（工程力学专业论文）巨—子型控制结构体系脉动风振反应分析.pdf

西北1 二业大学坝j 学位论文 中文摘要 摘要 城市化进程的加快促使超高层建筑迅猛发展，来回应土地不足、人口剧增 和地价昂贵等城市发展问题。建筑高度的增加需要有新的结构形式出现来满足建 筑功能及振动控制的要求，巨一子型控制结构体系将传统的巨型框架结构体系与 t m d 质量调频控制原理相结合，在满足建筑功能要求的同时，具有良好的控制 效果。 本文在以往研究的基础上，针对巨型梁结构层的大跨度问题，提出在巨一子 型控制结构体系的子结构与上部巨型梁结构层之间设置附加柱，形成一种新的巨 一子型控制结构体系。建立了该结构体系在脉动风载作用下的动力方程，基于随 机振动的复模态理论，推导出位移响应谱和加速度响应谱及响应均方值的表达 式。以同本电气总公司大楼主体结构、目本神户t c 大厦的结构形式为参考，建 立三巨层和四巨层的数值算例。通过刚度比r k 和阻尼比r c 的变化，对脉动风载 作用下影响结构体系响应的重要因素附加柱刚度和附加阻尼器阻尼进行研究。文 中讨论了无阻尼器情况下，附加柱刚度对结构体系的影响；并选取结构体系中响 应较大的质点为代表，研究了安装阻尼器情况下，阻尼器和附加柱同时作用对结 构体系的影响；分析过程考虑结构体系的两种受力情况：主、予结构同时受风荷 载作用和主结构单独受风荷载作用。分析结果表明：设置附加柱的巨一子型控制 结构体系具有良好的控制效果，考虑主、子结构同时受风荷载作用时控制效果更 好；附加柱的设置减小了子结构的峰值响应，刚度比r k 取0 3 左右为宜；附加 阻尼器的阻尼使主结构和子结构的响应都显著降低，阻尼比r c 的理想取值为 2 4 。在数值分析的基础上本文应用模拟理论，给出了巨一予型控制结构体系 模型设计的初步方案。 设置附加柱的巨一子型控制结构体系同样具有良好的控制效果，同时解决了 巨型梁结构层的大跨度问题，更易于工程实现。 关键词：巨一子型控制结构体系 附加柱刚度 脉动风振复模态理论 阻尼比 两北工业人学坝l 学位沦文 英文摘受 a b s t r a c t e x p e d i t i n go fc i t i f i c a t i o ns p u r ss w i f t d e v e l o p i n go fs u p e rt a l lb u i l d i n g s ，w h i c hi s r e s p o n s et oi s s u e sd u r i n gc i t yd e v e l o p i n g ，s u c ha sp o p u l a t i o n ，l a n d v a l u ea n dl a c ko f l a n d n e ws t r u c t u r a lf o r m sa r er e q u i r e dt os a r i s f ys t r u c t u r a lf u n c t i o n sa n dt oc e n t r e l v i b r a t i o na sh e i g h to fb u i l d i n g si n c r e a s e d m e g a - s u bc o n t r o l l e ds t r u c t u r a ls y s t e m c o m b i n e dc o n v e n t i o n a lm e g af r a m es t r u c t u r ea n dt m dt h e o r y t h u si tc a nr e d u c e s t r u c t u r a lv i b r a t i o ne f f e c t i v e l ya n dm e e tf u n c t i o nd e m a n d ss i m u l t a n e o u s l y an e wm e g a s u bc o n t r o l l e ds t r u c t u r a ls y s t e mi s p r e s e n t si nt h i sp a p e ro nt h e b a s eo ff o r m e rr e s e a r c ht os o l v et h el o n gs p a np r o b l e mo ft h em e g ab e a m w h i c hi s a c h i e v e dt h r o u 曲s e t t i n ga d d i t i o n a lc o l u m n st h i s p a p e rd e s c r i b e st h e v i b r a t i o n e q u a t i o no ft h i ss t r u c t u r a ls y s t e m a n dd e r i v e st h eh o r i z o n t a lv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n t a n da c c e l e r a t i o nr e s p o n s es p e c t r u