基于風洞試驗的變阻尼質量調諧阻尼器景觀塔的減振分析*

林松偉 區(qū) 彤 駱杰鑫 賀 輝 劉彥輝

(1.廣東省建筑設計研究院有限公司, 廣州 510010; 2.廣州大學土木工程學院, 廣州 510006; 3.廣東省建筑金屬圍護系統(tǒng)工程技術研究中心, 廣州 510006; 4.湖南工學院, 湖南衡陽 421002)

隨著經濟的高速發(fā)展,世界各地興建了大量的景觀塔、電視塔等高聳建筑作為城市新地標。高聳建筑高徑比大,體型纖細,屬于風敏感結構,獨特的外形特征決定了風荷載起控制作用,如何有效控制高聳結構的風振響應是前沿課題。

周福霖給出了高層建筑、高聳塔樓等柔性結構采用質量調諧系統(tǒng)減振控制的設計計算式,通過試驗得出高層建筑采用調諧質量阻尼器(TMD)能取得良好的減振效果,推動了TMD在高層高聳建筑上的應用[1]。周云系統(tǒng)總結了風振控制的理論,給出了阻尼器對高聳結構風振控制的設計方法。[2]周福霖團隊提出了主動控制和主-被動復合控制技術,采用調諧質量阻尼器與主動質量阻尼器相結合的混合控制系統(tǒng)進行減振控制,在廣州新電視塔成功應用。[3-5]徐懷兵等研究了高聳結構設置混合調諧質量阻尼器后附加阻尼比的計算方法,推導了控制系統(tǒng)最優(yōu)參數的計算式。[6]陳政清團隊建立了永磁電渦流阻尼器在低速及高速運動下線性和非線性阻尼力的力學模型,得到了基于電渦流阻尼非線性特性的結構減振性能。[7-8]翁大根等將電渦流技術引入擺式TMD,在上海中心大廈工程中得到成功應用。[9]

基于上述成果,以肇慶市新地標景觀塔為研究對象,采用ABAQUS軟件建立了不設置和設置兩級變阻尼TMD的對比計算模型,基于風洞試驗得到的風荷載時程,對無控結構和有控結構進行了10,50,100 a重現期風速作用下的風振響應分析,得到了TMD在不同重現期風速作用下的減振效果。

1 工程概況

景觀塔坐落于廣東省肇慶市肇慶新區(qū)環(huán)路與上廣路交接處,東鄰肇慶新區(qū)體育中心,南臨長利涌。景觀塔建筑面積約為1.9萬m2,建筑高度為168.9 m,地下1層,為綜合管廊展廳,層高為6.0 m;地上有32層,其中1～4層為裙房,是城市展覽廳和多功能報告廳,層高均為6.0 m,第5～32層為塔樓,上方有觀光層和消防水箱層,塔頂是直升機停機坪,主要層高為5.5 m,局部層高為4.0～6.0 m,如圖1所示。

景觀塔結構設計基準期為50 a,安全等級為二級,抗震設防分類為丙類,抗震設防烈度為7度(0.1g),設計地震分組為第一組,建筑場地類別為III類,屬于巖溶地質,場地特征周期為0.45 s。10,50,100 a重現期基本風壓分別為0.3,0.5,0.6 kN/m2,地面粗糙度類別為B類。

a—效果圖; b—實景。圖1 肇慶新區(qū)景觀塔Fig.1 A landscape tower in a newly developed area of Zhaoqing

景觀塔核心筒直徑為12.6 m,高寬比為13.4,采用鋼筋混凝土筒體+頂部外鋼框架結構體系,將258 t消防水箱作為質量塊,利用如圖2a所示的雙向兩級變阻尼軌道將消防水箱改裝成調諧質量阻尼器。[10-13]其中,兩級變阻尼軌道自帶電渦流阻尼元件,阻尼元件力學模型如圖2b所示。質量塊行程小于200 mm時,采用第一級阻尼;質量塊行程大于200 mm時,采用第二級阻尼?？紤]到設備層空間有限,須對TMD進行限位設計,要求質量塊行程小于900 mm。。

a—三維模型; b—力學模型。圖2 一體化兩級變阻尼器及其力學模型Fig.2 A 3D and mechanical model of two-stage variable dampers

