基于粘滞阻尼器的某超高层结构风振控制研究

陈国华

（珠海大横琴城市新中心发展有限公司 珠海519031）

0 引言

随着现代科学和经济的发展，近年来，高层和高耸结构都向着更高、更柔的方向发展，出现了越来越多钢结构形式的高层建筑［1-3］。并且人们对居住环境以及建筑的美观、安全及舒适度的要求愈来愈高。钢结构高层建筑质量轻、刚度小、阻尼小，使得结构对风荷载十分敏感［4，5］。结构在风荷载作用下产生的振动，不足以保证其安全性和舒适度，为了抑制结构的风致响应必须进行振动控制。结构的被动控制相对于主动控制和半主动控制具有不需要外部能量、稳定性强等优点［6，7］，如粘滞阻尼器通过在结构中消耗能量，可有效减小结构风振响应［8-10］。

本文中所研究的对象是一座全钢的框架-斜撑体系钢结构高层建筑，建筑造型复杂，在风振作用下产生明显的振动效应，影响主体结构的舒适度。为提高建筑的舒适性，拟采用3 种减振控制技术对结构进行了减振控制，提高其安全性与舒适性。

1 工程概况及模型建立

某工程为钢结构超高层建筑，总建筑面积约16 000 m2，建筑高度120 m，地上38 层，建筑平面整体呈现矩形。第35层为设备层，第36层修建了1个露天游泳池，第37、38层为不住人的梯屋，因此减振设计方案将第34层作为舒适度控制层。

采用Midas Gen进行建模，如图1所示。风洞试验简化模型总重量为89 000 t，而Midas Gen模型结构总重量为88 737 t，二者非常接近；风洞试验简化模型前三阶阵型周期为4.44 s、3.96 s、3.44 s，Midas Gen模型前三阶阵型周期为4.51 s、4.05 s、3.51 s，其相对误差分别为1.48%、2.24%、1.96%。由此验证了Midas Gen分析模型的准确性，在此基础上可以进行后续的动力时程分析。

图1 Midas Gen三维有限元计算模型Fig.1 Finite Element Model in Midas Gen

2 输入风荷载

由于本工程建筑造型复杂，因此对该工程进行了1∶350 的比例尺的风洞试验，风洞试验结果可为结构振动控制计算模型提供风荷载时程激励。基于风洞试验，确定最不利工况为40°风向角风荷载，故本减振工程采用风洞试验一年重现期40°风向角的风荷载时程。每组风时程包含作用在结构各层质心上沿结构主轴上的水平脉动风力Fx、Fy，以及作用于结构上的扭转向风力Mz。图2 中分别绘制了一年一遇40°风向角工况下3个方向角在第34层上作用的风荷载时程。

为进一步验证所采用结构振动控制三维有限元模型的准确性与有效性，将对比风洞实验所采用的简化模型与三维有限元模型的风振计算结果。首先将一年一遇40°风向角风荷载时程施加在对应三维有限元模型楼层刚性楼板的质心上，根据规范设置分析时间为600 s，运行程序进行结构线弹性时程分析。因实际结构在风荷载作用下还存在着转动效应，为了更加合理地评估舒适度，在第34层楼板围绕质心均匀选择20个节点，并提取这20个节点的加速度时程信息。根据风洞试验报告，在一年一遇风荷载作用下第34层测点的峰值加速度为0.309 m∕s2。从结构振动控制三维有限元计算结果可得知，第34层20个节点的平均峰值加速度为0.290 m∕s2，与风洞试验的结算结果相对误差为6.15%。此误差在允许范围之内，说明数值模拟分析的结果和风洞试验的结果吻合得比较好，验证了数值模拟分析的准确性，在此基础上进行减振控制设计。

图2 第33层3个方向脉动风荷载时程Fig.2 Time-history of Fluctuating Wind Load in Three Directions on the 33rd Floor

3 减振控制方案设计

本文中的减振设计方案设置62套粘滞阻尼器，阻尼器设计参数分别为阻尼指数取0.4，阻尼系数为500 kN∕（mm∕s）α，设计阻尼力为100 kN，设计行程为±30 mm。粘滞阻尼器在20～34层的建筑B、D位置每层设置2套阻尼器，共30套；20～35层的建筑位置3每层设置2套阻尼器，共32套阻尼器，其安装位置如图3所示。

图3 阻尼器布置位置Fig.3 Layout of VD

4 结构抗风舒适度计算结果

舒适度评价内容为结构在一年重现期风荷载持续作用10 min的情况下，建筑物住人层的楼板峰值加速度不超过规定的限值。计算舒适度时，Midas 分析模型与风洞试验均采用结构振型阻尼比1%，并制定本次减振方案控制目标：结构在一年一遇40°风向角风荷载作用下，将第34 层的均方根加速度控制为0.11 m∕s2。如图4、图5 所示，分别提取了酒店1～38 层峰值加速度与均方根加速度。可以看出，无论是结构的峰值加速度响应，还是均方根加速度响应，都较无控时明显减小。其中，第34楼层的平均峰值加速度从0.290 m∕s2控制到0.131 m∕s2，阻尼器的减振控制效果达到54.9%。其平均峰值加速度从0.224 m∕s2控制到0.105 m∕s2，阻尼器的减振控制效果达到52.9%。

图4 质心处峰值加速度随楼层高度的变化Fig.4 Changes in Peak Acceleration at the Center of Mass with Floor Height

图5 质心处均方根加速度随楼层高度的变化Fig.5 Root-mean-square Acceleration at the Center of Mass Varies with Floor Height

为体现减振方案在时域上的控制效果，分别提取了第34 层质心处X、Y向的在风荷载作用下的加速度时程，如图6所示。可以看出，本文中阻尼器的布置方案减震效果明显。

通过能量法，计算得到减振结构在一年一遇40°风向角风荷载作用下，结构总应变能为56.824 kN∙mm，在结构第21 层～36 层（建筑第20～35 层）布置的62 套阻尼器总耗能为23.341 kN∙mm。根据能量法计算结果，减振结构中非线性粘滞阻尼器在风荷载作用下给结构提供3.27%附加阻尼比，提高了结构的耗能能力。

5 结论

图6 质心加速度时程曲线Fig.6 Acceleration Time-history Curve at Center of Mass

结构在最不利40°风向角风荷载作用下，采用所设计阻尼器布置方案，结构第34楼层平均均方根合加速度减振控制效果达到52.9%，达到预期减振控制目标。沿高度方向结构峰值和均方根加速度亦具有良好的控制效果。减振控制方案通过设置粘滞阻尼器给结构附加阻尼比，经计算，所采取的减振控制方案在最不利40°风向角风荷载作用下能为结构附加1.27%阻尼比。基于粘滞阻尼器设计的减振控制方案，可有效降低其在风荷载作用下的动力响应，提高结构的舒适性与安全性，不仅对大楼主体结构特别是上部酒店部分的控制效果较好，对顶部的露天游泳池也有较好的控制效果。