高层建筑结构的风振控制技术综述
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关键词：高层建筑；风荷载；风振控制；结构体系
一、高层建筑结构的风振控制概述
风荷载是一种持续时间较长的随机荷载，成为高层建筑结构设计的控制荷载。风荷载使结构产生振动，作用机理复杂，主要原因有：（1）有与风向一致的风力作用，包括平均风和脉动风，其中脉动风产生结构的顺风向振动；（2）背风面的漩涡会产生结构横风向的振动；（3）相邻建筑物的尾流引起的振动。表1中列举了常见的风致振动类型，需准确地确定风荷载通常采用模型风洞试验[1]。
高层建筑结构的风振控制技术综述Fra Baidu bibliotek
摘要：高层建筑结构的风振控制是指在结构发生风振反应时，通过在结构上增设控制装置，主动或被动地产生一组控制力，以达到减少或抑制结构风振响应的目的。结构的风振控制理论经过长期的发展，日益成熟，并不断推陈出新。本文综合探讨了结构工程领域的风振控制方法，包括主动控制技术、被动控制技术、半主动控制技术以及结构体系创新等。此外，还从高层建筑工程风振控制的最新进展出发，对TMD、TLD、AMD及巨型框架体系做技术研讨。
表1风致振动的类型
二、主动控制技术
主动控制技术常是在结构关键部位应用作动器拖动附加质量块或在结构内部安装作动器与弹性元件施加控制力，通过实时观测追踪技术从而分析结构的动力响应，由伺服装置对结构施加控制，实现主动的调节功能，将结构在风、地震等激励下的响应控制在规范允许范围之内。主动控制对于能量的消耗较大，且依赖于控制算法，尚未得到广泛应用[3]。
3.2.2矩形深水TLD
TLD对结构的控制力就是水对水箱壁液动压力的合力，即TLD左右水箱上液动压力的总的合力为：
式中，b为水箱的高度；为水晃动的自振频率；为水箱方向的运动速度；为矩形TLD中某点处的液压压力；
图4矩形深水TLD
四、结构减振控制体系
结构减振控制体系的发展为振动控制提供了新思路。巨型框架减振结构分为主结构和次结构。主结构为主要的抗侧力体系和承重体系，次结构仅为辅助和耗能作用。如图5所示，为了减轻巨型框架在地震和风振下的响应，在主次框架间设置了减振耗能装置，使各次框架如同巨大的质量块，与主框架共同形成一个大型调谐质量系统。由于可有多个质量较大的质量块，可对多个振型进行有效控制，即对频带较宽的外部激励进行有效控制[8]。
图2
三、被动控制技术
被动控制技术是通过附加在结构上的控制装置来增大结构的阻尼、提高结构的延性以吸收和耗散外界输入的能量，包括阻尼减振装置如粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等以及吸能减振装置如TMD、TLD、MTMD、TLMD等。
3.1质量调频阻尼器（TMD）系统
TMD是一种调频减振装置，当减振装置的自振频率和结构的受控频率相互调谐时，可将结构的振动能量转移到调频装置上，从而耗散外界输入的能量流，控制结构动力响应。TMD的自振频率是减振性能的关键[6]。
[5]张月香.高层建筑AVS控制的多模态法与优化布置研究[D].同济大学，2004.
[6]李爱群，陈鑫，张志强.大跨楼盖结构减振设计与分析[J].建筑结构学报，2010.
参考文献：
[1]张相庭.结构风压和风振计算.同济大学出版社.1985.
[2]徐赵东，马乐为.结构动力学[M].北京：科学出版社，2016.
[3]周锡元，阎维明，杨润林.建筑结构的隔震、减振和振动控制[J].建筑结构学报，2002.
[4]幸厚冰.高柔结构AMD振动控制系统实施的相关方法研究[D].哈尔滨工业大学，2014.
