深圳京基金融中心風(fēng)振響應(yīng)及控制研究

深圳京基金融中心風(fēng)振響應(yīng)及控制研究

0結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)上層建筑的結(jié)構(gòu)體系相對(duì)簡(jiǎn)單，周期長(zhǎng)。建筑對(duì)風(fēng)負(fù)荷的動(dòng)力放大非常有效。通常，風(fēng)控主要用于風(fēng)控。在強(qiáng)風(fēng)的作用下，結(jié)構(gòu)可能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，甚至損壞結(jié)構(gòu)和相關(guān)部件，并受到建筑物的形狀和環(huán)境的影響。風(fēng)振響應(yīng)通常以共振響應(yīng)為主。高層建筑水平方向的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)通常大于垂直方向，水平方向的影響應(yīng)該顯著。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮橫向風(fēng)的影響。深圳京基金融中心主塔樓高439m,超過(guò)規(guī)范限值180m,為超B類(lèi)建筑。結(jié)構(gòu)高寬比9.5。結(jié)構(gòu)采用三重抗側(cè)力體系抵抗水平荷載,由鋼筋混凝土核心筒(內(nèi)含鋼柱)、巨型鋼斜支撐框架及構(gòu)成核心筒和巨型型鋼混凝土柱之間聯(lián)系的伸臂桁架及腰桁架組成。由于結(jié)構(gòu)超高,體型復(fù)雜且深圳地處臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū),風(fēng)力對(duì)結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)較大。文獻(xiàn),風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示,該結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向效應(yīng)顯著,風(fēng)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)加速度值較大,與規(guī)范較為接近,需采取進(jìn)一步措施以改善結(jié)構(gòu)的舒適度?；诖?本文根據(jù)京基金融中心風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,分析了結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng),提出了AMD振動(dòng)控制策略,選取了最不利橫風(fēng)向荷載作為結(jié)構(gòu)的激勵(lì)荷載,對(duì)結(jié)構(gòu)在AMD振動(dòng)控制下的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià),并得到了AMD控制器的可實(shí)現(xiàn)參數(shù),為控制器的具體實(shí)施提供了依據(jù)。1風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)振分析報(bào)告超高層建筑在風(fēng)力作用下除產(chǎn)生順風(fēng)向風(fēng)振外,其橫風(fēng)向也將發(fā)生風(fēng)振,對(duì)于高寬比大于4的高層建筑,其橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)通常大于順風(fēng)向響應(yīng),甚至達(dá)到順風(fēng)向響應(yīng)的幾倍數(shù)值,成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素。由結(jié)構(gòu)三維有限元模型動(dòng)力特性分析可知,結(jié)構(gòu)前二階振型分別是X向一階平動(dòng)和Y向一階平動(dòng),對(duì)應(yīng)的周期分別為7.54s和7.19s。結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上的第一周期較為接近,結(jié)構(gòu)在二個(gè)方向的主周期均較柔,屬于雙向風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。因此需要依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)以確定結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)攻角下結(jié)構(gòu)雙向加速度響應(yīng)。