高耸结构风振响应和振动控制的数值模拟

高耸结构风振响应和振动控制的数值模拟

摘要：由于高耸结构高度大，刚性柔，阻尼小等特点，使得风荷载成为其控制荷载。为了满足高耸结构的观光，通信和电力传输等需要，有必要对结构的风致振动进行控制。以某电视塔为例，建立其三维有限元几何模型，并计算其动力特性。基于谐波叠加法模拟的脉动风速时程样本，在时域内计算了结构顺风向的动力响应。根据结构自身特点布置了多个调频质量阻尼器(MTMD)控制装置并进行了参数优化，同时计算了考虑结构在MTMD控制下的动力响应，最后对控制效果进行评估。数值计算表明，采用MTMD装置可有效降低结构的动力响应。

关键词：高耸结构；风振响应；振动控制；数值模拟

中图分类号：文献标识码：

The Numerical Simulation of Wind-induced Vibration and The Vibration Control of

The High-rise Structure

Abstract:Because high-rise structures are commonly high and comparatively flexible with low damping,wind load is the dominant load on these structures.In order to satisfy the requirements of sightseeing, communications and power transmission,it is necessary to control the wind-induced vibration. Three-dimensional finite element model of a TV tower is established and its dynamic characteristic is calculated.Dynamic response is then computed in the time domain based on the simulated wind load time series by the harmonic superposition method.A layout of multiple tuned mass dampers(MTMD) is designed according to the feature of the structure and a parameter optimization of MTMD is performed. Then wind-induced response of the structure is studied under the control of MTMD and the control efficiency is evaluated. The results show that the response of structure is decreased under the control of MTMD.

Keywords:High-rise structure; Wind-induced response; Vibration control; Numerical Simulation

高耸结构是一种特殊的结构形式，具有高度高，刚度柔，阻尼小，外形细长等特点，广泛应用于广播电视、电力和通信等领域。高耸结构细长的特征决定了其在风荷载作用下易产生较大的振动，因而对风荷载的作用比较敏感，因此对高耸结构而言，风荷载是其控制荷载。通常结构的风振响应可以从频域和时域两方面来分析，虽然频域法在工程中应用广泛，但它不能给出结构的瞬态反应，也不能分析非线性结构；相比于频域法，时域法能进行较精确的非线性分析，结构的响应时程可以直接求出[1]。因此为获取高耸结构的非线性风振响应，需要在准确模拟风荷载的基础上，采用时域法进行结构的响应分析。另一方面，随着高耸结构形式的增多，高度的增加，结构柔度变大，结构的顶部位移和加速度相应增加。而有些电视塔还具有观光和通讯的功能，所以为了使游客具有一定舒适感和控制顶部天线段的位移值保证正常发射信号，必须控制结构在风荷载下的振动和变形。因此，一些研究者提出了对结构进行振动控制[2]的概念，其原理可概括为：在不单纯增强结构自生刚度的条件下，利用控制装置被动或主动地对结构施加一组控制力，从而减缓结构在强风作用下的振动变形。实践证明它能有效控制结构的振动，同时控制装置的费用要远比单方面增加建筑材料要少，是非常经济的。高耸结构多采用被动耗能减振装置，最常用的是调频质量阻尼器（TMD），目前应用较多的是能够在较宽的频带里控制结构的响应的MTMD[3-5]控制系统，因此如何优化MTMD控制系统的参数是研究的主要问题。

本文以某电视塔为例，利用ANSYS14.0通用有限元软件建立了三维有限元几何模型，计算其动力特性。采用谐波叠加法模拟了脉动风速的时程样本，在时域内计算了结构的顺风向的动力响应。根据风振响应的模拟结果，在结构上加入TMD阻尼器，考虑TMD在MDOF结构中的位置和结构振型的特征，在时域内进行结构风振响应分析，并对控制效果进行评估。

1风荷载模拟

1.1模拟方法

一般情况下风荷载可分解为平均风和脉动风。平均风V由于数值固定，可直接通过风剖面参数由式（1）获取。

1010

z

V V

α

??

= ?

??

（1）

式中

10

V为10m高度处的平均风速，z为该点高度，

α为平均风剖面指数。而脉动风()

v t则可借助经验公

式给出的各种功率谱函数通过数值方法进行模拟。国内外已提出了许多对脉动风场随机过程的数值模拟方法，主要有以下两类[1]：一类是基于一系列三角函数加权叠加的谐波叠加法 (WAWS 法) ，另一类是采用自回归模型的线性滤波器法 (AR 法)。谐波叠加法的基本思想是采用以离散谱逼近目标随机过程的模型的一种离散化数值模拟方法。随机信号可以通过离散傅立叶分析变换，分解为一系列具有不同频率和幅值的正弦或其他谐波，谱密度就等于由带宽划分的这些谐波幅值的平方。谐波叠加法的优点为算法简单直观、理论基础严密、数学意义明确、适用范围广、模拟精度较高。线性滤波法模拟的基本思想是：将随机过程抽象为满足一定条件的白噪声，然后经某一假定系统进行适当变换而拟合出该过程的时域模型，AR 法精度相对要差，算法相对较复杂，但运算量小，计算速度快。本文用谐波叠加法来模拟脉动风速，具体公式参见文献[5]。得出脉动风速时程序列后，经风压计算公式将风速时程转换为风载时程。 1.2计算结果

结合快速傅里叶变换的谐波叠加法，利用MATLAB 程序语言编写了模拟多个互相关脉动风速曲线的程序。其中基本风压按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012选用，则上海地区基本风压ω0=0.55kN/m 2，地貌类别取B 类；风速谱选用沿高度不变的达文波特谱。风速模拟时，频率取值范围0～10Hz ，叠加时间步长0.05s ，频率取值范围等分数N =6000，时距300s 。