图5巨型框架
五、总结
高层建筑结构减振的思路主要有两类：一是增加结构的延性，被动控制中的阻尼器便是基于此。二是主动控制，采用作用器带动质量块运动，抵消外界激励输入的能量。此外，新材料、新结构的发展也对结构减振耗能起着较大的作用。
对高层建筑减振控制方案的选择，提出如下设计思路供工程师们参考：（1）对于较复杂的超高层建筑，多种减振类型的组合方案效率更高，更为有效，如采用阻尼器与TMD的结合。（2）高层建筑可将消防水箱设计为TLD，造价较低，减振效果良好。（3）AMD减振技术是目前高层结构减振效率最高的技术体系，但其计算理论尚不成熟，可预留一定的空间或采用ATMD混合减振。（4）创新研究新型减振结构体系，可通过在构件之间设置相对变位控制阻尼器来耗能减振。
广义的振动控制主要包括两方面的内容[2]：（1）振动的利用，即充分利用有利的振动：（2）振动的抑制，即尽量减小有害的振动。土木工程领域的振动控制一般属于后者，即采用某种措施使结构在动力荷载作用下的响应不超过某一限量，以满足使用的要求，风振即是如此。
依据是否需要外界输入能量，结构的减振控制分为主动控制，被动控制和智能控制等。
3.2液体调频阻尼器（TLD）系统
3.2.1矩形浅水TLD
TLD是一种矩形浅水水箱。当结构因外力作用产生振动时会带动水箱一起运动，从而激起水箱中水的晃动，而水晃动对水箱侧壁的动压力又反向作用在结构上，通过设置水箱的参数调整动压力的大小，抑制结构的振动[7]，反动压力的计算公式为：
图3矩形浅水TLD
式中，a为水箱的宽度；h为水深；为水面波高；为水的密度；为水箱振动方向二端及n等分点处的无量纲化波高液面。
2.1 AMD系统
AMD系统主要由质量块、导向系统、弹簧系统、阻尼器系统和作动器系统组成[4]。在结构产生振动响应时，作动器首先驱动质量块，使质量块发生运动，进而质量块带动弹簧、阻尼器和作动器对结构产生作动力，实现对于结构的主动控制。
（a）悬吊式（b）支撑式
图1
AMD系统主要分为悬吊式和支撑式两类。悬吊式是将质量块悬吊在结构上，阻尼装置设置在质量块和结构之间，如图1（a）所示。支撑式是将质量块支撑在结构层上，阻尼装置设置在支撑质量块和结构之间，如图1（b）所示。
2.2 AVS系统
AVS系统是通过可变刚度装置使受控结构的刚度在每一采样周期内按照特定的控制律在不同的刚度值间切换，使受控结构避免共振，实现减震的目的[5]。系统首先将结构的响应反馈至控制器，控制器按照事先设定的控制算法并结合结构响应，判断主动变刚度控制装置的刚度状态，然后将控制信号发送至电液伺服阀并操纵电液伺服阀的开、关状态，以实现不同的变刚度状态。
一、高层建筑结构的风振控制概述
风荷载是一种持续时间较长的随机荷载，成为高层建筑结构设计的控制荷载。风荷载使结构产生振动，作用机理复杂，主要原因有：（1）有与风向一致的风力作用，包括平均风和脉动风，其中脉动风产生结构的顺风向振动；（2）背风面的漩涡会产生结构横风向的振动；（3）相邻建筑物的尾流引起的振动。表1中列举了常见的风致振动类型，需准确地确定风荷载通常采用模型风洞试验[1]。
高层建筑结构的风振控制技术综述Fra Baidu bibliotek
摘要：高层建筑结构的风振控制是指在结构发生风振反应时，通过在结构上增设控制装置，主动或被动地产生一组控制力，以达到减少或抑制结构风振响应的目的。结构的风振控制理论经过长期的发展，日益成熟，并不断推陈出新。本文综合探讨了结构工程领域的风振控制方法，包括主动控制技术、被动控制技术、半主动控制技术以及结构体系创新等。此外，还从高层建筑工程风振控制的最新进展出发，对TMD、TLD、AMD及巨型框架体系做技术研讨。
表1风致振动的类型
二、主动控制技术
主动控制技术常是在结构关键部位应用作动器拖动附加质量块或在结构内部安装作动器与弹性元件施加控制力，通过实时观测追踪技术从而分析结构的动力响应，由伺服装置对结构施加控制，实现主动的调节功能，将结构在风、地震等激励下的响应控制在规范允许范围之内。主动控制对于能量的消耗较大，且依赖于控制算法，尚未得到广泛应用[3]。
3.2.2矩形深水TLD
TLD对结构的控制力就是水对水箱壁液动压力的合力，即TLD左右水箱上液动压力的总的合力为：
式中，b为水箱的高度；为水晃动的自振频率；为水箱方向的运动速度；为矩形TLD中某点处的液压压力；
图4矩形深水TLD
四、结构减振控制体系
结构减振控制体系的发展为振动控制提供了新思路。巨型框架减振结构分为主结构和次结构。主结构为主要的抗侧力体系和承重体系，次结构仅为辅助和耗能作用。如图5所示，为了减轻巨型框架在地震和风振下的响应，在主次框架间设置了减振耗能装置，使各次框架如同巨大的质量块，与主框架共同形成一个大型调谐质量系统。由于可有多个质量较大的质量块，可对多个振型进行有效控制，即对频带较宽的外部激励进行有效控制[8]。
图2
三、被动控制技术
被动控制技术是通过附加在结构上的控制装置来增大结构的阻尼、提高结构的延性以吸收和耗散外界输入的能量，包括阻尼减振装置如粘弹性阻尼器、粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等以及吸能减振装置如TMD、TLD、MTMD、TLMD等。
3.1质量调频阻尼器（TMD）系统
TMD是一种调频减振装置，当减振装置的自振频率和结构的受控频率相互调谐时，可将结构的振动能量转移到调频装置上，从而耗散外界输入的能量流，控制结构动力响应。TMD的自振频率是减振性能的关键[6]。
[5]张月香.高层建筑AVS控制的多模态法与优化布置研究[D].同济大学，2004.