京基金融中心風(fēng)洞試驗(yàn)在汕頭大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行,該結(jié)構(gòu)計(jì)算樓層和基礎(chǔ)風(fēng)荷載的參考坐標(biāo)系及坐標(biāo)系原點(diǎn)(即合力簡(jiǎn)化中心)見(jiàn)圖1。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于地面零標(biāo)高處。該圖同時(shí)也是測(cè)壓試驗(yàn)坐標(biāo)系,風(fēng)向角β為零度時(shí)是初始方位,當(dāng)風(fēng)向角β增大時(shí),風(fēng)的來(lái)流方向按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。采用同步多點(diǎn)壓力掃描系統(tǒng)以10°為間隔測(cè)出36個(gè)風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)響應(yīng)。根據(jù)京基金融中心風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)振分析報(bào)告,在不同風(fēng)攻角下結(jié)構(gòu)94層(酒店層頂部)在X向和Y向的加速度峰值見(jiàn)圖2。風(fēng)攻角0°方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)X向。結(jié)構(gòu)在X向風(fēng)攻角作用時(shí),即風(fēng)攻角為0°,180°,350°激勵(lì)下,結(jié)構(gòu)總的加速度響應(yīng)均較大,結(jié)構(gòu)總加速度在兩個(gè)方向的分量中,順風(fēng)向X向的加速度峰值較小,橫風(fēng)向Y向的加速度響應(yīng)峰值較大。結(jié)構(gòu)在Y向風(fēng)攻角作用時(shí),即風(fēng)攻角為90°,270°時(shí),結(jié)構(gòu)總的加速度響應(yīng)均較小,結(jié)構(gòu)總加速度在二個(gè)方向的分量中,順風(fēng)向Y向的加速度峰值較小,橫風(fēng)向X向的加速度響應(yīng)峰值較大?？梢?jiàn),結(jié)構(gòu)在強(qiáng)弱軸風(fēng)攻角作用下,均是結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向加速度響應(yīng)大于結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的加速度響應(yīng)。故該結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)顯著,且結(jié)構(gòu)在Y向加速度響應(yīng)較大,加速度峰值最大為23.43cm/s2,接近規(guī)范中的限值標(biāo)準(zhǔn),需要采用措施控制結(jié)構(gòu)Y向響應(yīng);結(jié)構(gòu)在X向的加速度響應(yīng)較小,在所有風(fēng)攻角風(fēng)激勵(lì)下,其X向加速度峰值僅為0.12m/s2,結(jié)構(gòu)自身特性已能滿(mǎn)足舒適度要求,不需要采取措施。鑒于上述結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)激勵(lì)下加速度響應(yīng)分析結(jié)果,舒適度由結(jié)構(gòu)Y向振動(dòng)控制,故只需對(duì)結(jié)構(gòu)Y向風(fēng)振加速度響應(yīng)進(jìn)行減振控制。深圳地區(qū)風(fēng)向風(fēng)玫瑰圖見(jiàn)圖3所示。深圳主導(dǎo)風(fēng)向主要為67.5°和337.5°。圖4為風(fēng)洞試驗(yàn)室測(cè)壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ网B(niǎo)瞰圖。依據(jù)風(fēng)洞報(bào)告結(jié)果,該結(jié)構(gòu)在350°處的加速度響應(yīng)最大,與深圳主導(dǎo)風(fēng)向337.5°較為接近;結(jié)構(gòu)在與主導(dǎo)風(fēng)向接近的70°風(fēng)攻角作用時(shí),其加速度響應(yīng)較小。在350°風(fēng)攻角作用時(shí),結(jié)構(gòu)整體X風(fēng)和Y風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)荷載峰值曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),結(jié)構(gòu)上部風(fēng)荷載值要大于下部結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載,結(jié)構(gòu)頂部遮罩處風(fēng)荷載較大,結(jié)構(gòu)在順風(fēng)向的風(fēng)荷載峰值要小于結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向的荷載峰值,故結(jié)構(gòu)在Y向的加速度響應(yīng)要大于結(jié)構(gòu)X向的加速度響應(yīng)。