ma n dt h em e a ns q u a r er e s p o n s eo nt h eb a s eo ft h e c o m p l e xm o d a la n a l y t i c a lt h e o r y c o n s u l t i n gt h es t r u c t u r a lf o r mo ft h en e cb u i l d i n g a n dt cb u i l d i n gi nj a p a n e s e ，n u m e r i c a le x a m p l e sw i t ht h r e eo rf o u rm e g af l o o r sa r e d e s c r i b e d i m p a c t so fa d d i t i o n a lc o l u m n ss t i f i n e s sa n da d d i t i o n a ld a m p e r s w h i c ha r e t h ei m p o r t a n tf a c t o r st ot h es t r u c t u r a ls y s t e mu n d e rp u l s a t i n gw i n d ，a r ea n a l y z e d t h r o u g hc h a n g e so fs t i f i n e s sr a t i oa n dd a m p e rr a t i o i m p a c t so fa d d i t i o n a lc o l u m n s s t i f f n e s so nt h em e g as t r u c t u r ea n dt h es u bs t r u c t u r ew i t h o u td a n l p e ra r ed i s c u s s e d ， a n dp a r t i c l e so ft h es t r u c t u r a ls y s t e mt h a th a v es t r o n g e rr e s p o n s e sa r ea se x a m p l e st o i n v e s t i g a t ei m p a c t so fd a m p so nt h em e g a - s u bc o n t r o l l e ds t r u c t u r es y s t e m ，t h ec a s e t h a tt h em e g as t r u c t u r eu n d e r g o e sp u l s a t i n gw i n ds o l e l yi sc o n s i d e r e da sw e l la st h e c a s et h a tt h e m e g a s t r u c t u r ea n dt h es u bs t r u c t u r e u n d e r g op u l s a t i n gw i n d s i m u l t a n e o u s l y a n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e g a s u bc o n t r o l l e ds t r u c t u r a ls y s t e m w i t ha d d i t i o n a lc o l u m n sc a nr e d u c et h es t r u c t u r a lr e s p o n s e se f f e c t i v e l ya n dt h ee f f e c t w i l lb eb e t t e ri ft h em e g as t r u c t u r ea n dt h es u bs t r u c t u r eu n d e r g op u l s a t i n gw i n d s i m u l t a n e o u s l y t h ea d d i t i o n a lc o l u m n sc a nd e c r e a s et h ep e a kr e s p o n s e so ft h es u b s t r u c t u r ea n dt h ea d v i s a b l ev a l u eo fs t i f f n e s sr a t i oi s0 3 r e s p o n s e so ft h em e g a s t r u c t u r ea n dt h es u bs t r u c t u r ea r er e d u c e dw h e na d d i t i e n a ld a m p e r sa r ei n s t a l l e da n d t h ea d v i s a b l ev a l u eo ft h ed a m p e rr a t i oi s2t o4 o nt h eb a s eo fn u m e r