当结构某高度处的风速时程()()V t V v t =+已知时，则相应风荷载可由式（2）计算。

()()2

12

s W t V t A ρμ=

（2） 式中ρ为空气密度，μs 为相应高度处的体型系数，A 为风荷载从属面积。以主体结构顶部风荷载参数为例，其风速、风荷载时程及脉动风速谱如图1所示。从图中可以看出，模拟风速谱和目标达文波特谱吻合较好，因此可以用于后续分析。

（a ） 风速时程

(a) time series of wind velocity

（b ） 风荷载时程

(b) time series of wind force

(c) 脉动风速谱

(c) spectrum of fluctuating wind velocity

图1 塔顶风荷载参数

Fig.1 wind load at the tower top

2.风振响应分析 2.1有限元模型

电视塔模型如图2所示，塔高175.5m ，全钢结构。钢材为Q345，弹性模量为 2.06×105MPa ，泊松比为0.3。塔柱、横杆和天线采用三维梁单元Beam188模拟，斜杆采用杆单元Link180。Beam 188是三维梁单元，每个节点有六个或七个自由度，该单元基于铁木辛哥梁理论，考虑了剪切变形的影响，适合于分析大角度转动或非线性大应变问题。Link180为三维杆单元，每个节点具有三个自由度，本单元具有塑性和大变形等功能。支座边界条件设置为约束结构四个塔柱底部所有自由度位移。

图2 电视塔有限元模型

Fig.2 Finite element model of tower

2.2模态分析

采用Block Lanczos法进行模态分析，结构的前8阶模态如图3所示。从图中可以看出结构的前两阶振型以天线的一阶侧向弯曲为主，第三、四阶表现为整体的二阶侧向弯曲，第五、六阶表现为天线的二阶侧向弯曲，第七、八阶为结构的扭转振动。

f1=0.21Hz f2=0.21Hz f3=0.91Hz f4=0.91Hz

f5=1.44Hz f6=1.44Hz f7=1.45Hz f8=2.08Hz

图3 结构振型图

Fig.3 First eight vibration m odes of tower

2.3风振响应分析

风振响应分析时阻尼模型取瑞利阻尼，其中阻尼系数按式(3)和式(4)计算。

2

i j

i j

ωω

αξ

ωω

=

+

(3)

2

i j

ξ

β

ωω

=

+

(4)

式中ωi和ωj均为圆频率，本文按第一阶和第三阶取，阻尼比ξ取0.02。将前述风荷载时程施加于结构，基于ANSYS求解结构的动力响应。为研究风荷载作用下几何非线性对结构动力响应的影响，分析时分别按考虑几何非线性和不考虑几何非线性两种工况进行。图4为两种工况下结构典型响应的对比。从图4可知本结构在风荷载作用下几何非线性不强，因此可以忽略其影响，在后续的振动控制参数优化时，均不考虑几何非线性的影响。

（a）基地剪力时程

(a) time series of base shear force

（b ）平台加速度时程

(b) time series of acceleration at platform

（c ）平台位移时程

(c) time series of displacement at platform

图6 结构典型响应

Fig6 Typical structural responses

3.振动控制

对结构进行风振控制时，一般只控制第一振型的振动。从前述计算结果可知，平台处加速度较大，因此以平台处加速度为控制目标。本结构的前两阶模态均以天线的局部振动为主，且天线为圆管截面，不便于振动控制装置的安装，因此控制的目标定为第三阶振型，此时平台处侧向位移最大。随着电视塔高度的增加、柔度的增大，结构振动频带分布越来越宽。由于电视塔特殊的结构形式，有必要针对性地设置多个TMD 装置分别控制结构特定关键部位的动力响应。考虑到设置TMD 的位置应便于其安装，因此可考虑在平台位置设置5个质量和阻尼都相同的TMD 装置，但其频率均匀分布。MTMD 的平面布置如图5所示。

图5 平台处TMD 布置

Fig.5 Layout of TMDs at the platform

3.1控制装置参数优选

设置控制装置的目的是增加结构的阻尼,以减小结构的振动。设置 MTMD 后结构-MTMD 体系的动力放大系数R 可导出[7]

R =

(5)

式中，参数可参见文献[7]。设质量比μ=m di /M 3，m di 为第i 个阻尼器质量，其中M 3=18750kg 为结构第三振型的模态质量；结构未设置TMD 时的阻尼比ζ1取0.02。MTMD 主要的设计参数包括质量m di 、阻尼比ζdi 和调谐频率f di 。通过分析R 与MTMD 各参数之间的关系，进而求得MTMD 的最优控制。对于塔式结构，TMD 与主体结构的最优质量比在1%左右[8]，本文取m di =0.02M 3/5=75kg 。同时取各TMD 频率f di 的平均值为结构的三阶频率并设频率间隔为Δf ，则有f d1=f 3-2Δf ，f d2=f 3-Δf ，f d3=f 3，f d4=f 3+Δf ，f d5=f 3+2Δf 。因此Δf 和ζdi 为主要的优化参数，根据文献[7]可查表得，最优的ζdi 为0.03，最优Δf =0.19 f 3

/4=0.0475 f 3。 3.2风振响应时程分析和控制效果对比

为验证上述参数的有效性，在时域中基于时程分析定量评价其效果。图6给出了结构平台处位移和加速度分别在有控和无控状态下的响应时程。从图中可以看出在MTMD 的控制下，平台处的加速度响应明显减小，且结构的位移响应也有不同程度的降低。

