耗能减振层对某超高层结构的减振控制研究
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振动与冲击
第30卷第2期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVo.l30No.22011
基金项目:广东省自然科学基金团队项目(8351009101000001);高等学
校博士点学科专项基金资助项目(200810780001)
收稿日期:2009-09-07修改稿收到日期:2010-09-09
第一作者汪大洋男,博士生,1981年4月生
通讯作者周云男,教授,博士生导师,1965年9月生耗能减振层对某超高层结构的减振控制研究
汪大洋1,周云1,王绍合2
(1.广州大学土木工程学院,广州510006;2.广州市住宅建筑设计院有限公司,广州510006)
摘要:以某288m超高层框架-核心筒结构的减振控制为研究对象,针对该工程的自身特点提出了设置非线性
粘滞阻尼器、铅粘弹性阻尼器耗能减振层的六种控制方案。在10年一遇风振作用下,利用改进的自回归AR模型模拟了
结构Y方向的脉动风荷载时程,并对该结构进行了不同控制方案下的风振控制研究,同时针对该结构进行了7小震和中
震作用下的阻尼减震控制研究。对比分析了不同控制方案下耗能减振层对结构地震与风振作用的减振效果,结果表明本
文提出的六种控制方案不仅能有效抑制结构的风致振动,显著改善结构的风振舒适度,对结构顶层峰值加速度响应的最
大降幅达40%,而且还能提高结构在地震作用下的可靠性,进一步证明了耗能减振层对于超高层结构抗风与抗震的有效
性和可行性,提出了风振与地震作用下设置耗能减振层超高层结构的分析与设计建议。
关键词:超高层结构;耗能减振层;风振效应;地震效应;振动控制
中图分类号:TU973+.23文献标识码:A
Vibrationreductionforasuperhighstructurewithenergydissipationstory
WANGDayang1,ZHOUYun1,WANGShaohe2
(1.DepartmentofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China;
2.DesignInstituteofGuangzhouResidentialBuilding,Guangzhou510623,China)
Abstract:Vibrationcontrolofa288msupertallbuildingwasstudiedhere.Sixvibrationcontrolschemeswith
viscousdampersandleadviscoelasticdamperswereproposedtocontrolstructuraldynamicresponsesunderwindand
earthquakeexcitations.Fluctuatingwindtimeseriesoccuringonetimein10yearonthestructureweresimulatedwitha
modifiedARmode.lThedynamicresponsesofthestructurewiththeproposedcontrolschemesunderwindandearthquake
excitationswereinvestigatedandtheirvibrationcontroleffectswereanalyzedcomparatively.Thestudyresultsshowedthat
theexcessivedynamicresponsesinducedunderwindandearthquakeexcitationscanbecontrolledeffectivelyusingthe
proposedschemes;thepeakaccelerationofthetopstorycanbereducedbyalmost40%usingtheproposedcontrol
schemeswithwindexcitation;theadditionalsafetyreserveofthestructureunderminorandmajorearthquakescanalsobe
addedusingtheproposedcontrolschemes.So,thevalidityandfeasibilityoftheproposedschemesinreducingstructural
vibrationresponseswasfullyapproved.Somesuggestionsaboutstructuralanalysisanddesignunderwindandearthquake
excitationswereproposed.
