高层建筑风振研究

浅述高层建筑风振

摘要：随着轻质高强新型建筑材料的不断涌现，高层建筑不但建筑形式变化多样，而且结构体型也朝着高大、轻柔的方向发展，因此风对高层建筑的影响越来越大。本文通过简述风荷载的分类及特征，进一步说明了高层建筑中结构风振响应以及风振控制。

关键词：高层建筑风振

风是从高气压吹向低气压的一种气流。高层建筑是在特殊地区和时间下，为了满足社会和经济的需求而建造的，其独特性和各自特异的风格，增加了城市景观，吸引了大量的旅游观光者。而更具有实用意义的是满足了城市日益增长的工作、生活空间的需求，但任何建筑高度的增加必将会增加风荷载的力度。风荷载是控制高层建筑结构设计的重要侧向荷载，正确考虑风力的作用，关系到结构设计的合理性和经济性。

一、风荷载种类及特点

风对建筑物的作用是一个随机过程，因此，按照风对建筑物作用的方向不同可以分为以下三个方面：1）在建筑物的迎风面上产生的压力（气流流动产生的阻力），包括静压力和动压力；2）在横风向产生横风向干扰力（气体流动产生的涡旋扰力与湍流脉动压力）；3）空气流经建筑物后在建筑物的背后产生的涡流干扰力（包括背风向的吸力）。

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，具有以下特点：1）风荷载与空间位置及时间（不确定性）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，结构不同部分对风敏感程度不同；3）对具有显著非线性特征的结构，可能产生流固耦合效应；4）结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性；5）脉动风的强度、频率、风向是随机的；6）风荷载具有静力和动力的双重特点，其动力部分即脉动风的作用会引起高层建筑的振动（即风振）。

二、结构风振反应

根据风载作用的不同机理, 风振反应分为顺风向响应、横风向响应、风致扭

转响应以及结构的自振动反应。

1、顺风向响应：对建筑结构起主要作用，通过将风分为平均风和脉动风，相应应用结构静力分析和随机振动理论进行分析。

2、横风向响应：主要由尾部漩涡脱落及横风向紊流引起结构横风向振动。对于非圆形截面的建筑物，特别是窄、高、柔的高层建筑，当处于跨临界范围,特别是漩涡周期脱落的频率与结构自振频率一致时，将产生比静力作用大几十倍的共振效应,超过顺风向响应，必须引起重视。

3、风致扭转响应：对于圆柱形细长结构,风致扭转振动响应很小，通常忽略不计。对矩形或不规则高层建筑，其风致扭转振动响应相当大。引起这种响应的原因有：1）结构横截面质心与刚心不重合，因而引起结构顺风向、横风向与扭转响应的耦联；顺风向与横风向的动力风荷载都能引起结构的扭转振动响应；2）结构的质心与空气动力中心不重合，顺风向与横风向动力风荷载都能对截面质心产生扭转振动响应；3）紊流引起的脉动风压在结构周边的不均匀分布形成随机脉动扭转；4）漩涡的随机发放使结构背面和侧面的风压不对称干扰而引起扭转振动响应。

4、自激振动反应:动力风荷载使结构产生振动，结构的振动又反作用于风，这种与结构运动相关的动力风荷载引起的振动称为自激振动。由于结构截面的形状以及可能产生的攻角，结构产生负阻尼，从而在风速到达某一值后，结构振动不能弹回而愈振愈大，即产生空气动力失稳，常有弯、扭驰振或弯扭耦合的颤振等。

三、高层建筑的风振控制

在一般情况下, 按是否需要外部能源和激励以及结构反应的信号，结构振动控制分为被动控制、主动控制、半主动控制以及混合控制。

1、被动控制：被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，一般是指在结构的某些部位安装隔振或耗能装置或子结构系统，或对结构自身的某些构件做构造上的处理以改变结构体系的动力特性。被动控制过程不依赖于结构反应和外界干扰信息，而且具有构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点;引起了广泛的关注，并成为目前应用开发的热点，许多被动控制技术已日趋成熟，并已在实际工程中得到应用。

1）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：a、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；b、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。

2）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是一种发展比较成熟的控制装置，安装在结构的顶层或结构上部某层上,应用动力吸振器原理，将TMD系统的振频率设计成与主体结构要控制的振型频率近似相等，从而得到共振吸能的目的。高层建筑可以利用顶层的水箱、机房或接近上部的旋转餐厅等作为TMD的惯性质量块，耗能器的种类很多；TLD是一种固定在结构楼层（或楼面）上的具有一定形状的盛水容器。可以是浅水的，也可以是深水的；可以是大型水箱，也可以是多个小型容器的组合。当结构在外荷载作用下发生振动时，将带动水箱一起运动，而水箱的运动又会使箱中的液体产生晃动，并引起表面的波浪，这种液体和波浪对箱壁的动压力差，以及液体随结构一起运动引起的惯性力，就构成了建筑物的减振力。

2、主动控制：主动控制是应用现代控制技术，对输入的外部激励和结构反应实现联机实时监测，再按分析计算结果应用伺服加力装置对结构施加控制力，实现自动调节，进而保证结构在外界动力荷载作用下的安全性能。主动控制需要外部能量输入提供控制力，控制过程依赖于结构反应和外界干扰信息。主动控制包括主动质量阻尼控制系统，主动变刚度控制系统和主动变阻尼器控制系统。主动控制算法主要有：经典线性最优控制算法、瞬时最优控制算法、预测实时控制算法、随机最优控制算法、模糊控制算法、界限状态控制、极点配置法、独立模态空间控制法、滑动模态控制理论、神经网络控制等。目前研究开发的主动控制装置主要有：主动控制调谐质量阻尼器(AMD)、主动空气动力挡风板控制系统、