（a ）平台位移时程

(a) time series of displacement at platform

（b）平台加速度时程

(b) time series of acceleration at platform

图6 MTMD下结构响应

Fig.6 Structural responses under the control of

MTMD

表1中给了有无风振控制方案对结构关键部位响应的控制效果值。这里的控制效果评价原则取为

()/

c

η=?-??，其中，?为无控制装置时结构的动力

响应，

c

?为设置控制装置后结构的动力响应。从表1中可以看出，结构的加速响应无论是均方值还是峰值都显著降低，说明MTMD装置的有效性。

表1 MTMD对结构响应的控制效果

Table 1 Structural response control efficiency under

MTMD methods

加速度值位移值

均方值峰值均方值峰值

平台23% 22% 11% 3%

5.结论

为了分析某电视塔的风振响应与振动控制，本文用谐波叠加法来模拟脉动风速，得出脉动风速时程序列后经风压计算公式转换为风载时程。利用ANSYS 通用有限元软件建立了三维有限元几何模型，计算其动力特性，对比了线性与非线性整体塔结构风荷载时程分析。根据风振响应的模拟结果，在结构上加入MTMD阻尼器，在参数优化的基础上在时域进行结构风振响应分析，并对控制效果进行评估，所得结论如下：

（1）本结构刚度较大，在50年一遇基本风压作用下，几何非线性的影响可以忽略；

（2）设置控制装置对结构动力响应的控制作用显著。当设有MTMD时,对塔楼处加速度响应的控制效果达20%左右。

参考文献

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风与结构的耦合作用及风振响应分析(精)

第17卷第5期工程力学Vol.17 No.52000年 10 月ENGINEERING MECHANICS Oct. 2000 收稿日期修订日期 国家自然科学基金资助项目(59578050 作者简介 女 浙江大学土木系副教授 主要从事结构工程研究 文章编号 孙炳楠 (浙江大学土木系 在目前的风振响应计算中 但对于超高层建筑 由于基频较低 本文基于准定常假定推论出 风与结构的耦合作用实质上就是气动阻尼效应就可建立考虑风与结构耦合作用的风振响应模态分析方法确定了风与 结构耦合作用所产生的气动阻尼比较了采用Davenport 谱和Kaimal 谱对计算结果的差异性

采用Kaimal 谱并考虑风与 结构的耦合作用所得计算结果能与风洞试验结果吻合较好 风振响应 气动阻尼 中图分类号 A １前言 作用于高耸建筑物 地震荷载和风荷载 结构显得越来越柔性振动频率随之降低 建筑物越柔而地震能量集中在高频区 因此 当建筑物总高度超过某一值时 深入分析高耸结构的风振效应就显得十分重要 大部分的研究都集中在顺风向的抖振分析上 从原理上讲 只是在计算过程中针对具体的分析对象有不同的处理方式对结构的计算模式作不同的简化等等 频域分析法比较直接方便

并且所需机时较长 在目前的风振响应计算中这对于一阶频率高于 0.5Hz 的悬臂结构是可以接受的[5] ???ê?t?|?á11 óè ??ê?×è?á??D?μ????á11 ±????ùóú×??¨3￡?ù?¨ 风与结构的耦合作用及风振响应分析17 虑风与结构耦合作用的风振响应模态分析方法确定了不同风速下风 与结构耦合作用所产生的气动阻尼采用三维离散的 桁架单元和梁单元模型并着重探讨了两个问题 (2 采用Davenport 谱和Kaimal 谱对结构风振响应的差 异性 ２风振响应频域分析法 任一结构采用合适的有限单元离散后在风荷载作用下的运动平衡方程为大气湍流可以看成是一个平稳随机过程为了求得 风振响应的均方根值x σ?????↓? ≥?(1进行求解 并且对于小阻尼体系

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高层建筑的风振控制研究 摘要：高层建筑在风振作用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的 不舒适感，降低生活质量或生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。文中分析了高层建筑的外部风环境、内部风环，以及风振控制中的被动控制、主动控制和混合控制系统，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。 关键词：风振控制；建筑风环境；控制系统 0 引言 高层建筑和高耸结构正向着日益增高和高强轻质的方向发展，使得结构的刚 度和阻尼不断下降，直接影响了高层建筑和高耸结构的正常使用。建筑在风振作 用下可能产生显著的振动，引起居住者或使用人员的不舒适感，降低生活质量或 生产效率，因此结构抗风设计还必须满足舒适度的要求。本文基于人员不舒适感 分析了高层建筑风振控制，这一研究对于高层建筑安全设计具有一定意义。 1 高层建筑的风环境 1.1 外部风环境 根据高层建筑物的外形，相互布局情况及风的相对方向，有可能测得的建筑 物外部环境的不舒适参数Ψ值，在风振舒适感控制中都是基于下述效应为基础。 （1）压力连通效应：当风垂直吹向错开排列的高层建筑物时，若建筑物间的距离小于建筑物的高度，则有部分压力较高的风流向背面压力较低的区域，形成 街道风，在街道上形成不舒适区域。 （2）间隙效应：如图2所示，当风吹过突然变窄的剖面时（如底层拱廊），在该处形成不舒适区域。 图2 间隙效应 （3）拐角效应：如图3所示，当风垂直吹向建筑物时，在拐角处由于迎面风的正压与背面风的负压连通形成一个不舒适的拐角区域；有时，当两幢并排建筑 物的间距L≤2d（d为建筑物沿风向的长度）时，两幢间也形成不舒适区域。 图3 拐角效应 （4）尾流效应：如图4所示，在高层建筑物尾流区里，自气流分离点的下游处，形成不舒适的涡流区。 图4 尾流效应 （5）下洗涡流效应：如图5所示，当风吹向高层建筑物时，自驻点向下冲向地面形成涡流。 图5下洗涡流效应 2.2内部风环境 高层建筑的内部风环境是指，由于风荷载的作用，高层建筑受到脉动风影响 而发生振动现象，这种振动会给生活或者工作在高层建筑内部人带来不舒适感， 对高层建筑物的正常使用造成影响。受脉动风影响容易形成较明显振动现象的建 筑物，大多是高度在30米以上、高宽比在1.5以上的建筑房屋，以及基本自振周期在0.25以上的高层建筑物。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3一2010)的3.7.6条规定:高度超过150m的高层建筑结构应具有良好的使用条件，满足舒适度要求，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB5009一2001)2006年版的规定

