結構各層質心上沿結構主軸上的水平脈動風力Fx、Fy，以及作用于結構上的扭轉向風力Mz。圖2 中分別繪制了一年一遇40°風向角工況下3個方向角在第34層上作用的風荷載時程。

為進一步驗證所采用結構振動控制三維有限元模型的準確性與有效性，將對比風洞實驗所采用的簡化模型與三維有限元模型的風振計算結果。首先將一年一遇40°風向角風荷載時程施加在對應三維有限元模型樓層剛性樓板的質心上，根據規范設置分析時間為600 s，運行程序進行結構線彈性時程分析。因實際結構在風荷載作用下還存在著轉動效應，為了更加合理地評估舒適度，在第34層樓板圍繞質心均勻選擇20個節點，并提取這20個節點的加速度時程信息。根據風洞試驗報告，在一年一遇風荷載作用下第34層測點的峰值加速度為0.309 m∕s2。從結構振動控制三維有限元計算結果可得知，第34層20個節點的平均峰值加速度為0.290 m∕s2，與風洞試驗的結算結果相對誤差為6.15%。此誤差在允許范圍之內，說明數值模擬分析的結果和風洞試驗的結果吻合得比較好，驗證了數值模擬分析的準確性，在此基礎上進行減振控制設計。

圖2 第33層3個方向脈動風荷載時程Fig.2 Time-history of Fluctuating Wind Load in Three Directions on the 33rd Floor

3 減振控制方案設計

本文中的減振設計方案設置62套粘滯阻尼器，阻尼器設計參數分別為阻尼指數取0.4，阻尼系數為500 kN∕（mm∕s）α，設計阻尼力為100 kN，設計行程為±30 mm。粘滯阻尼器在20～34層的建筑B、D位置每層設置2套阻尼器，共30套；20～35層的建筑位置3每層設置2套阻尼器，共32套阻尼器，其安裝位置如圖3所示。

圖3 阻尼器布置位置Fig.3 Layout of VD

4 結構抗風舒適度計算結果

舒適度評價內容為結構在一年重現期風荷載持續作用10 min的情況下，建筑物住人層的樓板峰值加速度不超過規定的限值。計算舒適度時，Midas 分析模型與風洞試驗均采用結構振型阻尼比1%，并制定本次減振方案控制目標：結構在一年一遇40°風向角風荷載作用下，將第34 層的均方根加速度控制為0.11 m∕s2。如圖4、圖5 所示，分別提取了酒店1～38 層峰值加速度與均方根加速度?？梢钥闯?，無論是結構的峰值加速度響應，還是均方根加速度響應，都較無控時明顯減小。其中，第34樓層的平均峰值加速度從0.290 m∕s2控制到0.131 m∕s2，阻尼器的減振控制效果達到54.9%。其平均峰值加速度從0.224 m∕s2控制到0.105 m∕s2，阻尼器的減振控制效果達到52.9%。

圖4 質心處峰值加速度隨樓層高度的變化Fig.4 Changes in Peak Acceleration at the Center of Mass with Floor Height

圖5 質心處均方根加速度隨樓層高度的變化Fig.5 Root-mean-square Acceleration at the Center of Mass Varies with Floor Height

為體現減振方案在時域上的控制效果，分別提取了第34 層質心處X、Y向的在風荷載作用下的加速度時程，如圖6所示?？梢钥闯?，本文中阻尼器的布置方案減震效果明顯。

通過能量法，計算得到減振結構在一年一遇40°風向角風荷載作用下，結構總應變能為56.824 kN?mm，在結構第21 層～36 層（建筑第20～35 層）布置的62 套阻尼器總耗能為23.341 kN?mm。根據能量法計算結果，減振結構中非線性粘滯阻尼器在風荷載作用下給結構提供3.27%附加阻尼比，提高了結構的耗能能力。

5 結論

圖6 質心加速度時程曲線Fig.6 Acceleration Time-history Curve at Center of Mass

結構在最不利40°風向角風荷載作用下，采用所設計阻尼器布置方案，結構第34樓層平均均方根合加速度減振控制效果達到52.9%，達到預期減振控制目標。沿高度方向結構峰值和均方根加速度亦具有良好的控制效果。減振控制方案通過設置粘滯阻尼器給結構附加阻尼比，經計算，所采取的減振控制方案在最不利40°風向角風荷載作用下能為結構附加1.27%阻尼比?；谡硿枘崞髟O計的減振控制方案，可有效降低其在風荷載作用下的動力響應，提高結構的舒適性與安全性，不僅對大樓主體結構特別是上部酒店部分的控制效果較好，對頂部的露天游泳池也有較好的控制效果。