2 計算模型和風荷載激勵

采用ABAQUS軟件建立景觀塔三維有限元精細化模型,框架梁柱采用B32單元,剪力墻采用S4R單元,TMD采用UEL子程序開發(fā)的二級阻尼單元進行模擬[14-16],有限元計算模型和底部平面示意如圖3所示,軸方向為X向;②軸方向為Y向。

風洞試驗由廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司風工程研究中心完成,制作了1∶150的剛性測壓模型及周邊建筑模型進行群體建筑風洞動態(tài)測壓試驗,如圖4所示。試驗時采用GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》中規(guī)定的B類地貌風剖面。

a—有限元模型;b—筒體結構平面示意。圖3 筒體結構有限元模型和布置平面Fig.3 The FE model and structural plan of the landscape tower

圖4 風洞試驗模型Fig.4 Wind tunnel test models

進行試驗數據后處理,通過積分求得測點層的力系數,根據樓層高度插值求得各結構層的力系數,以實測點風壓時程數據為基礎,采用覆蓋面積法得到各結構層風荷載時程。以結構中部典型樓層——15層和結構頂部31層為例,結構15層和31層10 a重現期風荷載時程曲線如圖5所示。

對有、無TMD控制的計算模型,在各結構層對應輸入相應樓層的風荷載時程,對比10,50,100 a順風向、橫風向無控和有控結構的結構響應,得到TMD基于風洞試驗風時程的減振效果。

a—15層順風向; b—15層橫風向; c—31層順風向; d—31層橫風向。圖5 結構15、31層10 a重現期風荷載時程曲線Fig.5 Time-history curves of wind loads of a return period for 10 years on the 15th and 31st floor of the structure

3 計算結果分析

3.1 10 a重現期風荷載TMD減振分析

景觀塔平面呈圓形,各向反應規(guī)律相近,以X向計算結果進行分析。10 a重現期脈動風作用下,有、無控結構各層的最大位移和最大加速度如圖6所示。可以看出:有控結構各層的最大位移和加速度明顯小于無控結構,減小幅度隨樓層數的增加而增大。在頂層,無控結構最大位移和加速度分別為89.5 mm和98.3 mm/s2,有控結構分別為62.0 mm和57.4 mm/s2,減小幅度分別為30.7%和41.6%。

10 a重現期橫風作用下,有、無控結構各層的最大位移和最大加速度如圖7所示?？梢钥闯?有控結構各層的最大位移和加速度明顯小于無控結構,減小幅度隨樓層數的增加而增大。在頂層,無控結構最大位移和加速度分別為153.9 mm和87.1 mm/s2,有控結構分別為120.6 mm和41.9 mm/s2,減小幅度分別為21.6%和51.9%?？梢娫O置TMD后,結構在10 a重現期風作用下的風振響應明顯減小,樓層位移和樓層加速度最大減幅分別為30.7%和51.9%,對加速度控制的效率優(yōu)于位移控制。

a—位移; b—加速度?！锌亟Y構; ---無控結構。圖6 10 a重現期脈動風作用下樓層最大響應Fig.6 The maximum responses of stories under fluctuating wind loads of a return period for 10 years

10 a重現期風荷載作用下,結構頂點加速度時程曲線如圖8所示?？梢钥闯?無控結構順、橫風向頂點加速度最大值分別為101.8,94.9 mm/s2,在JGJ3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[17]中不舒適程度分類中均屬于十分擾人,有控結構分別為59.9,44.4 mm/s2,分別減小41.2%和53.2%,不舒適程度分類中順風向屬于十分擾人,橫風向屬于擾人。可見,TMD在10 a重現期風荷載的作用下全程發(fā)揮減振作用,橫風向減振效率高于順風向,設置TMD能有效提高結構舒適度。

a—位移; b—加速度?！锌亟Y構; ---無控結構。圖7 10 a重現期橫風下樓層最大響應Fig.7 The maximum responses of stories under transverse wind loads of a return period for 10 years

a—順風向; b—橫風向。 —有控結構; ---無控結構。圖8 10 a重現期風荷載作用下結構頂點加速度時程曲線Fig.8 Time-history curves of structural vertex acceleration under wind loads of a return period for 10 years