高层建筑结构av风振响应的特性

高层建筑结构av风振响应的特性 发表时间：2017-08-15T15:28:37.483Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第9期作者：王凌云 [导读] 在整个建设工程中，最重要的部分就是机电设备的安装工作。 四川省森环科技有限公司 620010 摘要：机电设备安装工作和很多学科都有着紧密的联系，安装的环节也相对的比较复杂，这给安装的工作带来了一定的难度，随着科学技术的不断发展创新，对于机电设备的安装质量来要求随着这种发展趋势也提高了要求，这对于机电的安装工程来说也是一个机遇，更是一种挑战；这篇文章主要对机电安装工作中所出现的问题进行了一些简单的分析，并且提出了相应的一些建议和措施，希望能够对机电设备安装工程的质量有一定的帮助。 关键词：机电设备；安装；常见问题；处理措施 一、机电设备安装的基本内容 1.在整个建设工程中，最重要的部分就是机电设备的安装工作；具体的安装工作主要从三个方面来进行：①公用机电设备安装；②民用机电设备安装，③工业机电设备的安装。详细的来说就是主要包括电气设备的安装、采暖设备的安装以及给排水的安装、通风设备的在那装等。对于整个施工环节来说，从设备的具体采购以及到设备的安装调试到运行，直至验收环节，在这整个的安装环节中，必一定要保证设备能够达到最大的使用功能；而在机电设备的安装调试过程中，还包括对新材料、施工工艺以及技术应用；在比较大型的工程进行安装时，还需要对装配吊装进行严格的要求，保证符合相关的检验标准。 二、机电设备安装过程中的常见问题 2.1 电气设备在安装过程中发生问题的原因 电气设备在安装过程中最常见的问题主要表现在以下几个方面：在安装的过程中隔离开关时，用了不够准确的操作方法，错误的操作使动触头的接触压力与静触头的接触压力出现不足的情况，导致接触的面积太小，以致出现了氧化的现象，这在很大程度上造成电阻压力加大，最后发生烧蚀灼伤以及触头等严重的事故；还有在进行装配断路器的弧触指和触头的过程中用了不正确的操作方法，会导致接触压力以及分合闸的速度和现实的要求不符，最后导致触头过热，造成绝缘介质分解、增加压力，断路器就会发生爆炸；检修的不及时会导致电流互感器产生绕组开路，造成过电压太高，使设备安全出现故障。 2.2 螺栓联接过程中常见的问题 在机电设备的具体装配过程中，最基础的安装工作就是螺栓与螺母的连接。在实际的安装过程中，一定要对设备机械的效应和电热的效应进行综合分析；具体的安装要注意以下两个方面：在进行螺栓和螺母的连接时，一定要对压接和联接的情况进行着重的观察，这样会防止在连接过程中出现过松或者太紧的情况发生；部件间的装配如果是处于松动的状态，就会导致所接触的电阻加大，在通电的时候就容易出现接触面氧化以及发热等状况，如果情况严重甚至会将联接处烧熔，导致发生接地断开和短路等事故。 2.3 配件安装过程中的常见问题 由于机电设备配件市场的规范程度不够标准，以及设备采购人员的自身专业技术、专业素质过低，导致采购配件与实际要求不符；螺栓和螺母等配件需要考虑到机器和电磁力的作用，一旦出现松动的现象，就会出现断裂的情况；不符合标准的产品配件不具备统一性，导致各配件在连接的过程中不够严实，出现松动的情况，这会在很大程度上降低机电设备的在实际安装过程中的质量。 2.4工程承包管理中的常见问题 没有完善的管理制度就会使相应的管理工作不够具体，再加上管理部门对于质量关把控的不够严格，导致工程量过大、资金投入不足、工程利润较小，也会使很多的施工队伍的施工意愿降低，资质高的施工队伍会将工程进行转包，承接的施工方往往施工的资质不够，会导致在施工的过程中出现很多问题。 三、机电设备安装过程中常见问题的处理措施 3.1 必须严格安装相关的施工原则进行安装 在安装进行之前一定要合理选择相关的设施设备，在进行选择的过程中，规定相关操作人员必须要进行相关的技术计算工作与验算工作，将设备和设施进行定向，这样在能保证其使用的价值与实际的工程规定相符合，这样才能在最大程度上优化施工的组织和设计；安装工作要做到统筹兼顾，对总体的布局进行一定的强化，还需要加强技术的相关论证，保证能够合理的按照计划进行安装的每个环节；保证工程的进度能够按时的完成；在进行施工之前，还要做好压风机以及变电所等各项设备的安装工作，相关的动力源以及电源安装程序要进行明确，还要保证提升绞车与井架的的配备时要及时，施工程序的先后要明确，保证合理有序的进行相关的安装工作，才能保证安装的保量。 3.2 施工人员的相关素质要进行提高 施工人员在作业之前要加强相关的岗前培训，一定要扎实的掌握安装相关知识和安装的规定标准，还要能够保障配件以及设备的主体能够进行严密的连接，这样才能保证安装的质量；机械施工者连接机械、电气施工者安装电气等环节，一定要严格的执行相关的操作规范，还需要做好供配电的相关连接作业；在电路安装环节完成之后还需要开始进行设备的试运转工作，这样可以及时的发现问题进行相关的处理；安装完成之后，还需要检查设备的安装是否完整合理，是否严的格按照安装的工艺流程进行的。 3.3 做好施工前的准备工作 在设备安装之前前，施工人员要详细的了解设计图纸中的内容，这样才能够及时的发现图纸中不合理之处，也能保证作业的安排能够进行及时的调整；明确相关的技术文件的标准和要求，对工程所需要的设备机械进行核查，保证操作的流程和工序科学合理，还需要考虑施工人员在施工进行中的流动性，各施工环节的交底工作也要明确。 3.4 施工过程中的质量控制 依照相关的设计图纸和相关的技术文件进行严格合理的施工，对于图纸中所发现的问题要能够及时的处理，还需要提出相关的处理措

