脉动风载下新型建筑结构顶层动力响应控制研究

杜森 王亚军

摘 要：对于新型建筑结构而言，巨结构以及子结构中顶层动力的响应是最为剧烈的，且由于此区域中流体阻尼器直接与附加柱相连接，故而使得顶层动力特定的表现非常的复杂。为进一步改善整个建筑结构的稳定性状态，本文在脉动风载作用力影响下分析附加阻尼以及附加柱刚度对整个结构动力特性表现的影响，从而总结了结构顶层动力响应的变化规律，望能够在后续工作中针对此问题展开进一步的研究。

关键词：脉动风载；新型建筑结构；顶层；动力响应；控制

1 新型建筑结构动力方程分析

新型建筑结构动力分析中的基本模型如下图所示（图1），最底部子结构与传统结构保持一致，同时底层巨结构中纳入刚度以及质量等相关因素。与此同时，上部各组子结构与巨结构保持独立关系，在模型图中分开表示，分别划入一个单独的自由度。假定分析模型当中的巨结构有n层，则需要保持独立状态的子结构为n-1层，各组子结构则为n1层。

假定：Xp为巨梁层结构所对应的n维侧向移动行向量，Xs为相对独立子结构所对应的（n-1）n1维侧移行向量，定义X=|Xp+Xs|，则对应的动力方程如下式所示：

；

同时，在考虑脉动风载因素影响的条件下，z高度条件下所对应的脉动风压面荷载作用力主要与脉动风所对应的平稳项以及调制项情况相关。考虑到从荷载角度上来说，脉动风压具有随机性特点，因此，在对脉动风压面荷载作用力进行分析的过程当中，可以利用统计值做代入处理。同时，假定：M为系统质量阵，Mp为巨结构所对应质量对角阵，Mi则为第i组子结构所对应的对角阵，则质量阵可构成如下式所示关系：

M=diag[Mp，M1，...，Mn-1]；

2 算例分析

在参考传统巨型框架结构设计资料的基础之上，设置新型建筑结构，底部截面参数取值为5.7m*5.7m，巨梁结构截面尺寸为5.7m*4.0m，巨结构整体层数为3层，第一层层高为46.0m，第二层、第三层层高均为48.0m。两组子结构相互独立，每组对应层数为10层，层高取值为4.0m，巨梁结构跨度取值为32.0m。在此基础之上，考虑到外界动力作用的随机性以及不可解耦性特点，因此在针对本结构动力特性进行分析的过程中需要采取以复模态以及随机振动基础之上的理论分析方法。应用Davenport风速谱干预风载计算，在10.0m高度条件下，基础风压取值为0.65kN/m?，地面粗糙度预设值为0.16，梯度风高度取值为350.0m。

为了方便对数据的分析处理，将附加柱刚度取值设置为常数量，将子结构底层柱剪切刚度取值设置为变量，同时，附加阻尼取值设置为常数量，子结构底层柱阻尼取值设置为变量。定义参考指标Rk以及Rc，两项指标的取值可参照如下式方式确定：

Rk=附加柱刚度取值/子结构底层柱剪切刚度取值；

Rc=附加阻尼取值/子结构底层柱阻尼取值；

下圖（如图1）所示为脉动风载因素作用下，不同附加阻尼以及附加柱刚度变化条件下，巨结构以及子结构所对应的顶层侧向移动响应均方根值变化曲面图。结合图1趋势来看，在满足①附加柱刚度取值/子结构底层柱剪切刚度取值<0.3，②附加阻尼取值/子结构底层柱阻尼取值=0的条件下，巨结构、子结构所对应的侧向移动响应最大；在满足①附加柱刚度取值/子结构底层柱剪切刚度取值<0.3，②附加阻尼取值/子结构底层柱阻尼取值在2.0～7.0区间的条件下，巨结构、子结构所对应的侧向移动响应控制效果最佳；在满足①附加柱刚度取值/子结构底层柱剪切刚度取值>0.3，②附加阻尼取值/子结构底层柱阻尼取值>7.0的条件下，巨结构、子结构所对应的侧向移动响应最大值可控制在0.02m范围内，能够满足高层建筑侧向移动限制要求。

下图（如图2）所示为脉动风载作用下，不同附加阻尼以及附加柱刚度变化条件下，巨结构以及子结构所对应的顶层加速度响应均方根值变化曲面图。结合图2趋势来看，在满足①附加柱刚度取值/子结构底层柱剪切刚度取值<0.5，②附加阻尼取值/子结构底层柱阻尼取值<2.0的条件下，巨结构、子结构所对应的加速度响应最大；在满足①附加柱刚度取值/子结构底层柱剪切刚度取值<0.3，②附加阻尼取值/子结构底层柱阻尼取值>3.0的条件下，巨结构、子结构所对应的加速度响应控制效果最佳。巨结构、子结构顶层加速度响应可控制在0.25m/s?的理想范围内，满足室内居住者对居住空间舒适度的要求。

综合以上分析认为：在附加柱刚度取值/子结构底层柱剪切刚度取值<0.3，并且附加阻尼取值/子结构底层柱阻尼取值取值在3.0～7.0范围内的条件下，巨结构、子结构侧向移动响应以及加速度响应均可达到理想的控制。

3 结束语

相较于一般意义上的传统建筑结构而言，新型建筑结构背景之下，巨结构与子结构所对应的顶层动力特性表现非常复杂，动力特性的反应会受到多个方面因素的影响。在相关研究中认为，受到脉动风载作用力的影响，附加阻尼取值，附加柱刚度取值均会在不同程度上对建筑巨结构以及子结构顶层动力响应的具体表现产生非常直接且关键性的影响。从这一角度上来说，在展开新型建筑结构设计工作的过程当中，为了控制巨结构、子结构顶层动力响应，使其结构稳定性控制在合理范围内，就需要在结构分析中纳入对附加柱以及附加阻尼因素的分析，以上研究望能够在后续实践中引起各方关注与重视。