基于黏滞阻尼器的CAARC高层建筑风振加速度控制研究.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年7月第30卷 第7期JUL 2023Vol.30 No.7DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.07.017作者简介：张烈豪（1998-），男，硕士，主要从事结构风工程研究。E-mail：liehao_0引言随着科技的进步以及大中城市用地的限制，近年来兴建的超高层建筑逐渐增多。这类建筑的结构自振周期大、阻尼小、侧向刚度相对较小，在地震以及强风环境中的振动效应十分明显。风荷载已经成为此类建筑的安全性和人居舒适性的主要控制荷载之一1。超高层结构在脉动风作用下产生的结构顶部振动响应通常较大，若不加以控制，过大的风振加速度及位移响应会令人感到不适和恐慌。对于某些高层或超高层建筑，通过增加结构刚度来减小振动响会使得结构自重和地震响应增加，且会压缩建筑的使用空间，此时采用阻尼器来增加结构阻尼比以达到控制结构风致振动效应不失为一种有效的解决手段2-3。文中对CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council）标准高层建筑（长宽高为45.72 m30.48 m182.88 m）开展了刚性模型同步测压风洞试验，获得了建筑表面的风压分布，经过转换得到作用于原型建筑上的脉动风荷载时程4-5。进一步通过ETABS有限元软件计算分析该建筑在不同工况下的风振响应，详细研究了不同阻尼器参数、布置位置、布置形式对于结构风致加速度响应的减振控制效果的影响，为类似高层建筑的抗风设计提供参考。1风洞试验1.1试验概况风洞试验在华南理工大学大气边界层风洞实验室中进行。测压模型以刚性材料制成，几何缩尺比为1 300。根据试验建筑体型和试验要求，在塔楼模型表面沿高度方向布置了7层测点，并在结构角区进行加密布置，共计196个测点，高层建筑测压标准模型测点布置如图1所示。试验中以结构顶部182.88 m作为参考高度，按缩尺比1/300在风洞中对应的参考高度为60.96 cm。试验段内以二元尖塔、挡板及粗糙元等在转盘模型区模基于黏滞阻尼器的CAARC高层建筑风振加速度控制研究张烈豪，余先锋（华南理工大学土木与交通学院广州510640）摘要：对CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council）标准矩形高层建筑开展同步测压风洞试验，获得建筑表面的风压分布，并建立其三维有限元模型，详细分析有、无设置黏滞阻尼器下的结构风致加速度响应的减振控制率。结果表明：结构顶层峰值加速度的减振控制率随着阻尼系数C的增大而增加、随着阻尼指数的增大而减小；靠近结构上部楼层布置黏滞阻尼器的风振控制效果较好；随着阻尼器布置数量增加，结构的减振控制率逐渐增大，且顺风向的减振控制率都比横风向的大；隔层布置时的减振控制率比逐层布置时更好。关键词：黏滞阻尼器；CAARC标准高层建筑；风致加速度；风振控制；风洞试验中图分类号：TU973+.32文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）07-077-04Wind-induced Acceleration Mitigation of CAARC Standard High-rise Building BasedWind-induced Acceleration Mitigation of CAARC Standard High-rise Building Basedon Viscous Damperon Viscous DamperZHANG Liehao，YU Xianfeng（School of Civil Engineering and Transportation，South China University of TechnologyGuangzhou 510640，China）AbstractAbstract：A synchronous pressure measurement wind tunnel test is carried out on CAARC（Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council）standard rectangular high-rise buildings to obtain the wind pressure distribution on the building surface.And in order to getstructural wind-induced acceleration response and its damping control effect，its three-dimensional finite element model is established to analyze the conditions in detail with and without viscous dampers.The results show that the damping control rate of the peak acceleration ofthe top floor of the structure increases with the increase of the damping coefficient C，and decreases with the increase of the damping index；the wind vibration control effect is better when the viscous damper is arranged close to the upper floor of the structure；as the numberof dampers increases，the control rate of vibration reduction of the structure gradually increases，and the control rate of