結(jié)構(gòu)酒店層頂部Y向風(fēng)荷載時(shí)程如圖6所示。風(fēng)攻角為350°時(shí),結(jié)構(gòu)主要樓層風(fēng)荷載功率譜密度曲線(xiàn)分別如圖7和圖8所示。結(jié)構(gòu)Y向風(fēng)荷載功率譜密度均大于結(jié)構(gòu)X向風(fēng)荷載功率譜,可見(jiàn)橫風(fēng)向的風(fēng)荷載能量更大。深圳地王大廈總高389m,主樓高324m,風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭刑幱诰┗鹑谥行募s350°方向,而該結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向加速度響應(yīng)峰值最大的風(fēng)攻角也為350°,這表明結(jié)構(gòu)最大加速度響應(yīng)與地王大廈的尾流渦脫頻率有關(guān)。京基金融中心75層的結(jié)構(gòu)高度約為324m,與地王大廈實(shí)際高度相當(dāng),故選取結(jié)構(gòu)75層上下樓層風(fēng)荷載進(jìn)行譜分析。結(jié)構(gòu)70層,80層和90層風(fēng)荷載功率譜密度對(duì)比見(jiàn)圖9。結(jié)構(gòu)70層和60層(圖7)功率譜曲線(xiàn)峰值對(duì)應(yīng)的頻率均約為10.1s,而高于地王大廈的結(jié)構(gòu)80層和90層的風(fēng)荷載功率譜曲線(xiàn)峰值均不對(duì)應(yīng)10.1s。這表明地王大廈渦脫頻率約為10.1s,結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向響應(yīng)受到了該渦脫頻率的影響,這與文獻(xiàn)的分析結(jié)論是一致的。在此,選取該最不利風(fēng)攻角風(fēng)荷載進(jìn)行振動(dòng)控制分析。2控制裝置設(shè)計(jì)要求我們提出采用主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(ActiveMassDamper-AMD)對(duì)京基金融中心進(jìn)行Y向加速度減振控制,以改善該結(jié)構(gòu)的舒適度。主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(AMD)系統(tǒng)示意如圖10所示。它僅僅通過(guò)一個(gè)作動(dòng)器將主結(jié)構(gòu)和質(zhì)量聯(lián)系起來(lái),表面上看似乎沒(méi)有被動(dòng)恢復(fù)力和阻尼力作用在系統(tǒng)上,僅僅通過(guò)一個(gè)外部控制力作用完成,但恢復(fù)力和阻尼力是通過(guò)控制器的狀態(tài)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)大量的應(yīng)用情況調(diào)查顯示,主動(dòng)控制質(zhì)量阻尼器主要在高樓、高塔中應(yīng)用。理論上,AMD的減振頻帶最寬,減振控制效果也最好,在不考慮外部條件情況下可以將結(jié)構(gòu)的響應(yīng)控制到無(wú)窮小,但相應(yīng)地需付出較大的代價(jià)。由于需要較大的主動(dòng)控制力來(lái)實(shí)現(xiàn),考慮到控制硬件支持及外部能源的可靠性和結(jié)構(gòu)空間限制等方面的制約,在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)業(yè)主目標(biāo)要求有選擇的設(shè)計(jì)主動(dòng)控制器。極點(diǎn)配置控制算法具有算法簡(jiǎn)單、作用機(jī)理清晰和控制效果好等優(yōu)點(diǎn),可以權(quán)衡控制效果、行程、控制力,選出合適的控制系統(tǒng)。京基金融中心的降階模型自由度仍然較多,如果對(duì)每階振型都采取控制,將導(dǎo)致控制力過(guò)大。京基金融中心的前三階振型質(zhì)量參與系數(shù)分別為55.6%、19.2%、5.0%,該結(jié)構(gòu)前三階振型質(zhì)量參與系數(shù)和達(dá)到了79.8%,因此該結(jié)構(gòu)采用極點(diǎn)配置算法時(shí),控制結(jié)構(gòu)前三階振型就能保證控制效果。AMD的期望極點(diǎn)采用臨界阻尼比。