第一讲 桥梁及结构风振理论及其控制

同济大学土木工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系桥梁风振理论及其控制——桥梁与隧道工程专业博士生学位课程 主讲教师：葛耀君教授．博士 同济大学 土木工程防灾国家重点实验室 桥梁工程系

第二讲　自然风特性第一讲　风工程简介第三讲　自然风模拟 第四讲　结构气动响应第五讲　静风响应分析第六讲　桥梁气动稳定第七讲　随机抖振分析第九讲　环境空气动力学第八讲　涡激振动问题 第十讲　风洞试验 第十一讲　桥梁风振可靠性第十二讲　结构风荷载识别第十三讲　桥梁抗风设计第十四讲　结构抗风设计*

第一讲风工程简介 1.风工程范畴 1.1定义(J.E.Cermak) The rational treatment of interactions between wind and man and his engineered works on the surface of the earth. Applications of wind engineering are not for the most part aeronautical in nature, but are related to wind effects on buildings, structures and pedestrians, short range transport of air pollutants and local wind modification by buildings, urban geometry and topography.

1.2内容 A. 结构风荷载——压力或力* B. 风振响应——桥梁、结构、拉索、烟囱、塔桅等* C. 局部风环境——行人风环境、风冷因子(Wind-chill Factor) D. 污染和其它元素扩散问题 E. 风致运动——物体飘移 F. 建筑结构空气动力学——通风、空气渗透、内部流动 G. 气动现象——车辆、船舶、帆船、体育等 H. 风能利用——风力发电、场地选择 I. 气象工程等

高层建筑结构风振响应的特性

高层建筑结构风振响应的特性 发表时间：2017-08-15T15:27:47.360Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第9期作者：成佩玲 [导读] 根据风振响应阵型分解基本理论，通常将结构的动力响应分为共振响应和背景响应分别进行求解[1]。 新疆大学建筑设计研究院新疆 830000 摘要：高层建筑结构风振响应具有多模态参振及模态耦合效应显著的特点。基于振型分解，本文采用分量叠加法对高层建筑结构的风振响应进行计算，其中，背景响应采用拟静力分析方法，共振响应采用SRSS和CQC两种组合形式进行计算。同时，根据分量叠加法、优化的分量叠加法分析了高层建筑结构风振响应的特性，并将计算结果进行了分析比对。最后，通过某高层建筑结构各分量的比例关系、位移响应等计算结果对所提出的结论进行了验证。 关键词：高层建筑结构，风振响应，背景响应，共振响应 1引言 根据风振响应阵型分解基本理论，通常将结构的动力响应分为共振响应和背景响应分别进行求解[1]。根据分量叠加理论、优化的分量叠加理论、模态叠加理论等基本理论，分别推导适合高层建筑结构的风振响应计算公式。已有研究成果表明，大跨屋盖结构风振响应计算须考虑多阶阵型的影响，以及模态间的耦合效应[2]。本文以某一高层建筑结构为研究对象，分析此类高层建筑结构风振响应的特性。 2基于随机振动理论的分析方法 高层建筑结构在脉动风荷载作用下的运动方程为： 图4-1 顺风向（X轴）背景响应图4-2 横风向（Y轴）背景响应 由图4-1、图4-2所示的结果表明，背景响应随着建筑高度的增加，背景响应也在逐步增大，且采用SRSS组合方法与CQC组合方法得到的结果很相近。以上说明在该高层建筑结构中，背景响应各个振型之间的耦合效应不明显，所以背景响应振型间的耦合作用基本上可以忽略，对计算结果影响不大。与此同时，我们发现采用拟静力方法与振型叠加法得出的结果较为一致。故采用拟静力方法求解更高效。 为反映共振响应振型之间的相关性对计算结果的影响，其计算分别采用了参振模态的背景响应和共振响应的CQC组合结果、SRSS组合结果，并将两种计算结果进行了对比。计算结果显示，无论在横风向还是顺风向，采用CQC组合法和SRSS组合法进行振型叠加得到的共振响应都存在明显差异。说明共振响应各振型之间的耦合效应对响应结果存在较大影响，振型间的耦合作用不能忽略。 传统的CQC法计算精度较为精确，但计算成本较高，尤其三针对高层建筑结构，消耗大量的计算资源。若采用优化共振位移响应分量的计算，计算效率会大大提高。故本文选取了10个不同高度位置且具有代表性的节点，采用SRSS组合法、CQC组合法和优化方法分别计算X向、Y向的位移极值响应的共振分量，并将统计结果进行误差分析。计算结果将CQC组合得到的共振响应结果作为参考基准，发现采用SRSS组合计算出的共振响应方差会产生较大的误差。与Y轴方向的结果相比，X轴方向的误差较明显，最大误差接近20%，在工程中这样的误差是不被允许的。优化后共振响应的计算结果误差范围在2%以内，尤其是在Y轴方向更接近CQC组合法的结果。

风振系数及其计算取值

风振系数及其计算取值公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]