i c a la n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nt h e o r yt h ep r i m a r yd e s i g np r o j e c to ft h em e g a s u bc o n t r o l l e ds t r u c t u r a l s y s t e mm o d a li sd e s c r i b e di nt h i sp a d o r t h em e g a - s u bc o n t r o l l e ds t r u c t u r a ls y s t e mw i t ha d d i t i o n a lc o l u m n si sg o o df o r v i b r a t i o nc o n t r o la n dt h el o n g s p a np r o b l e m o ft h em e g ab e a mi ss o l v e d s i m u l t a n e o u s l y i t se a s i e rt or e a l i z ei ne n g i n e e r k e yw o r d s ：m e g a s u bc o n t r o l l e ds t r u c t u r a ls y s t e m c o m p l e xm o d a la n a l y t i c a lt h e o r y d a m p e rr a t i o v i b r a t i o nb yp u l s a t i n gw i n d a d d i t i o n a ic o l u m n ss t i f i n e s s 西北t 业大学坝 ：学位论文第一辛绪论 第一章绪论 1 1 引言 当今，诸多问题已危及人类社会的可持续发展。对人类居住问题而者，人口 的与日剧增与不可再生的土地资源的日益短缺已成为尖锐的矛盾，而且这一矛盾 正随着社会的发展呈现激化的趋势。对这一矛盾，在城市区域，发达国家和地区 主要通过两种途径加以解决：一是外延扩张城市边界，保持居住区人口低密度， 建筑高密度，如荷兰：另一种是保持城市布局的紧凑性，居住人口高密度，建筑 低密度，如同本、新加坡和香港。前者将形成低层高密度的居住形态，而后者则 形成高层低密度的居住形态。我国是世界上人口最多的国家，改革丌放以来， 我国城市化进程逐步加快，城市人口的不断增加使城市的居住问题只渐严峻，高 层建筑发展迅猛。1 9 8 6 年以后，超高层建筑迅速增长1 9 9 0 年在9 个城市建成 2 9 栋超高层建筑。到1 9 9 4 年末，掘不完全统计全圈已建成高度在1 0 0 m 以上的 建筑1 5 2 栋。我国超高层建筑的发展可以看作是对土地不足、人口剧增和地价昂 贵的自然回应。 随着高层建筑高度的增加和轻质高强的新型材料的应用，建筑结构越来越 柔，风荷载对结构的作用越来越显著，成为高层及超高层建筑的关键荷载之。 结构设计在满足强度、变形要求的同时，应采取有效措施对风致振动加以控制， 满足人体舒适度的要求。目前振动控制的方法主要有被动控制、主动控制、半主 动控制和混合控制。被动控制方法不需要外加能源，易于实现因此被。泛采用。 t m d ( t u n e dm a s sd a m p e r ) 调频质量阻尼器就是一种常用的被动控制机构许 多建筑应用了t m d 控制系统并取得了较好的控制效果。但是，当其应用于超高 层建筑时需要的附加质量块很重，在这种情况下结构受到巨大的冲击力，必然加 重结构的安全性问题，因此很难将传统的t m d 控制机构应用于超高层建筑。 为了更好的解决超高层建筑的风振控制问题，本文研究了一种新型的结构体 系，巨一子型控制结构体系，使t m d 调频质量减振控制理论与传统的巨型框架 结构完美结合，通过自身结构特性进行调频质量减振控制，达到更好的振动控制 效果；并在以往研究的结果上提出了一种改进方案，解决巨型梁的大跨度问题， 同时针对孩结构体系中附加柱刚度以及附加阻尼器阻尼对结构体系的影n 向进行 了研究。 第l 页 第掌绪论 1 2 巨一子型控制结构体系 1 2 1 巨型框架结构 巨型结构”1 的概念产生于2 0 世纪6 0 年代术，由梁式转换层结构发展而成。 巨型结构体系又称为超级结构体系，是由巨型构件组成简单而巨型的桁架或框架 等结构，作为高层建筑的主体结构，与其他结构构件组成的次结构共同= 【作的一 种结构体系。巨型框架结构体系是适应高层建筑发展的一种新型结构体系，它是 由主框架和次框架组成( 图l 一1 ) 。主框架是一种大型的跨层框架，对钢筋混凝 土巨型框架每隔3 5 层设置一巨型框架梁，对钢结构巨型框架每隔1 0 1 2 层设 鼍一巨型框架梁，每隔若干个开间设霞一巨型框架柱。主结构巨型梁之闯的楼层 另设柱网尺寸较小的次结构。主结构承担水平荷载和由次结构传柬的竖向荷载， 次结构只承担本身楼层的竖向荷载并将部分荷载传递给主结构，其水平荷载通过 各楼层楼盖直接传递到主结构。当超高层建筑采用巨型框架结构体系时，由于受 钢筋混凝土高层建筑结构适用高度的影响，多选用钢结构。