AMD慣性質(zhì)量塊400t時(shí)極點(diǎn)配置算法對(duì)控制結(jié)構(gòu)阻尼比的影響見(jiàn)表1所示,極點(diǎn)配置算法能按期望控制目標(biāo)要求增加結(jié)構(gòu)阻尼。在高柔結(jié)構(gòu)中高階振型對(duì)加速度有較大的影響,由于土木結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,采取LQR控制時(shí),選取合理的權(quán)矩陣來(lái)達(dá)到期望的結(jié)構(gòu)特性困難較大,而采用極點(diǎn)配置能較快地滿(mǎn)足控制目標(biāo)要求?？紤]到工程的實(shí)際空間情況及AMD控制器出力限制要求,AMD控制裝置需滿(mǎn)足如下兩個(gè)前提條件:1)AMD行程最大為2m;2)控制器最大出力為600kN,若控制器計(jì)算出力超過(guò)600kN,則實(shí)際作用出力取為600kN。但控制器在運(yùn)行過(guò)程中,不能均以最大出力運(yùn)行,滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行將使控制器失效。3結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)和裝置質(zhì)量比較文獻(xiàn)中主要對(duì)順風(fēng)向下的減振控制效果進(jìn)行了分析。本節(jié)主要以上述極點(diǎn)配置控制算法和相同的算法參數(shù)來(lái)分析橫風(fēng)向激勵(lì)下京基金融中心AMD振動(dòng)控制效果?？紤]控制裝置的質(zhì)量效應(yīng),分別取裝置的質(zhì)量為400t,500t,600t進(jìn)行分析。在風(fēng)攻角為350°時(shí),結(jié)構(gòu)在十年一遇風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向響應(yīng)及AMD振動(dòng)控制效果見(jiàn)表2。結(jié)構(gòu)酒店頂層接近規(guī)范限值標(biāo)準(zhǔn),但結(jié)構(gòu)酒店以上餐廳層及遮罩樓層均超過(guò)了規(guī)范限值0.25m/s2的標(biāo)準(zhǔn)。在采取AMD振動(dòng)控制措施以后,結(jié)構(gòu)的位移和加速度響應(yīng)能得到較好地控制,其中位移峰值的控制效果約為30%,加速度峰值控制效果約為40%。針對(duì)京基金融中心結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)中高階振型效應(yīng)明顯,在極點(diǎn)配置控制算法中提高了結(jié)構(gòu)第二、三階振型的阻尼比,故結(jié)構(gòu)加速度峰值和均方值的控制效果要好于結(jié)構(gòu)位移的峰值和均方值控制效果。裝置的質(zhì)量較大時(shí),其控制效果越好,每增加100T的質(zhì)量,其控制效果約增加3%。相比于結(jié)構(gòu)順風(fēng)向響應(yīng)控制效果,在相同質(zhì)量的工況下結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向響應(yīng)控制效果更好于順風(fēng)向控制效果,特別是結(jié)構(gòu)加速度峰值控制效果,橫風(fēng)向控制效果比順風(fēng)向控制效果好約10%。裝置質(zhì)量為400T時(shí)結(jié)構(gòu)酒店層頂部樓層位移和加速度控制前后時(shí)程響應(yīng)對(duì)比見(jiàn)圖11。裝置質(zhì)量為400T時(shí)裝置的位移響應(yīng)時(shí)程和驅(qū)動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)見(jiàn)圖12。由裝置位移響應(yīng)時(shí)程圖可知,裝置的位移只有少數(shù)點(diǎn)超過(guò)了2m。驅(qū)動(dòng)力峰值也只有少數(shù)點(diǎn)達(dá)到了飽和限值點(diǎn)。這表明裝置的位移和驅(qū)動(dòng)力均在可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)。圖13為原結(jié)構(gòu)與AMD控制后結(jié)構(gòu)整體位移和加速度響應(yīng)峰值對(duì)比,結(jié)構(gòu)整體各樓層的位移峰值和加速度峰值均能得到較好的控制。4橫風(fēng)向激勵(lì)下的廢水處理系統(tǒng)本文對(duì)橫風(fēng)向激勵(lì)下京基金融中心舒適度控制進(jìn)行了分析,主要結(jié)論有:(1)結(jié)構(gòu)加速度分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向效應(yīng)顯著,結(jié)構(gòu)Y向(短邊方向)加速度響應(yīng)較大,故AMD系統(tǒng)只需控制結(jié)