為進一步了解TMD耗能情況,提取TMD在10 a重現期風荷載作用下的阻尼力-變形滯回曲線,如圖9所示?？梢钥闯?順風向作用下TMD最大位移為125 mm,最大阻尼力為10 kN,橫風向作用下最大位移為178 mm,最大阻尼力為13 kN?？梢?在10 a重現期風荷載作用下,TMD均處于一級阻尼,橫風向作用下耗能能力大于順風向。

a—順風向; b—橫風向。圖9 10 a重現期風荷載作用下TMD阻尼力-變形滯回曲線Fig.9 Hysteretic curves of damping force versus deformation of TMDs under wind loads of a return period for 10 years

a—位移; b—加速度。 —有控結構; ---無控結構。圖10 50 a重現期脈動風下樓層最大響應Fig.10 The maximum responses of stories under fluctuating wind loads of a return period for 50 years

3.2 50 a重現期脈動風作用下TMD減振分析

50 a重現期脈動風作用下,有、無控結構各層的最大位移和加速度如圖10所示。可見:50 a與10 a的脈動風下的結構響應相似,有控結構各層的最大位移和加速度均小于無控結構,減小幅度隨樓層數的增加而增大。在頂層,無控結構最大位移和加速度分別為252.5 mm和162.3 mm/s2,有控結構分別為184.4 mm和91.3 mm/s2,減小幅度分別為27.0%和43.7%。

50 a重現期橫風作用下,有、無控結構各層的最大位移和加速度如圖11所示?？梢?50 a與10 a橫風作用下結構的響應相似,有控結構各層的最大位移和加速度明顯小于無控結構,減小幅度隨樓層數的增加而增大。在頂層,無控結構最大位移和加速度分別為154.0 mm和158.4 mm/s2,有控結構分別為97.4 mm和88.0 mm/s2,減小幅度分別為36.8%和44.4%。設置TMD后,明顯減小了結構在50 a重現期風作用下的風振響應,樓層位移和樓層加速度最大減幅分別為36.8%和44.4%,對加速度控制的效率優(yōu)于位移控制。

50 a重現期風荷載作用下,結構頂點加速度時程曲線如圖12所示。可見:無控結構順、橫風向頂點加速度最大值分別為169.7,164.6 mm/s2,在JGJ3—2010不舒適程度分類中屬于不能忍受,有控結構分別為95.1,91.9 mm/s2,分別減小44.0%和44.2%,不舒適程度分類中屬于十分擾人?？梢?TMD在50 a風作用下全程發(fā)揮減振作用,橫風向減振效率高于順風向,設置TMD能有效提高結構舒適度。

a—位移; b—加速度。—有控結構; ---無控結構。圖11 50 a重現期橫風下樓層最大響應Fig.11 The maximum responses of stories under transverse wind loads of a return period for 50 years

a—順風向; b—橫風向。—有控結構; ---無控結構。圖12 50 a重現期風荷載作用下結構頂點加速度時程曲線Fig.12 Time-history curves of structural vertex acceleration under wind loads of a return period for 50 years

50 a重現期風荷載作用下TMD的阻尼力-變形滯回曲線如圖13所示?？梢?順風向作用下TMD最大行程為280 mm,變形在超過200 mm后進入二級阻尼,此時滯回曲線發(fā)生明顯突變,最大阻尼力為40 kN,橫風向作用下最大位移為195 mm,未進入二級阻尼階段,最大阻尼力為15 kN。可見,50 a重現期風荷載作用下TMD順風向耗能能力明顯大于橫風向。

a—順風向; b—橫風向。圖13 50 a重現期風荷載作用下TMD阻尼力-變形滯回曲線Fig.13 Hysteretic curves of damping force versus deformation of TMDs under wind loads of a return period for 50 years

a—位移; b—加速度?！锌亟Y構; ---無控結構。圖14 100 a重現期脈動風下樓層最大響應Fig.14 The maximum responses of stories under fluctuating wind loads of a return period for 100 years