对于采用钢结构的巨 型框架结构体系般有以下三种类型“： ( 1 ) 桁架型( 图1 一l ( a ) ) 。巨型框架的梁是由四榀桁架固成的空间桁架； 巨型框架的桩是出四片支撑围成的空间支撑； ( 2 ) 斜格型( 图1 1 ( b ) ) 。巨型框架的梁和柱，是由四片斜形格构式多 重腹杆架围成的空间构件； ( 3 ) 框筒型( 图t 一1 ( c ) ) 。巨型框架的柱是由一个小框简构成，梁则是 出四榀桁架围成的空间桁架构成。 支撑柱 桁架桑 次框架 中g 堇 斜播柱 刳椿桑 a 桁架型 b 斜格型 c 框筒刑 图i 一1 巨型钢框架结构体系 第2 贞 桁架粱 次框架 框筒柱 西北丁业人学f i ! i | 卜学位论义 第一市绪论 巨型框架结构体系具有以下优点： ( 1 ) 传力明确 巨型结构通常为主要抗侧力体系，次框架只超辅助作用，并将竖向荷载传给 主框架，主次框架组成一种超常规的具有巨大抗侧力刚度及整体工作性能的大型 结构。 ( 2 ) 功能适用性强 现代高层建筑建筑功能不再单一化，结构空阳_ j 的布置更加灵活，通常下部需 要大空间，上部需要小空间。对于传统的结构形式就需要设置转换层，而巨型框 架本身的巨型梁能够起到转换层的作用，便于结构的灵活筛置，使巨型框架结构 体系能够适应多种建筑功能需求。 ( 3 ) 可以充分发挥各种材料的性能 由于巨型框架结构体系是由主框架和次框架共同工作组成的，主框架和次框 架可以采用不同的材料，且可以有不同的变化和组合。例如主框架可以采用高强 材料，次框架采用普通材料；主框架采用框架形式，次框架采用悬挂结构等。 ( 4 ) 施工迅速 巨型框架结构体系可以先建造主框架，然后各个次框架同时施工，可以加快 施工进度，从而获得更好的经济效益。 ( 5 ) 节约材料，降低造价 巨型框架结构体系中，虽然主框架的截面尺寸大，材料用量也大，但次框架 由于只承受自身的竖向荷载，截面尺寸比一般高层建筑小得多，所以总体上来晚， 可节约材料，降低造价。例如香港的中国银行大厦采用巨型桁架体系，节省钢材 5 0 ，经济效益相当可观。 巨型框架结构体系的上述优点使其在超高层建筑中备受欢迎，国内外现已有 一些工程应用实例，如：f i 本神户t c 大厦，深圳亚洲大酒店，新华大厦等都是 巨型框架结构的典型代表，目前国外提出筹建高度8 0 0 m 4 0 0 0 m ，层数在2 0 0 层 1 0 0 0 层的所谓超高层建筑的设想，如动力智能大厦d i b 一2 0 0 ( 8 0 0 m ，同本) 等。， 都采用了巨型框架结构体系，可以看出。巨型框架结构体系具有广阔的应用前景。 1 2 2 结构振动控制方法 结构振动控制是近十几年发展起来的结构动力学的新分支，它是探讨如何利 第3 页 第一孝绪论 用发置在结构上的一些控制装置或机构，在结构振动时主动或被动地施加一组控 制力，以减小结构振动反应的一门学科。3 。目前由于建筑物( 构筑物) 的高度n 益增 高，所用材料趋向轻质高强，这就侵结构柔度增加、阻尼下降，对风力及地震作用 更为敏感。采用振动控制的方法来抑制结构的风振及地震反应，可以取得低花费、 高效益的方法，满足结构设计中强度、刚度和稳定性的要求，以及限制结构振动 加速度、提高舒适度的要求。结构振动控制主要分为被动控制( p a s s i v ec o n t r 0 1 ) 、 主动控制( a c t i v ec o n t r 0 1 ) 、半主动控制( s e m i a c t i v ec o n t r 0 1 ) 及混合控制( h y b r i d c o n t r 0 1 ) 。 被动控制不需要外部提供能量，它依靠结构与控制系统内部改变结构的动力 特性得以控制，为振动控制的经典方法。具体地，被动控制是通过改变结构的j f ；i 尼c 、刚度k 和质量m ，采用隔振、吸振和耗能等技术来减小结构吸收的能量， 达到减振的目的。 主动控制是基于某种控制算法由采集的输入或( 和) 输出信息来确定控制力， 并由驱动器借助外界能源将控制力施加于结构上以达到减振的目的。主动控制主 要特点是需要外部能源，控制效果理论上可以根据人们的需要达到最佳的控制水 平，但是技术复杂、造价高、可靠性差。 半主动控制就是不需要外部能源直接提供较大的控制力，而由输入或反应信 息来切换控制系统的工作状态，以调整改变结构体系的阻尼和刚度从而达到减振 的日的。其特点是兼有主动控制和被动控制的特点，与主动控制相比，不需要较 大的控制力，但控制效果差一些：与被动控制相比装置复杂、造价高、可靠性低， 但控制效果要好一些。 结构混合控制就是在同一个结构上同时应用两种或两种以上的控制系统。理 论上可以将主动控制与被动控制之间、或主动控制之间、或被动控制之间任意两 个或多个控制方法进行优化组合可构成多种混合控制，这样给结构振动控制的研 究与应用拓宽了更大的空间。 在以上几种方法中，被动控制由于不需要外界能量输入，抗振性能好，结构 简单，造价低廉，施工方便，易于修复和更换，易于被工程师们所接受，所以发 展较快，在实际工程中得到了广泛应用。结构被动调频控制体系，是一种常用的 被动控制方法，它由主结构和附加在主结构上的子结构组成。附加的子结构具有 第4 页 两北工业人学颈i ：学位论文第一幸绪论 质量、刚度和阻尼，因而可以调整子结构的自振频率，使其尽景接近主结构的基 本频率或激振频率。