淺談高墩柔性結構風致振動控制

淺談高墩柔性結構風致振動控制

0高頻結構風荷載作用下產生的問題高層建筑以其簡單美觀的建筑形式在城市中得到了廣泛應用，是城市地標的重要建筑。高聳結構因其具有較大的高寬比,結構側向剛度與自振頻率較小,在風荷載作用下極易產生振動從而使得高聳結構的舒適度、變形能力及穩(wěn)定性均受到嚴重的威脅。根據(jù)高聳結構風振破壞的情況,可以看出其風致失效形式主要有以下三種1觀塔外框架該旅游觀光塔總高135.5m,結構由鋼框架核心筒和外框架組成。觀光塔外框架部分為6根鋼柱,沿高度方向每相隔20m左右設置環(huán)向橫梁。該工程地面粗糙度類別為A類,進行舒適度驗算時,取重現(xiàn)期為10年的基本風壓0.45kN/m2tmd系統(tǒng)方案該旅游觀光塔結構分析結果表明結構以整體彎曲變形為主,結構層間變形較小。因此,采用安裝在層間的速度相關型阻尼器或位移相關型阻尼器,都難以充分發(fā)揮其耗能減振作用。擬對該觀光塔設置TMD進行結構風荷載作用下的舒適度控制。綜合考慮建筑結構使用功能、安裝條件、各種TMD方案的優(yōu)缺點和造價等因素,采用懸吊式TMD減振系統(tǒng)。為節(jié)約造價,采用總重約為36.4t的消防水箱作為TMD系統(tǒng)的慣性質量,則TMD系統(tǒng)的模態(tài)質量比約為3.22%。結構阻尼比取為0.02,則TMD系統(tǒng)對結構附加的等效阻尼比約為0.0404,設置TMD系統(tǒng)的受控結構的等效阻尼比約為0.0604?？紤]本結構第一階和第二階振型振動的特性基本相同,設計的懸掛式TMD系統(tǒng)滿足控制兩個方向的振動(第一階和第二階振型振動)的要求,取兩階振型振動的平均周期約2.85s,最優(yōu)頻率比為0.97,對應懸吊式TMD系統(tǒng)的周期為2.95s,則TMD系統(tǒng)的剛度和阻尼分別為164.96kN/m和6.26kN·s/m,擺長約2.17m,TMD系統(tǒng)擺角約為5度時其行程約為0.18m,TMD系統(tǒng)擺角約為10°時其行程約為0.36m,基本滿足單擺線性擺角范圍的要求。3由于旅游塔風的振動，td減速根據(jù)A類地貌10年重現(xiàn)期基本風壓0.45kN/m3.1mtd減少振動聯(lián)合分析與結構風軸運動的振動3.1.1tmd控制系統(tǒng)根據(jù)U2方向風荷載工況下的頂層位移和加速度時程曲線分析可知結構以第一階振型頻率0.348Hz振動。沿結構不同高度處的無控/有控的結構峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移的對比見圖3,結構頂層、設備層和觀光層的結構峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移無控/有控的對比見表1,無控/有控結構基底反力對比見表2。從圖3、表1和表2可以看出采用TMD控制系統(tǒng)可使基底剪力降低14.67%、傾覆力矩降低20.38%,頂點平均位移最大值降低約37.67%,并可使結構頂部平均加速度最大值降低約35.7%,從而滿足舒適度要求。由于TMD控制系統(tǒng)為動力減振裝置,它對脈動風荷載引起的加速度等動力響應有更好的控制效果。此風荷載工況下TMD控制系統(tǒng)行程為120mm。3.1.2tmd控制系統(tǒng)穩(wěn)定性根據(jù)-U2方向風荷載工況下的頂層位移和加速度時程曲線分析可知結構以第一階振型頻率0.348Hz振動。沿結構不同高度處的無控與有控的結構峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移的對比見圖4。結構頂層、設備層和觀光層的結構峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移無控/有控的對比見表3,無控/有控結構基底反力對比見表4。從圖4、表3和表4可以看出采用TMD控制系統(tǒng)可使基底剪力降低約15.38%、傾覆力矩降低約21.66%,頂點平均位移最大值降低約37.5%,并可使結構頂部平均加速度最大值降低約37.3%,滿足舒適度要求。此風荷載工況下TMD控制系統(tǒng)行程為112mm。3.1.3tmd控制系統(tǒng)根據(jù)Y方向風荷載工況下的頂層位移和加速度時程曲線分析可以看出TMD系統(tǒng)對頂層由Y方向風荷載引起的加速度和位移的減振效果要好于U2方向,結構以第二階振型頻率0.356Hz振動。沿結構不同高度處的無控與有控的結構峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移的對比見圖5,結構頂層、設備層和觀光層的結構峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移無控/有控的對比見表5,無控/有控結構基底反力對比見表6。從圖5、表5和表6可以看出采用TMD控制系統(tǒng)可使基底剪力降低約18.7%、傾覆力矩降低約23.13%,頂點平均位移最大值降低約40.7%,并可使結構頂部平均加速度最大值降低約40.7%,從而滿足舒適度要求。此風荷載工況下TMD控制系統(tǒng)行程為136mm。3.1.4tmd控制系統(tǒng)根據(jù)-Y方向風荷載工況下的頂層位移和加速度時程曲線分析可知TMD系統(tǒng)對頂層由-Y方向風荷載引起的加速度和位移的減振效果與Y方向相差不多,結構以第二階振型頻率0.356Hz振動。沿結構不同高度處的無控與有控的結構峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移的對比見圖6,結構頂層、設備層和觀光層的結構峰值加速度、平均最大加速度、峰值位移和平均最大位移無控/有控的對比見表7,無控/有控結構基底反力對比見表8。從圖6、表7和表8可以看出采用TMD控制系統(tǒng)可使基底剪力降低約16.8%、傾覆力矩降低約21.72%,頂點平均位移最大值降低約40.85%,并可使結構頂部平均加速度最大值降低約39.02%,從而滿足舒適度要求。此風荷載工況下TMD控制系統(tǒng)行程為147mm。3.2tmd慣性質量行程驗算經計算,100年重現(xiàn)期脈動風荷載下頂點動位移峰值為0.081m。在風荷載作用下,TMD行程與其安裝位置的結構動位移之比約為3.55,由此可估算出相應的TMD慣性質量行程y當結構遭遇100年重現(xiàn)期以上的風荷載作用時,TMD的行程可通過黏滯阻尼器緩沖裝置進行限位。3.3結構橫風向風初步驗算結構橫風向振動是由風的湍流和建筑物尾流中的漩渦共同作用引起的,漩渦的特性與建筑物的形狀和風的特性有關,所以結構橫風向的振動不能通過順風向的振動理論來分析計算。由于該旅游觀光塔的橫截面形式為“Y”形,現(xiàn)有規(guī)范沒有給出此類型橫截面斯托拉哈數(shù)和升力系數(shù)的取值,因此無法精確地進行橫風向動力荷載的取值和結構橫風向風致響應的計算分析?，F(xiàn)參考文獻Appliedfluiddynamicshandbook(BlevinsR.D,VanNostrand1984)里面,橫截面形式為直角的斯托拉哈數(shù)取值0.13進行結構渦激共振的初步驗算。本結構高寬比約為6,則結構迎風表面為22.58m;根據(jù)結構10m高度處的平均風速26.83m/s和A類地貌的設計條件,則結構頂部(135.5m)處的平均風速為v詳細的結構橫風向風振響應及其TMD減振效果的計算分析,尚需基于風洞試驗的結果來進行復核和對比。4tmd控制系統(tǒng)從上述順風