vibration reductionin the downwind direction is greater than that in the cross-wind direction.The damping control rate is better when dampers are arranged every other layer than when they are arranged layer by layer.Key wordsKey words：viscous damper；CAARC standard high-rise building；wind-induced acceleration；wind vibration control；wind tunnel test77张烈豪，等：基于黏滞阻尼器的CAARC高层建筑风振加速度控制研究JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期拟出 C 类地貌的平均风速廓线和湍流强度分布（见图2），可知模拟结果与规范结果吻合良好。试验模型安装在风洞试验段内 4 m直径的转盘上，如图3所示。图4为风洞试验的参考坐标系，风向角为0时为初始方位，试验时以10风向增量对建筑模型表面风压进行同步测量。采集系统为美国PSI公司生产的Measurement扫描阀，采样频率为331.9 Hz，采样时间为61.7 s。1.2数据处理及分析工况在进行有限元分析之前，需要得到各楼层的风荷载时程。通过风洞试验可以得到各个测点的风压时程，再根据下式计算得到个第i测点的风压系数时程Cpi（t）：Cpi（t）=Pi(t)-PP0-P其中Pi（t）、P0、P分别为第i个测点的风压时程、参考高度处的总压、参考高度处静压。以广州为例，10年重现期下基本风压为0.3kPa，通过数据转换和压力积分获得结构各楼层的风荷载时程6-7，即各楼层质心处x、y两平动方向和z向扭转的风荷载时程，其中顶层（45层）在10风向角下的x、y、z向10年重现期风荷载时程如图5所示。为研究阻尼器本身参数、阻尼器沿建筑高度方向布置位置、阻尼器布设数量等影响，计算分析工况如表1所示。获得各工况下的结构顶层峰值加速度后，定义减振控制率R为：R=无控时的峰值响应-有控时的峰值响应无控时的峰值响应2试验结果分析2.1无控时结构风振响应为简化计算，取典型风向角0、90进行风振响应及控制研究。结构3645层x、y向的峰值加速度的变化情况如图6所示。可知，不同风向角下峰值加速度随着高度的增大逐渐增大，且横风向加速度响应大于顺风向结果。在90风向角下，x向的顶层峰值加速度达到最大值15.27 cm/s2。下文选取90风向10年重现期工况下的结构顶部峰值加速度作为代表，详细研究有、无设置黏滞阻尼器下的减振控制效果。2.2黏滞阻尼器控制分析ETABS 有限元软件中提供了 damper 单元，采用粘滞阻尼器的 Maxwell模型8对阻尼单元进行模拟。图2风场模拟结果Fig.2Wind Field Simulation Results平均速度湍流强度C类风洞试验值C类风洞试验值V/VrZ/m0.0000.5001.000400350300250200150100500Iu/%0.05.010.015.020.025.0Z/m400350300250200150100500图3风洞试验模型Fig.3Wind Tunnel Test Model图4风洞参考坐标系Fig.4Wind Tunnel Reference Coordinate System900270180试验建筑xyMxMzMy图510年重现期顶层风荷载时程Fig.5Time History of Wind Loads x向z向y向时间/sFx/kN0200040006000100-200-300时间/sFy/kN02000400060001000-100时间/sMzz/kNm0200040001000-1000-20000图1测点布置Fig.1Tap Arrangement（m）CAARC高层建筑测点层平面Dy=45.72Dx=30.48xyzH=182.8830.4830.4830.4830.4830.4824.3918.30 14.643.63Dy=45.720.1Dy40.2Dy0.1DyDx=30.480.1Dxx40.2Dx0.1Dxx78广东土木与建筑JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期Maxwell模型是由阻尼单元和弹簧单元连接组成的，如图7所示。Maxwell 模型的力学计算模型可以表示为：F=kddk=CVa式中：kd为弹簧刚度；dk为弹簧变形；C 为阻尼系数；V为阻尼器两端的相对速度；a为阻尼指数。文中采用常用的阻尼器斜撑式布置形式9-10，在建筑的高区（3645层共10层），每层沿x、y向均匀布置8个阻尼器，如图8所示。设置6组不同阻尼指数、阻尼系数工况（见表1）对结构顶层x、y向的峰值加速度的减振控制率展开研究，结果如图9和图10所示。由图9可知，结构顶层峰值加速度响应的减振控制率随着阻尼系数的增加逐渐增大并趋于平稳，在阻尼系数C为6 000达到最大值，x、y向峰值加速度减振控制率达到24.63%、21.17%；随着阻尼指数a的增大减振控制率逐渐减小且趋于平稳，在阻尼指数为0.9图610年重现期楼层加速度响应Fig.6Acceleration under 10-year Return Period90 y向峰值加速度90 x向峰值加速度0y向峰值加速度0 x向峰值加速度加速度峰值响应/cms-2楼层036912 1636454443424140393837图7Maxwell模型Fig.7Maxwell Model图8阻尼器布置情况Fig.8Damper Arrangement阻尼器布设位置图9结构顶层峰值加速度的减振控制率随阻尼器参数的变化Fig.9The Vibration Control Rate of the Peak Acceleration of the Top Floor of the Structure Varies with theDamper Parameters不同阻尼系数不同阻尼指数距离顶层层数峰值加速度减振控制率R/%1000200030004000500060003025201510 