这样当主结构受激励而振动叫，子结构就会产生一个与结构 振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的振动反应衰减并受到控制。 子结构的质量可以是固体质量，也可以是液体质量。可以支承在结构物上，也可 以悬吊在结构物上。由于结构被动调谐减振控制技术具有很多优越性，因而已被 成功应用于工程结构在地震、风、海浪、机械振动、环境振动等冲击或干扰下的 减振控制。其中，t m d ( t u n e dm a s sd a m p e r ) 吸能减振技术被广泛应用于高层 结构及大跨度桥梁的风振控制中。美国芝加哥的h a n c o c k 大厦上安装上两台 t m d 装置，有效处理了风振作用下结构过大变形造成大规模幕墙脱落的工程事 故：澳大利亚悉尼电视踏上安装有两台t m d 装置，分别控制结构的第二和第四 振型的振动，满足了塔上人员的舒适性。 t m d 系统是一个由弹簧、阻尼器和质 量块组成的振动系统，一般支撑或悬吊在楼层 间( 或屋面上) 。当结构在风荷载作用下产生 水平风振反应时带动t m d 系统振动，而t m d 系统产生惯性力反馈回来作用于结构本身，从 而产生制振效果。t m d 控制系统如图( 1 2 ) 所示。t m d 是在无阻尼动力吸振器的基础上 发展起来的，增加阻尼后，使吸振器的频带加图l 一2t m d 控制系统示意图 宽，克服了无阻尼动力吸振器只能用于激振频率很窄的结构减振的缺点。t m d 装置最大的部件为惯性质量，它一般量级为百吨。惯性质量在主结构上的支撑方 式是t m d 装置的一个关键技术。它须保证惯性质量与主结构振型谐振中有确定 的自振周期和阻尼。弹簧系统在t m d 装置中用束传递和分配装置与主结构问的 振动能量，并调整t m d 系统的自振周期它是装置的一个重要部件。一般装置 的弹簧系统可以采用材料弹簧和装置弹簧两种。t m d 装置的阻尼系统是装置的 耗能元件a 装置的惯性质量依靠阻尼消耗能量衰减振动，达到吸振消能目的。装 置的阻尼比根据设计的最优值来确定。实际上阻尼装置在安装之前很难实现阻尼 比的设定值，而是需要在系统安装调试中调定阻尼值，并需要在应用中经常标定 装置的阻尼比。因此难以用材料阻尼来实现t m d 装置的阻尼系统。t m d 系统 第5 负 第一审绪论 要求依靠装置来实现系统阻尼的可调性。 t m d 控制系统对建筑功能的影响较小，仅占用极少的建筑面积，便于安装、 维修及更换，控制效果好。这些优点使调频质量阻尼器目前在 ：程中得到广泛的 应用。但是，随着建筑体型的巨型化，高度的不断l 曾d h ，需要更加庞大的t m d 控制系统，t m d 控制系统的这些优势逐渐减弱，并随之产生各科- 结构问题，园 此需要一种新的质量凋频控制体系解决巨型超高层建筑的风振控制问题。 1 - 2 3 巨一子型控制结构体系 对于高度适当的建筑，采用被动控制、主动控制、半主动控制或混合控制装 置可以改善结构安全性、非结构单元的响应和舒适度等。例如，许多建筑应用了 调频质量阻尼器并取得了较好的控制效果。但是，超高层建筑需要的质量块更重， 在这神情况下结构受到很大的冲击力，必然加重结构的安全性问题，因此很难将 传统的调频质量阻尼器应用于超高层建筑。另一种振动控制方法就是添加阻尼装 置，但是超高层建筑的结构特性，如剪切刚度大、以弯曲变形为主等，致使传统 的阻尼装置无法应用。 i 孽蓐篆 i 匪目卜l 匾尊黧 囿画 图l 一3 一般巨型框架结构图l 一4 巨一子型控制结构体系 m q f e n g 和a m i t a ”“”1 于1 9 9 5 年提出巨一子型控制结构的想法，利用结 构自身进行质量调频控制。巨子型控制结构体系。就是基于陔想法并结合控制 理论而提出的一种新型的结构形式。该结构体系将一般巨型框架结构( 图1 3 ) 中的某些次框架设计为具有质量调频功能的灵活的子结构，从而形成一种新的具 有很大控制能量的新控制结构体系巨一子型控制结构体系( m e g a s u bc o n t r o l l e d s t r u c t u r a ls y s t e m ) 如( 图l 一4 ) 所示。巨一子型控制结构体系是一种新型的具有 自控功能的结构体系，它除了具有普通巨型框架结构体系的优点之外，还具有以 第6 负 西北 二业人学坝。 j 学位论文 旃一章绪论 f 优点： ( 1 ) 减振效果明显、安全可靠。在结构体系中，作为吸能器的子结构与主 结构的质量比可以达到1 0 0 以上，远远大于传统建筑结构t m d 系统1 5 。! 左右的质量比，减振效果更好：同时次框架自有的多个振型能够在更宽的频带内 吸收能量；不需要附加质量块，消除了由附加质量块带来的安全性问题。 ( 2 ) 施工时主结构和子结构可同时进行，加快了施工速度；由于主要依靠 结构自身实施振动控制，所需的附加控制装置少，施工简便，降低了工程造价。 ( 5 ) 拓展建筑设计空间、适用范围广。巨一予型控制结构体系由于继承了 巨型框架结构的自身优势，同时具备自我调节的能力，使得建筑师能够较为自由 灵活的进行建筑设计，满足建筑多功能的需要，县有较高的社会效益。巨一子型 控制结构体系对于抗风和抗震都是有效的：不仅适用于钢筋混凝土结构，也同样 适用于钢结构。 