[6]李爱群，陈鑫，张志强.大跨楼盖结构减振设计与分析[J].建筑结构学报，2010.
参考文献：
[1]张相庭.结构风压和风振计算.同济大学出版社.1985.
[2]徐赵东，马乐为.结构动力学[M].北京：科学出版社，2016.
[3]周锡元，阎维明，杨润林.建筑结构的隔震、减振和振动控制[J].建筑结构学报，2002.
[4]幸厚冰.高柔结构AMD振动控制系统实施的相关方法研究[D].哈尔滨工业大学，2014.
图5巨型框架
五、总结
高层建筑结构减振的思路主要有两类：一是增加结构的延性，被动控制中的阻尼器便是基于此。二是主动控制，采用作用器带动质量块运动，抵消外界激励输入的能量。此外，新材料、新结构的发展也对结构减振耗能起着较大的作用。
对高层建筑减振控制方案的选择，提出如下设计思路供工程师们参考：（1）对于较复杂的超高层建筑，多种减振类型的组合方案效率更高，更为有效，如采用阻尼器与TMD的结合。（2）高层建筑可将消防水箱设计为TLD，造价较低，减振效果良好。（3）AMD减振技术是目前高层结构减振效率最高的技术体系，但其计算理论尚不成熟，可预留一定的空间或采用ATMD混合减振。（4）创新研究新型减振结构体系，可通过在构件之间设置相对变位控制阻尼器来耗能减振。
广义的振动控制主要包括两方面的内容[2]：（1）振动的利用，即充分利用有利的振动：（2）振动的抑制，即尽量减小有害的振动。土木工程领域的振动控制一般属于后者，即采用某种措施使结构在动力荷载作用下的响应不超过某一限量，以满足使用的要求，风振即是如此。
依据是否需要外界输入能量，结构的减振控制分为主动控制，被动控制和智能控制等。
3.2液体调频阻尼器（TLD）系统
3.2.1矩形浅水TLD
TLD是一种矩形浅水水箱。当结构因外力作用产生振动时会带动水箱一起运动，从而激起水箱中水的晃动，而水晃动对水箱侧壁的动压力又反向作用在结构上，通过设置水箱的参数调整动压力的大小，抑制结构的振动[7]，反动压力的计算公式为：
图3矩形浅水TLD
式中，a为水箱的宽度；h为水深；为水面波高；为水的密度；为水箱振动方向二端及n等分点处的无量纲化波高液面。
2.1 AMD系统
AMD系统主要由质量块、导向系统、弹簧系统、阻尼器系统和作动器系统组成[4]。在结构产生振动响应时，作动器首先驱动质量块，使质量块发生运动，进而质量块带动弹簧、阻尼器和作动器对结构产生作动力，实现对于结构的主动控制。
（a）悬吊式（b）支撑式
图1
AMD系统主要分为悬吊式和支撑式两类。悬吊式是将质量块悬吊在结构上，阻尼装置设置在质量块和结构之间，如图1（a）所示。支撑式是将质量块支撑在结构层上，阻尼装置设置在支撑质量块和结构之间，如图1（b）所示。
2.2 AVS系统
AVS系统是通过可变刚度装置使受控结构的刚度在每一采样周期内按照特定的控制律在不同的刚度值间切换，使受控结构避免共振，实现减震的目的[5]。系统首先将结构的响应反馈至控制器，控制器按照事先设定的控制算法并结合结构响应，判断主动变刚度控制装置的刚度状态，然后将控制信号发送至电液伺服阀并操纵电液伺服阀的开、关状态，以实现不同的变刚度状态。