风振系数及其计算取值 科技名词定义 中文名称：风振系数英文名称：wind vibration coefficient 定义：脉动风压引起高耸建筑物的动力作用。此时风压应再乘以风振系数βz。风振系数βz与风速、脉动结构的尺度、结构固有频率、振型、结构组织以及地面粗糙度等有关。应用学科：资源科技（一级学科）；气候资源学（二级学科） 风振系数是指风对建筑物的作用是不规则的，风压随风速、风向的紊乱变化而不停地改变。通常把风作用的平均值看成稳定风压或平均风压，实际风压是在平均风压上下波动的。平均风压使建筑物产生一定的侧移，而波动风压使建筑物在该侧移附近左右振动。对于高度较大，刚度较小的高层建筑，波动风压会产生不可忽略的动力效应，在设计中必须考虑。目前采用加大风荷载的办法来考虑这个动力效应，在风压值上乘以风振系数。当房屋高度大于30m、高宽比大于时，以及对于构架、塔架、烟囱等高耸结构，均考虑风振。（ PS:对于30m以下且高宽比小于的房屋建筑，可以不考虑脉动风压影响，此时风振系数取β（z）=。对于低矮、刚度比较大的结构，脉动风压引起的结构振动效应比较小，一般不需要考虑脉动风振作用，而仅考虑平均风压作用。但是为了考虑脉动风压的影响，还是引入一个与风振系数不同的参数：阵风系数。阵风系数考虑的是脉动风压的瞬间增大系数，即脉动风压的变异效应。门式钢架也只需要考虑阵风系数。但是门式钢架规程中没有采用阵风系数。而参照美国的规范弄的，这个规范里的体型系数也是参考美国的，规程中解释已经考虑了阵风系数。这与荷载规范GB5009中的体型系数不一样。） 《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）在计算风荷载时提到了这两个系数，但是在结合实际工程使用中，结构上的风荷载可分为两种成分：平均风和脉动风。对应地，风对结构的作用也有静力的平均风作用和动力的脉动风作用。平均风的作用可用静力方法计算，而脉动风是随机荷载，它引起结构的振动，一般采用随机振动理论对其振动进行分析。风振系数是指结构总响应与平均风压引起的结构响应的比值。 阵风系数是考虑到瞬时风较平均风大而乘的系数，一般是阵风风速与时距10min的平均风速之间的比值。 风荷载影响较大的结构一般都要考虑风振系数，具体如何取值只能参考以往的相关类似工程。对于屋盖结构（如大跨度的看台）不应当成“围护结构”而只考虑阵风系数。 对于风振系数βz，中国建筑科学研究院建筑结构研究所规范室的意见是：高度小于30m的单层工业厂房仍可按以往实践经验不考虑风振系数，即取βz＝1。 对于阵风系数βgz，中国建筑科学研究院建筑结构研究所规范室的意见是：现行规范提供的阵风系数主要是对高层建筑的玻璃幕墙结构参考国外规范而加以制定的，但低矮房屋是否合适，仍需通过今后的设计和科研实践给以完善。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）提供的风荷载计算，是根据美国有关设计手册中的试验资料确定，更能符合实际，不妨按此参考执行。 风振系数把风成份中的脉动风引起的风振效应转换成等效静力荷载所乘的系数。 阵风系数是在不考虑风振系数时,考虑到瞬时风比平均风要大所乘的系数。

结构随机风振响应分析的复模态法_李暾

图1　单自由度模型 文章编号　1004-6410(2002)04-0014-04 结构随机风振响应分析的复模态法 李　暾 1,2 ,李创第2,章本照1,邹万杰2,黄天立 2 (1、浙江大学力学系,浙江杭州　310027;2广西工学院土木系,广西柳州　545006) 摘　要:对单自由度结构的随机风振响应问题进行了研究。首先建立运动方程,并用线性滤波过程生成脉动风谱,用复模态理论和扩阶法进行解耦,获得了等效风谱对应的结构风振响应的解析解,从而建立了结构风振响应分析的复模态法。该方法可用于带T M D 和T LD 结构的风振分析和优化设计。关　键　词:复模态;扩阶法;随机风振 中图分类号:T U311.3;O 313.2 文献标识码:A 收稿日期:2002-08-06 基金项目:广西青年科学基金(0007009)和同济大学防灾国家重点实验室访问学者基金联合资助。作者简介:李　暾(1973-),男,广西柳州人,广西工学院助教,硕士研究生。 0　前　言 在结构的随机风振响应计算中,通常采用的方法是实模态法,这要求结构具有经典阻尼。而实际的许多组合结构体系如:带TM D 、TLD 的高层建筑,都具有非经典阻尼和为非对称结构,故传统的实模态法已不再适用,只能用复模态法进行求解。本文对单自由度体系结构的随机风振复模态分析法进行了系统的研究,针 对脉动风谱为非有理分式风谱的情况,利用线性滤波生成脉动风谱,用复模态法和扩阶法进行解耦,得出了等效风谱对应的结构风振响应的解析解,从而建立了结构风振响应分析的复模态法,为将复模态分析法应用于带TM D 或T LD 、土与结构相互作用的体系等非经典阻尼,非对称结构的风振响应分析奠定了理论基础。 1　运动方程的建立和求解 考虑如图1所示的单自由度模型,在脉动风压P f (t )作用下,根据质点m 的力平衡,可得结构的运动方程为: m x ¨+cx +k x =P f (t )(1) 将方程(1)两边同除以m ,得 x ¨+2Y k n x +k 2 n x =P f (t )m (2) 其中: k 2 n =k m ;2Y k n =c m 令: y 1=x ;y 2=x (3) 将(3)代入方程(2),得 y 2-y 1=0y 1+2Y k n y 2+k 2n y 2= P f (t )m 即: [M ]{y }+[K ]{y }={f (t )}(4) 其中:　[M ]= 0　11　2Y k n ; [K ]= -1　00　k 2 n 第13卷　第4期 广西工学院学报 V o l.13　No.4 2002年12月　JO U RN A L O F GU AN GX I U N IV ERSI T Y O F T ECHN O LO G Y Dec.2002