a 来设置附加剪弯杆 图1 5 框架弯矩示意图 b 设置附加剪弯杆 a 无阻尼器 图l 一6 改进的巨 b 有阻尼器 子型控制结构体系 巨一子型控制结构体系中巨型梁及巨型梁结构层的跨度般都很大，其上作 用质量巨大的子结构，在外部荷载，尤其是竖向地震荷载作用下加大了结构的安 第7 页 两北t 业人学坝 j 学位论文 第一章绪论 全隐患。有学者“。”提出在框架结构中的框架粱之间设旨附加剪弯卡t ( 图1 5 ) 可有效地解决框架粱的大跨度问题，同时减小梁柱内的弯矩。本文为了解决巨型 梁及巨型梁结构层的的大跨度问题，在子结构顶部和巨型梁结构层之问设置附加 柱( 图卜6 ) ，形成了一种薪的巨一子型控制结构体系。 1 3 臣一子型控制结构体系的风振控制 l3 1 必要性 据不完全统计，各种自然灾害每年给人类带来的经济损失大约在i 0 0 0 1 2 0 0 亿美元，其中风灾造成的损失占到近一半，同时每年还造成近二力人的死亡。我 国民政部门统计，2 0 0 5 年我国风灾、洪灾、地震、雪灾四大主要灾害共造成6 6 6 人死亡，直接经济损失6 5 1 6 3 亿元；其中在我国登陆的“达维”、“龙王”、“卡 努”和“泰利”四次台风就造成2 3 0 人死亡，经济损失达4 1 5 3 8 亿元。由于撤 灾发生频繁，持续时问长，产生的灾害大，通常认为风灾是自然灾害中影响最大的 种”1 。风灾损失的主要部分为工程结构的损坏倒塌及由此引起的人员伤亡和财 产损失，因此加强工程结构的抗风性能尤为重要。对于建筑物来讲，特别是高层 建筑、高耸结构和大跨度结构，尽管风的作用没有地震那么强烈，但由于l 的作 用极为频繁，实际上因风对建筑物产生的灾害比地震灾害大得多。巨一子型控制 结构体系属于超高层建筑形式，因此结构的抗风设计、防灾减灾分析就更为必要。 对于处在风场中的建筑物，承受由风引起的静力荷载和动力荷载。这些荷载 对建筑物产生的破坏现象主要有：( 1 ) 使建筑物产生抖振和颤振，从而倒塌或严 重破坏。( 2 ) 使结构开裂或留下较大的残余变形，有些离耸结构还会被风吹倒。 ( 3 ) 使结构物或结构构件产生过大的挠度或变形引起外墙、外装修材料的损坏。 ( 4 ) 由反复的风振作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏。( 5 ) 气动弹性的不稳 定t 致使结构物在风运动中产生加剧的气动力。( 6 ) 出于过大的动态运动，使建 筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。风的卓越周期为2 0 6 0 s ，巨一子型控 制结构体系的自振周期在l 2 0 s 之问，风振响应非常显著，因此巨子型控制结 构体系的风振研究是非常必要的。 1 3 2 抗风设计要求 根据风对建筑物的破坏来分析，抗风设计要求主要涉及以下几个方面w ： 第8 砸 两北1 。业人学坝i 学位论义 第一常绪论 ( 1 ) 结构抗风设计必须满足强度设计要求，也就是说结构构件在风荷载和 其它稿载共同作用- f 内力必须满足强度设计的要求。 ( 2 ) 结构抗风设计必须满足刚度设计要求，也就是说要使结构的位移或者 相对位移满足有关的规范要求，以防止建筑物在风力的作用下引起隔墙的开裂、 建筑装饰和非结构构件因位移过大而损坏。高层建筑的强度和刚度都可由结构顶 部水平位移或结构层帕j 相对水平位移来控制。 ( 3 ) 结构抗风设计必须满足舒适度设计要求，以防止居住者和工作人员在 风力作用下引起的摆动造成的不适，这一条是高层建筑结构设计的特殊准则。大 量研究表明在考虑人对振动的反应时，加速度是起决定作用的参数，因此将结构 振动的加速度作为舒适度的控制目标，表( 卜1 ) 是人的忍受力划分等级。 人的忍受力划分等级表l i 等绂加速度( m s 2 )影响 1 o 8 5 物体开始落下，人受到伤害 按现行国家标准建筑结构荷载规范( g b s 0 0 0 9 2 0 0 1 ) 规定的1 0 年一遇的 风荷载取值计算或专门风洞试验确定的结构顶点最大加速度a 。，不应超过表 ( 4 - 2 ) 的限值。 结构顶点最大加速度限值a 帅。表4 - 2 使用功能 a n l “( m s 2 ) 使用功能 a m “( m 一) 住宅、公寓 o 1 5 办公、旅馆 o 2 5 第9 页 两北t 业大学倾 j 学位论立强一章绪论 1 4 研究背景 1 9 9 5 年5 月在荷兰阿姆斯特丹召开了第五届国际高层建筑会议，会上发布了 当时1 0 0 幢2 0 0 m 以上的超高层建筑概况表，根据此概况表进行统计可知下列发展 情况。3 ： ( 1 ) 超高层建筑的数量在增加 2 0 0 m 以上的超高层建筑自上世纪3 0 年代至今，除4 0 年代因受第二次世界大战 的影响外，随后的年代均在持续增加，尤其是7 0 年代后更显著。 ( 2 ) 较多的是2 0 0 3 0 0 m 的超高层建筑 当今世界上有6 幢4 0 0 m 以上的超高层建筑，其中3 幢建于上世纪7 ( ) 年代，另3 幢建于9 0 年代。1 0 0 幢超高层建筑中有2 0 幢的高度为3 0 0 4 5 0 m ，8 0 幢为2 0 0 3 0 0 m 高的建筑，这表明后者的建筑高度适用性得到丌发商的关注。 ( 3 ) 超高层建筑的用途在拓宽 上世纪8 0 年代以前的超高层建筑大部分用作办公建筑，但在9 0 年代较多地增 加了多功能建筑和旅馆建筑的比例，拓宽了建筑用途，相应的结构利料和结构体 系的选择也需适应其要求。 ( 4 ) 结构材料在多样化 在上世纪7 0 年代以前和7 0 年代建造的超高层建筑绝大部分采用钢结构，在8 0 年代增加了钢一混凝土结构的比例，9 0 年代在非地震区增加了钢筋混凝土结构的 比例。如上所述，这些结构材料的变化除受建筑用途影日向外，还由于经济原因和 防火要求，使后两种结构材料的应用比例有所增加。对于地震区超高层建筑则仍 以钢结构为主，少量的采用钢一混凝土结构。 在2 0 0 0 2 0 0 3 年期间，由于钢材品种继续开发，我国全钢结构的超高层建筑 得到了进一步发展，如高度为1 9 0 m 的北京摩根中心、高度为2 5 0 m 的北京银泰中心、 高度为2 0 0 m 的北京电视中心、高度为2 6 0 m 的天津国际贸易中心等证在建造中。台 = l 1 0 1 层的台北金融中心在2 0 0 3 年竣工。 超高层建筑数量的增加，建筑功能的多样化，要求有新的结构体系与之相适 应，并能有效地对结构体系的振动加以控制。 近年来，国内外许多学者志力于利用子结构进行质量凋频控制的研究，选取 的结构形式多以巨型框架结构为基础，大体上分为两种模式“。1 ：悬挂式和坐承式。 西3 k t l k 人学坝1 1 学位论殳 箱一雉绪论 采用悬挂结构的目的是创造大空间和减振，1 9 3 8 年w 儿lj a m s 提出了用悬挂原理 建筑超高层的想法，本世纪5 0 年代后期，悬挂建筑结构丌始进入实用阶段，一 些悬挂建筑相继建成，如乌拉圭蒙得维亚的e ip i l a r 公寓建筑，南非约翰内斯 堡标准银行大楼，以及香港汇丰银行都是采用悬挂结构的典型实例。将悬挂原理 与巨型框架结构相结合，应用子结构质量调频控制的方法，就形成了巨型框架悬 挂体系。巨型框架悬挂体系是采用吊杆将次框架各楼层楼盖分段悬挂在主结构 上，由于悬挂部分抗侧移刚度小，自振周期长，起到很好的减振效果。 坐承式是将次框架坐于巨梁之上，采用各种措施使次框架与主框架分离，成 为具有调频控制作用的次结构。m ，q f e n g 和a m i t a 予1 9 9 5 年提出巨一子型控 制结构的想法以及东南大学的蓝宗建提出钢筋混凝土巨型框架多功能减振结构 体系就属于坐承式结构。钢筋混凝土巨型框架多功能减振结构体系是在主框架与 次框架之白j 设置减振耗能装置( 橡胶垫或滑移支座) 或同时在主框架与次框架交 接处设罱附加柱和减振耗能装置，将庞大的巨型框架结构分解为主框架和多个较 小的次框架，从而形成具有调频质量减振、基础隔振、阻尼耗能减振等多种功能 的减扳结构体系。 以往的研究结果表明，利用子结构进行振动控制，不论是悬挂式还是坐承式， 都取得了很好的控制效果，为超高层建筑的振动控制提供了更广泛的研究前景。 1 5 论文主要工作 以往的研究表明巨子型控制结构体系能够有效地减小非平稳地震作用下 结构的位移响应和加速度响应。“，浚结构体系在脉动风载作用下的主动控制研究 也取得了很好的控制效果。但是最初的巨一子型控制结构体系中巨型梁及巨型 粱结构层的跨度般都很大，其上作用质量巨大的子结构，在外部荷载，尤其是 竖向地震荷载作用f 3 n 大了结构的安全隐患。为了解决巨型梁及巨型梁结构层的 的大跨度问题，本文提出在子结构顶部和巨型梁结构层之问设置附加柱，形成了 一种新的巨一子型控制结构体系。以往对巨一予型控制结构体系的研究，仅考虑 主结构承受i x l 荷载的情形。由于巨一子型控制结构体系中予结构与主结构分离， 与传统的巨型框架结构体系不同，因此对结构体系进行动力特性分析时，应考虑 主结构和子结构同时受风荷载作用的情况。本文进行计算分析时考虑了主、子结 构同时受风荷载作用和主结构单独受风荷载作用两种受力情况，并进行了对比分 两北t 业人学砸卜学位论史 第一葶绪硷 析。通过系数r k 和r c 变化，研究附加柱刚度和附加阻尼器阻尼对结构动力特性 的影响，并在分析的基础上选取工程中的合理取值。同时，本文在三巨层数值算 例的基础上，以四巨层算例对巨一子型控制结构体系的适用性进行了研究。 具体章节的安排如下： 第一章介绍论文的意义、研究背景，并对相关的振动理论和巨型框架结构 体系进行介绍：同时提出本文的研究对象，巨一予型控制结构体系及其改进形式。 第二章介绍风荷载的基本特性及测试模拟技术，着重叙述脉动风荷载的概 率特性，推导脉动风荷载的互功率谱密度。 第三章介绍随机振动理论，阐述复模态分析理论及频域分析方法；建立巨 子型控制结构体系风振的动力方程，并利用复模态分析方法求解结构体系的位 移响应及加速度响应的均方值。 第四章参考工程实例建立三巨层的数值算例，研究无附加阻尼器情况下附 加柱刚度对结构体系的影响，并与一般巨型框架结构体系进行对比：同时应用 m a t l a b 中的s i m u l i n k 进行仿真模拟，在时域中分析附加柱刚度对结构体系的影 响；进而研究设置附加阻尼器情况下，附加柱刚度及附加阻尼器阻尼对结构体系 的影响。为了证明理论的适用性，又建立了四巨层的数值算例进行研究。 第五章介绍模拟理论及巨子型控制结构体系模型设计的进展。 