Keywords:tallbuildings;energydissipationstory;windeffects;earthquakeeffects;vibrationcontrol
超高层框架-核心筒结构体系常采用加强层来控
制上部结构在侧向荷载作用下变形产生的过大位移,
但加强层的设置使结构的上下刚度不连续,并发生明
显突变,在地震作用下其必然导致结构内力突变以及
整体结构传力途径的改变,从而使结构的破坏较容易
集中在加强层附近,形成薄弱层,结构的损坏机理难以呈现强柱弱梁和强剪弱弯的延性屈服机制。鉴
于以上考虑,文献[1]提出把耗能减振技术应用于框架
-核心筒结构,即将加强层桁架中的刚性支撑用耗能
部件(支撑+阻尼器)代替,形成耗能减振层。在风振
和地震作用下带有耗能减振层的结构主要通过阻尼器
来耗散风振和地震输入到结构中的能量,以减轻结构
的动力反应,从而更好地保护主体结构的安全。文献
[2-3]针对设置耗能减震层的框架-核心筒结构体系
进行了减震效果分析研究,结果表明耗能减震层能有
效地控制结构的地震反应,减小结构位移和内力反应。
文献[4]对大连国贸大厦高层水箱进行了风振控制研究,结果表明TLD对结构位移和加速度具有较好的减
振效果,提高了建筑上部的舒适度。文献[5]基于GA
优化理论对高层结构进行了风振控制研究,结果表明
风振作用下阻尼装置具有充分发挥耗能性能的能力,
有效降低结构风振动力反应。文献[6]针对某超高层
结构进行了三种风振控制方案的对比研究,分析表明
减振装置对于抑制结构风致振动、提高结构安全和舒
适使用性能是可行、有效的。文献[7-13]研究了设置
TMD、TLD控制系统的高层建筑风振控制的分析与设
计方法,给出了TLD、TMD系统参数的最佳取值区间及
参数之间的最佳匹配关系,指出当TMD、TLD按照该参
数设计时能有效抑制结构的风振反应。文献[14,15]
针对高层钢结构TMD优化控制系统进行了分析研究,
给出了高层钢结构TMD风振舒适度控制简化设计
过程。
本文即以某68层、288m的超高层框架-核心筒
结构体系的减振控制为研究对象,针对该工程的自身
特点提出了将加强层替换成设置非线性粘滞阻尼器或
铅粘弹性阻尼器的耗能减振层的六种控制方案。在10
年一遇风振作用及7度小震、中震作用下对该结构进
行了减振控制研究,对比分析了不同控制方案下耗能
减振层对结构风振及地震作用的控制效果,并依据分
析结果对此类高层或超高层结构体系的抗风、抗震的
分析与设计提出了参考性建议。
1工程概况
广州某超高层结构总高288m,68层。整体结构
形式是带伸臂的框架-核心筒结构,外框架采用钢管
混凝土柱与钢梁组成的型钢混凝土框架,柱距10m;核
心筒为新型组合筒体(方钢管混凝土柱与混凝土剪力
墙组合筒体);、和处为设置两道伸臂和环向腰
桁架的加强层。楼面梁均为H型钢组合梁,楼板采用
压型钢板做底膜的组合楼板。图1为结构标准层平面
图,图2为结构-轴线和-轴线剖面图。
图1结构标准层示意图
Fig.1Sketchofstandardfl
oor图2结构-轴线和-轴线剖面图
Fig.2Profilesofaxis-and-
对于超高层建筑结构的结构设计而言,风荷载及
地震作用产生的水平方向的效应为结构设计的主要控
制因素。该结构抗震设防烈度为7度,场地类别为
类;10年一遇基本风压为0.3kN/m2,地面粗糙度类别
为B类。经初步计算,该结构在10年一遇风荷载作用
下的顶层峰值加速度已超出高层建筑混凝土结构技
术规程(JFJ3-2002)[16]的要求(对于高度超过150m
的住宅、公寓建筑,其顶层峰值加速度限值为0.15
m/s2),且结构在中震作用下,其层间侧移角较大。为
提高该结构的可靠性、舒适性,并使之满足规范限值要
求,本文采用速度相关型阻尼器设计成的耗能减振层
对其进行风振与地震控制分析与设计。
2耗能减振层的方案设计
由于该结构平面为正方形,且结构沿X向和沿Y
向的构件布置形式和侧向刚度基本相同,所以在计算
过程中本文仅取Y向计算,但最终阻尼器分析与设计
结果取X向和Y向相同,即结构X方向和Y方向布置
阻尼器的数量、型号和参数均相同。根据业主要求,阻
尼器必须设在伸臂桁架所在的加强层,即仅能在结构
-轴线和-轴线上的、和三个伸臂桁
架中设阻尼支撑,则依据该工程的实际特点,按照经济
有效的原则,拟采用以下六种耗能减振层的控制方案:
方案1将所有加强层替换为两对角粘滞阻尼支
撑形式的耗能减振层,图3为两对角粘滞阻尼支撑结
构示意图。在结构Y方向-轴线和-轴线上
分别设置12个粘滞阻尼器,共设置24个阻尼器,则本
方案X和Y方向共设置48个粘滞阻尼器。阻尼器采
用非线性粘滞阻尼器,阻尼器的阻尼系数取400
kNs/mm,阻尼指数取0.3,阻尼器最大出力120086振动与冲击2011年第30卷