x向y向阻尼指数a峰值加速度减振控制率R/%0.40.50.60.70.80.930251050 x向y向152035图10结构顶层峰值加速度减振控制率Fig.10Peak Acceleration Damping Control Rate of theTop Floor of the Structure 结构不同高度布置阻尼器数量影响阻尼系数C峰值加速度减振控制率R/%3025201510 x向y向0510152025303545405阻尼器布置个数/个峰值加速度减振控制率R/%3025201510 x向y向0816 24 32 40 48 56 64 72 803545405500表1计算分析工况Tab.1Work Cases for Analyses无控阻尼器参数分析阻尼器沿高度布置位置影响阻尼器布置数量影响工况-1234567891011121314151617181925262728293031323334阻尼器数量-808080808080808080808080808080808080808162432404856647280阻尼指数-0.30.30.30.30.30.30.40.50.60.70.80.90.40.40.40.40.40.40.40.40.40.40.40.40.40.40.40.40.4阻尼系数-1 0002 0003 0004 0005 0006 0002 0002 0002 0002 00020002 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 0003 000安装楼层号-3645364536453645364536453645364536453645364536453645314026352130162511206154543，4541 2 4539 2 4537:2 4535 2 4533 2 4531 2 4529 2 4527 2 45F（t）KdF（t）CF（t）79张烈豪，等：基于黏滞阻尼器的CAARC高层建筑风振加速度控制研究JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期达到最小值，此时 x、y 向峰值加速度振控制率达到1.31%、4.96%。从图10可知，各工况下的结构顶层x、y向峰值加速度减振控制率R基本达到了10%以上。随着阻尼器整体布置位置的下移（即距离顶层层数增大），结构顶层峰值加速度的减振控制率呈现先增加后减小的趋势，在工况14时，顶层x、y向峰值加速度减振控制率达到最大值29.15%、41.35%。因此，抗风减振布设阻尼器时，应尽量靠近建筑上层结构位移较大的位置，且不宜布置在顶层。出于经济性考虑，结构设计中一般不在各楼层都布置阻尼器11，文中在保证每层布置形式相同的情况下，每隔一层增设一层阻尼器，共10组工况，由图10可知，随着阻尼器布置数量的增加，结构顶层峰值加速度的减振控制率 R 逐渐增加，减振控制率在工况34达到最大值，x、y向减振率分别为37.13%、48.24%，且顺风向的减振控制率都比横风向的大。图 11 给出了在顶层开始隔层布置 10 层阻尼器（工况34）与逐层布置（工况13），x向和y向的峰值加速度时程的比较。结果表明隔层布置时的减振控制率比逐层布置时更好。3结论文中基于同步测压风洞试验和三维有限元建模，对CAARC标准高层建筑进行了风振响应及其控制效果研究，主要结论如下：不同风向角下峰值加速度随着高度的增大逐渐增大。建筑在横风向的响应大于顺风向。结构顶层峰值加速度响应的减振控制率均随着阻尼系数C的增加而增大，随着阻尼指数a的增大而减小，且都会随着阻尼器的参数增大趋于平缓。在结构上部楼层布置黏滞阻尼器的风振控制效果较好，随着阻尼器布置数量增加，减振控制率逐渐增大，且顺风向的减振控制率都比横风向的大，隔层布置时的减振控制率比逐层布置时更好。参考文献1汪大绥，包联进.我国超高层建筑结构发展与展望 J.建筑结构，2019，49（19）：11-24.2王森，陈永祁，马良喆，等.液体黏滞阻尼器在超高层建筑抗风设计中的应用研究 J.建筑结构，2020，50（10）：44-50.3李伟锋，陈泽钿.某超高层建筑风致结构响应结果的分析J.广东土木与建筑，2019，26（7）：18-22.4宋永发，常金鹏，王延龙.高层建筑的顺风向风振响应分析及舒适度研究 J.防灾减灾工程学报，2007（4）：484-487.5 彭勇波，曾小树，陈建兵.考虑参数随机性的高层建筑风振舒适度的非线性黏滞阻尼器优化布设 J.建筑结构学报，2018，39（1）：11-20.6余先锋，谢壮宁.小截面建筑干扰下的高层建筑气动力及风致响应研究 J.建筑结构学报，2022，43（10）：104-110+198.7武岳.风工程与结构抗风设计 M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20198 北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南 M.北京：人民交通出版社，2006.9 周云，商城豪，张超.消能减震技术研究与应用进展 J.建筑结构，2019，49（19）：33-48.10 仇建磊，李庆祥，许伟，等.不同阻尼器布置机构下超高层建筑风振舒适度控制效果对比分析 J.建筑结构，2021，51（S2）：746-752.11 邹平波，陈繁荣，沈琪，等.附设粘滞阻尼器的高层立体车库风振性能 J.土木工程与管理学报，2021，38（5）：104-109.图11隔层布置与逐层布置顶层加速度的对比Fig.11Comparison of the Acceleration of the TopFloor between the Interlayer Arrangement andthe Layer-by-layer Arrangementx向峰值加速度y向峰值加速度时间/s加速度/cms-202004006008001000隔层布置逐层布置无控工况600700800-10-200102030-200-1000100200时间/s加速度/cms-202004006008001000隔层布置逐层布置无控工况100200300-4-60246-40-2002040-280