第六章对本文的研究工作进行总结，并对巨一子型控制结构体系的研究进 行展望。 第1 2 负 两北t 业人学砸l 。学位论文第二章风荷载拱率理论 第二章风荷载基本理论 风是地球表面的空气运动。由于在地球表面不同地区的大气层所吸收的太阳 能量不同，造成了同一海拔高度处的大气压不同，空气从气压高的地方向气压低 的地方流动。于是就形成了风。不管是什么类型的风，作用在建筑的都是靠近地 面流动的部分，称为近地胍。由于近地风靠近地面，流经地区的地形和地貌不同， 又加上风本身的变化，从而使得在不同的时间和空间，风速和风向是不同的，因 此近地胍具有明显的紊乱性和随机性。经过大量的的实验和记录分析，根据近地 风对建筑物的作用，可将近地风分解为两部分，平均风和脉动风。平均风作用在 结构上的变化周期比结构自振周期大得多，对结构的作用可视为静力。结构的风 振主要是由风中的动力部分脉动风引起的，要进行结构的风振反应分析，首先要 了解脉动风的特性及分析方法。 2 1 风特性及风荷载 风速观测记录表明瞬时风速包含两种成分：周期在1 0 分钟以上的平均风和 周期在几秒钟的脉动风。由于受地表阻力等因素影响，风向与水平面有一夹角f 一 般在：t ：1 0 。范围内) 。表征风特性的参数有：平均风速割面、紊流风速剖面、脉动 风速谱、湍流积分强度等。边届层中运动的空气可视为低速、不可压缩流体，可 根据b e r n o u l l i 方程由风速确定风压。实际工程中，平均风通常被视为大小和方 向不随时问改变的恒量：脉动风速随时间不规则变化，可视为随机变量。 风荷载是由于工程结构阻塞大气边界层气流的运动而引起的，总体上可分 为：在建筑物的迎风面产生的压力( 气体流动产生的阻力) 。包括静压力和动压 力；在横风向产生的干扰力( 气体流动产生的升力) ：空气流经建筑物后产生的 涡流干扰力( 包括背风向的吸力) 。这些风荷载作用在建筑物上并不是均匀的， 也不是定常的，它随着风的速度、风的方向、风本身的结构及作用的建筑物的体 型、面积、高度、作用的位置和时间不停地变化，同时建筑物在风荷载作用下产 生的运动反过来又会影响风场的分布状况，这种相互作用使风荷载更加复杂。风 荷载一般具有以下特点：1 ) 风荷载与空间位置及时间有关，受地形、地貌、周 围建筑环境等因素影响；2 ) 风荷载与结构的几何外形相关，结构不同部位对风 敏感程度不同：3 ) 对显著非线性特征的结构，可能产生流固耦台效应；4 ) 结构 尺i 呵能在多个方向比较接近时，风荷载需要考虑空州相关性。工程设计计算中， 胍荷载一般以风压米表示。 第1 3 页 第一章风恂戡早奉螋论 2 2 风荷载测试技术 实验数据是理论分析的重要基础和结构设计的参考依据。风洞试验、现场实 测是风荷载的两种主要测试手段。 2 2 1 风洞试验 风洞试验是开展风振研究与抗风设计的重要基础。风与结构相互作用十分复 杂，在理论上还不能建立完善的数学模型来描述实际风工程问题；在现行的建筑 结构荷载规范种没有明确直观的方法确定一些复杂结构的风荷载。风振实验数据 是研究风振机理、建立复杂计算模型、验证计算方法的依据。 风洞试验的理论基础是相似准则。在模型与实物几何外形相似的基础上，若 风洞模拟试验的对数衰减数、弹性数、密度比数、重力数与实际情形相同，则满 足一定长度缩尺比、速度缩尺比、密度缩尺比条件下的试验模型的响应与实际结 构的响应相同或成比例。在常规试验条件下，风洞中还不能完全复现真实条件下 气流的运动状态。因此，根据不同的试验目的，对 二述参数近似、取舍，采用气 动弹性模型或刚性模型。前者直接测量动态风荷载和结构响应：后者借助高频动 念天平测量风荷载，再根据结构固有特性，计算结构动态特性。当测定结构物的 风速与风压分布时，般采用刚性模型。风洞中的尖塔、挡板、栅格、粗糙元、 湍流度调节器、紊流主动发生器等若干装置组合，可以比较精确的模拟自然风的 紊流特性。目前，超声风速仪、热线扫描仪、机械扫描阀测压系统、电子扫描阀 测压系统、位移传感器等是风洞模拟试验数据的主要采集设备。d a v e n p o r t 抖振 理论、s c a n l a n 颤振理论等，都是基于系列风洞试验成果而得以形成与发展的。 风洞试验有显著的优点：试验条件、试验过程可以人为的控制、改变和重复： 在实验室范围内测试方便并且数据准确。但风洞试验也有其缺点，如风洞本身造 价昂贵、动力消耗巨大；从模型制作到试验完成的周期较长；试验是钳对特定的 工程结构进行，结构模型利用率底；风洞洞臂干扰、支架干执等。 2 2 2 现场实测 现场实测是指观测实际建筑物表面的风压分布测量结构各个部分的位移、 变形等。通过现场实测，可获得详细全面、可信度较高的数据资料，加深对结构 抗风性能的认识，优化设计阶段所采用的试验模型或分析模型，为制定建筑荷载 丽北t 业人学顺i 学他论文第二章风特载牲奉理论 规范提供依据。此外，现场实测能够及时发现问题，以便采耿相应的处理措施。 文献中各种风速谱都是基于大量的观测资料，如d a v e n p o r t 谱是在不 司地点、不 同条件下测得9 0 多次强m 记录基础上归纳出来的，大多数国家建筑荷载规范都 采用此水平风速谱。美囤曾在纽约帝国大厦上开展了风压实测工作。张相庭教授 基于对上海老电视塔近半年的现场实测数据，建立了风能耗散原理。德国p e i l 教授和n o e l l