结构振动控制的概念及分类

耗能方案 性能来抵御地震作用的，即由结构本身储存和消耗地震能量，以满足结构抗震设防标准，小震不坏，可能无法满足安全性的要求；另一方面，在满足设计要求的情况下，结构构件的尺寸可能需做得很大木工程领域新兴一种新型的抗震方式——结构振动控制，即对结构施加控制机构，由控制机构和结构 半主动控制和混合控制。 是由控制装置随结构一起振动变形而被动产生的。被动控制可分为基础隔震技术、耗能减震技术和吸是由控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。主动控制系统由传感器、运算器和施力作术。主动控制有主动拉索系统（ATS）、主动支撑系统（ABS）、主动可变刚度系统（AVSS）、主动质期开始研究主动控制。目前，主动控制在土木工程中的应用已达30多项，如日本的Takenaka实验控制力虽也由控制装置自身的运动而被动的产生，但在控制过程中控制装置可以利用外加能源主动调置、半主动TMD、半主动力触动器、半主动变刚度装置和半主动变阻尼装置等。 主动控制，或者是同时应用不止一种的被动控制装置，从而充分发挥每一种控制形式和每一种控制装：同时采用AMD和TMD的混合控制系统、主动控制和基础隔震相结合的混合控制系统以及主动控制和

京的清水公司技术研究所。 ，但由于建筑结构体形巨大导致所需的外加能源较大，加之控制装置的控制的算法比较复杂，而且存好，容易实现，目前发展最快，应用最广，尤其是其中的基础隔震技术已相当成熟，并得到了一定程主动控制低廉，而且不需要较大的动力源，因此其具有广阔的应用和发展前景；混合控制综合了某几 和耗能减震技术。 置控制机构来隔离地震能量向上部结构传输，使结构振动减轻，防止地震破坏。目前研究开发的基础和混合隔震等。近年来，越来越多的国家开展了基础隔震技术的研究，因此，隔震技术也得到了飞速：日本94栋，美国21栋，中国46栋，意大利19栋，新西兰16栋，已采用了基础隔震技术。最近有 使结构的振动能量分散，即结构的振动能量在原结构和子结构之间重新分配，从而达到减小主结构振尼器（TLD）；（3）质量泵；（4）液压—质量控制系统（HMS）；（5）空气阻尼器。其中，应用最多两个重300吨的TMD，质量块在9米长的钢板上滑动，它很好地减小了大楼的风振反应，防止了玻璃幕nade桥的桥塔均安装了TMD，其减震效果均令人十分满意。日本的Yokohama海岸塔是一个高101米析表明，安装了TLD后塔的阻尼比由0.6%增加到4.5%，在强风作用下塔的加速度减小到原来的1/3 TLD以控制其风振反应。

高层建筑风振控制

高层建筑风振控制 高层建筑风振控制 风振控制的概念 最早是由Kabori和Minai在1960年提出的。与结构自身的加固和加强相比结构中引进附加控制系统,具有明显的优势。结构控制是控制技术和建筑领域的交叉学科,是建筑模型下应用控制理论达到建筑安全、舒适目标的课题。根据控制力是否有外加能源输入,结构控制可分为被动控制和主动控制。 被动控制 被动控制突破了传统的设计方法,使仅依靠增加结构本身性能来抵抗动力荷载的方法发展为由结构的抗震抗风控制体系能动地控制结构的动力反应。 耗能减振系统 耗能减振系统是把结构物的某些非承重构件设计成消能元件,或在结构物的某些部位设置阻尼器,在风荷载作用时,阻尼器产生较大的阻尼,大量耗散能量,使主体结构的动力反应减小。耗能减振系统可分为两类: (1)耗能构件减振体系,利用结构的非承重构件作为耗能装置,常用的耗能构件包括耗能支撑、耗能剪力墙等。 (2)阻尼器减振系统,包括粘弹性阻尼器VED、金属阻尼器、摩擦阻尼器等。 吸振减振系统

吸振减振技术是在主结构中附加子结构,使结构振动发生转移,即使结构的振动能量在主结构与子结构之间重新分配,从而达到减小结构风振反应的目的。目前主要的吸振减振装置有调谐质量阻尼器TMD、调谐液体阻尼器TLD等。 TMD系统（Tuned Mass Damper） TMD能有效地减小结构风振反应已为人们普遍接受。已有许多TMD成功地装置在世界各地的高层钢结构上,如美国纽约的Citicorp Center(59层),台北101大楼等。 调谐液体阻尼器TLD （Tuned Liquid Damper） 利用液面振荡力作为控制力作用于结构时为调谐液体阻尼器TLD。简化模型主要有“集中质量法”和“浅水波动理论法”两类。

