高层建筑的风振控制研究

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

经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速，在考虑相应的空气密度确定风压

值计算的顺风向和横风向结构顶点最大加速度不应超过的限值。

建筑物内部风环境所造成的不舒适程度与建筑物振动加速度之间的对应关系

如表1所示。

表1人体舒适度与振动加速度限值关系

2 风振控制

2.1 被动控制

（1）耗能减振系统

耗能减振系统的设计原理是，在结构物中设置部分非承重构件作为消能元件，或者在某些部位安装阻尼器，通过阻尼器对作用在结构物上的风荷载形成较大阻

力来将大量能量耗散，从而减小主体结构的动力反应。耗能减振系统按设计方式

的不同分为两类：一是将结构物中的非承重构件设置成耗能装置的耗能构件减振

体系，像耗能支撑、耗能剪力墙等；二是阻尼器减振系统，常见的部件包括VED （粘弹性阻尼器）、金属阻尼器、摩擦阻尼器等。

VED（粘弹性阻尼器）具有简单方便、性能优良等特性，主要优点体现在两

方面：一是即使是对微小干扰造成结构物的振动，它也能够有效耗能；二是它的

应力和应变滞回曲线类似于椭圆形，表示很强的耗能能力。在VED（粘弹性阻尼器）的设计过程中，要考虑到作为高分子聚合物的粘弹性材料所受到的环境、温度、工作频率等因素影响，对粘弹性阻尼材料进行合理设计。

（2）吸振减振系统

吸振减振技术的原理是转移结构振动，具体说就是通过将子结构附加在主结

构上，在两者之间重新分配结构振动能量，以实现构结构风振反应减小的目的。

常见的吸振减振装置主要包括TMD（调谐质量阻尼器）、TLD（调谐液体阻尼器）等。

(3) TMD（调谐质量阻尼器）系统

阻尼器是一个重量达数百吨、四周用弹簧连接的混凝土块，当建筑物在外力

的作用下产生摆动时，通过能量的传递，阻尼器也会同时发成摆动。而根据提前

设计好的计算程序，阻尼器的摆动在方向上与建筑物的摆动刚好相反，在这相反

的摆动的作用下，建筑物本身的摆动就会被大大减小，这种技术也是目前很多摩

天大楼中所采用。

图6 TMD（调谐质量阻尼器）工作简图

TMD（调谐质量阻尼器）的组成部件包括质块，弹簧和阻尼系统，如图6所示。它主要在建筑物较高位置安装，运作方式为钟摆形式。其原理是通过调整到

与主结构频率相类似的振动频率来对结构共振的特性进行改变，从而达到系统减

震的目的和作用。在结构物中安装TMD（调谐质量阻尼器），其作用就是当外

力F作用于结构物上时，它能够起到将基本构件的消能要求值减小的目的。这种

减小是通过在结构物与其连接或固定的TMD（调谐质量阻尼器）两者之间的能量

传递来实现的。

给调谐质量阻尼器联通电源之后，如果建筑物受到强风作用而产生摇晃，传

感器就会将这种摇摆传给风阻尼器，然后风阻尼器通过其驱动装置来对配重物的

动作进行控制，从而最大程度地使建筑物的摇晃程度降到最低。例如强风自北向

南吹，钢球就会像钟摆一样向北面摇摆，使风阻尼器会产生一种与风向相反的‘力量’，从而使建筑物的摇晃程度得以消减。