3.3 100 a重現期脈動風作用下TMD減振分析

100 a重現期脈動風作用下,有、無控結構和控結構各層的最大位移和加速度如圖14所示?？梢?與10,50 a脈動風下的結構響應風作用下相似,100 a脈動有控結構各層的最大位移和加速度均小于無控結構,減小幅度隨樓層數的增加而增大。在頂層,有、無控結構最大位移和加速度分別為219.9,328.7 mm和110.4,220.2 mm/s2,較無控結構,有控結構減小幅度分別為33.1%和49.9%。

100 a重現期橫風作用下,有、無控結構各層的最大位移和加速度如圖15所示?？梢?與10,50 a重現期風荷載作用下的相似,100 a重現期風荷載作用下,有控結構各層的最大位移和加速度明顯小于無控結構,減小幅度隨樓層數的增加而增大。在頂層,無控結構最大位移和加速度分別為165.9 mm和179.3 mm/s2,有控結構分別為116.8 mm和96.9 mm/s2,減小幅度分別為29.6%和46.0%。可見,設置TMD后,明顯減小了結構的風振響應,樓層位移和樓層加速度最大減幅分別為33.1%和49.9%,對加速度控制的效率優(yōu)于位移控制。

a—位移; b—加速度?！锌亟Y構; ---無控結構。圖15 100 a重現期橫風下樓層最大響應Fig.15 The maximum responses of stories under transverse wind loads of a return period for 100 years

100 a重現期風荷載作用下,結構頂點加速度時程曲線如圖16所示?？梢?無控結構順、橫風向加速度最大值分別為227.9,185.2 mm/s2,接近JGJ 3—2010加速度限值250 mm/s2,在不舒適程度分類中屬于不能忍受,有控結構分別為115.8,103.5 mm/s2,分別減小49.2%和44.1%,屬于十分擾人級別?？梢?TMD在100 a重現期橫風作用下全程發(fā)揮減振作用,順風向減振效率高于橫風向,設置TMD能有效提高結構舒適度。

100 a重現期風荷載作用下TMD的阻尼力-變形滯回曲線如圖17所示。可見:TMD最大行程為均超過200 mm,進入二級阻尼。順風向作用下阻尼器最大行程為300 mm,最大阻尼力為55 kN,橫風向作用下最大位移為225 mm,最大阻尼力為21 kN?？梢?00 a重現期風荷載作用下,TMD順風向耗能能力明顯大于橫風向。

a—順風向; b—橫風向?！锌亟Y構; ---無控結構。圖16 100 a重現期風荷載作用下結構頂點加速度時程曲線Fig.16 Time-history curves of structural vertex acceleration under wind loads of a return period for 100 years

a—順風向; b—橫風向。圖17 100 a重現期風荷載作用下TMD阻尼力-變形滯回曲線Fig.17 Hysteretic curves of damping force versus deformation of TMDs under wind loads of a return period for 100 years

4 結束語

1)兩級變阻尼器TMD能有效減小風荷載作用下結構響應,減振效率隨著樓層數的增加而增大。

2)風荷載作用下TMD均未超出最大量程,10 a重現期風荷載作用下處于一級阻尼,50,100 a重現期風荷載作用下二級阻尼發(fā)揮作用。

3)設置TMD能有效提高結構舒適度,TMD對加速度控制的效率高于對位移的控制。

4)10,50,100 a重現期風荷載作用下,設置TMD后結構樓層位移分別最大減小30.7%、36.8%和33.1%,樓層加速度分別最大減小51.9%、44.4%和49.9%,頂點加速度分別最大減小53.2%、44.2%和49.2%。

5)兩級變阻尼器TMD作為一種有效的減振控制裝置,適用于有限位需求的高聳結構風振控制設計。