矩形高层建筑结构横向风振反应的分析计算_侯艾波

矩形高层建筑结构横向风振反应的分析计算 侯艾波1 周锡元2 葛楠2 (1 北京工业大学建筑工程学院,100022;2 中国建筑科学研究院 北京100013) (1 Department of Architecture,BJP U,Beijing,100022;2 Department of Aseismic Engineering,C AB R,Beijing,100013)[摘要]本文根据结构随机振动理论,考虑到国外有关规范中根据风洞试验数据提出的横风向脉动风压谱与足尺观测数据有差异的现象[1] ,根据已经得出的横向湍流脉动风压谱密度函数[2] ,提出了一个湍流脉动风压作用下结构横风向风振反应的计算方法供参考。采用本文中提出的风振反应计算方法可能不至于漏失结构在非共振风速时较大的风振反应值,从而不至于低估设计基准期内最大风速下的横风向风振加速度反应值。用本文提出的方法针对一个具体的工程实例计算了风振反应值,并与采用国外规范中现行方法的计算结果作了对比。计算结果表明,在出现设计基准期内最大风速时,结构湍流脉动风压诱发的横风向风振可能大于由国外现行规范中公式计算的风振反应值。[关键词]脉动风压 谱密度函数 湍流 风洞试验 ABSTRAC T:In this paper ,according to the theory o f structure random vibration,a method for evaluating across wind induced vibration has been presented from the derived turbulence pressure s pectrum density f unction,considering that there existed the di f ference between the datum from full scale observation and the results in the overseas design codes from wind tunnel test.With this method ,the potential large wind induced vibration in the across wind direction will not be neglected when evaluating the structure vibration under non -resonant wind velocity ,and that the maximum acceleration in the structure designing period will not be underestimated.Evaluation work has been done on a building with this metho d and the results have been com pared with thosefrom the methods in the overseas design codes.The re -sults sho w that under the maximum wind velocity in the designing period ,the turbulence induced vibration is probably larger than the results evaluated with the present methods in the overseas design codes. KEYW ORDS:Wind pressure fluctuation Spectrum density f unction Turbulence Wind tunnel test 前言 来风在建筑物的周围会形成湍流风场并可能会引起建筑物一定幅度的风振(图1)。对于高层和超高层建筑的风振动力反应主要有以下三方面的考虑:其一,由风振产生的惯性力在结构中引起附加应力;例如我国现行建筑结构荷载规范中考虑了顺风向风振反应惯性力,高耸结构设计规范中同时考虑了顺风向与横风向风振反应的惯性力[1];其二,建筑结构振动加速度会使生活和工作在其中的人产生不舒适感,例如 高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-98 采用了最大加速度值控制结构的风振反应,并规定重现期为10年的最大(峰值)加速度限制标准如下:0 28(m/s 2)(公共建筑),0 20(m/s 2)(公寓建筑)。其三,由于风振反应发生的频度较高,有可能使结构产生疲劳效应。 目前在某些国家的建筑规范中已经规定了高层、超高层建筑横风向风力谱函数和风振反应值的计算方法[3,4]。在我国的 建筑结构荷载规范GBJ5009-2001 、 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2002 与 高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-98 均没有规定非圆截面的横向风荷载。仅在 高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-98 规定了最大横风向加速度的计算方法.在 建筑结构荷载规范GBJ5009-2001 及 高耸结构设计规范GBJ135-90 中规定了圆形截面建筑物或构筑物横风向风振力的计算方法。 目前日本及加拿大的建筑规范中规定了横风向脉动风力谱(由漩涡脱落机制形成)。其中的计算公式都是根据风洞实验数据总结归纳得出的。这些规定虽然在一定程度上满足了结构设计的要求。但是通过有些足尺观测数据与风洞实验数据 的对比说明二者之间存在一定的差别[1] ,这些差 34 第23卷 第3期2006年9月 特 种 结 构 Vol.23 No.3 Sept.2006 SPECIAL S TRUCTURES No.3 2006

超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究

第27卷　第1期2010年3月 建筑科学与工程学报 Journal of Architecture and Civil Engineering Vol.27　No.1Mar.2010 文章编号:167322049(2010)0120102206 收稿日期:2009209213 作者简介:王松帆(19692),男,江西黎川人,高级工程师,工学硕士,E 2mail :wangsfan @https://www.wendangku.net/doc/a07114417.html, 。 超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究 王松帆,汤　华 (广州市设计院,广东广州　510620) 摘要:为避免中国现行《建筑结构荷载规范》(G B 50009—2001)中所采用的风振系数仅考虑结构的 1阶振型,而不考虑周围环境影响对体型不规则超高层建筑结构抗风设计造成的不合理性,采用风 洞试验与风振动力响应计算分析相结合的方法,考虑结构不规则的影响以及相邻建筑的气动干扰和横风效应来获得超高层建筑结构抗风设计所需的顺风向和横风向的等效静风荷载和风致动力响应。结果表明:由于周围建筑的干扰,顺风向、横风向的风荷载规律与一般超高层建筑不同,其不利角度也与规范存在差异;所得结论为超高层建筑结构的抗风设计提供了依据和参考。关键词:超高层建筑;风振响应;风洞试验;等效风荷载;抗风设计中图分类号:TU312.1 文献标志码:A R esearch on Wind Vibration R esponse and Equivalent Static Wind Loads of Super High 2rise Buildings WAN G Song 2fan ,TAN G Hua (Guangzhou Design Institute ,Guangzhou 510620,Guangdong ,China ) Abstract :The wind vibration factor in current L oad Code f or Desi gn of B uil di ng S t ruct ures (G B 50009—2001)in China was advanced only considering t he first vibration shape of t he struct ure ,but for super high 2rise building st ruct ures wit h complex shape ,t he above calculation met hod was incompletely reasonable. Considering t he influence of irregular st ruct ure ,aerodynamic interference of adjacent buildings and cross 2wind effect ,aut hors obtained t he along 2wind and cross 2wind equivalent static wind loads and wind 2induced dynamic response needed for wind resistant design of super high 2rise building st ruct ures by using t he met hod of combining wind t unnel test wit h wind vibratio n response calculation ,and achieved good effect s in p roject practices.The result s show t hat because of interference of surrounding buildings ,along 2wind and cross 2wind equivalent static wind loads differ from normal super high 2rise buildings and t he disadvantageous wind directions are inconsistent from t ho se shown in code.The conclusions also provide evidence and reference for wind resistant design of super high 2rise building st ruct ures.K ey w ords :super high 2rise building ;wind vibration response ;wind t unnel test ;equivalent static wind load ;wind resistant design 0引　言 风荷载是超高层建筑结构的主要水平荷载之 一。位于台风多发地区的超高层建筑的风致振动已 成为其结构设计需要考虑的首要因素。中国现行 《建筑结构荷载规范》(G B 50009—2001)[1]中采用