 Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2013, 2, 162-167 http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2013.22028 Published Online May 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjce.html) Study on Wind-Induced Vibration Control of Mega Super-Tall Building* Dayang W ang School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou Email: wadaya2006@yahoo.com.cn Received: Jan. 24th, 2013; revised: Feb. 20th, 2013; accepted: Mar. 2nd, 2013 Copyright © 2013 Dayang Wang. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: A three-dimensional mega super-tall building model with height of 192 m was built by ANSYS platform. Two kinds of damper equipments (viscous damper and viscoelastic damper) were selected and installed in the building so as to investigate the control effect of the structure in dynamic wind-induced vibration. Totally 27 analysis cases con- sidering different basic wind pressures, wind directions and control equipments were conducted based on the finite ele- ment model of the building and control effect of structural displacement, internal force and top acceleration was studied and discussed in detail. The results show that velocity-dependent dampers can dissipate energy imported by wind, at- tenuate dynamic response, reduce mutation of story-acceleration response and inter-story displacement effectively. The vibration control techn ology provid es a feasib le and effective way of contro lling wind-ind u ced respon ses and safety and comfort of mega super-tall building can be improved and ensured. Keywords: Mega Super-Tall Building; Wind-Induced Vibration Control; Viscous Damper; Viscoelastic Damper; Control Effect 超高层巨型结构风振控制效果研究* 汪大洋 广州大学土木工程学院，广州 Email: wadaya2006@yahoo.com.cn 收稿日期：2013 年1月24 日；修回日期：2013 年2月20 日；录用日期：2013 年3月2日 摘 要：基于大型通用有限元软件 ANSYS 建立了一个 192 m 超高层巨型结构的三维有限元模型，针对无控和 有控(分别设置粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器)两种情况，系统分析了超高层巨型结构在不同风压、风速角和控制装 置等 27 种工况下的振动控制效果，研究了减振控制装置对结构顺风向侧移响应、构件剪力和弯矩响应及顶点峰 值加速度响应的影响。研究结果表明，粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器具有大量耗散风振输入能量、有效衰减结构 动力响应、降低风振作用下结构层加速度和层间侧移沿高度方向突变的能力，能够降低风振作用下结构层加速 度和层间侧移沿高度方向的突变，进而保证超高层巨型结构的安全、舒适使用性能。 关键词：超高巨型层结构；风振控制；粘滞阻尼器；粘弹性阻尼器；减振效果 1. 引言 自美籍华裔学者姚治平将控制技术引入到结构 工程界以来，经过国内外学者三十多年的致力研究， 结构振动控制技术已广泛应用于建筑工程的各个领 域，并取得了卓越的成效，理论和实践研究表明该技 术可有效降低结构在强风荷载下的动力响应，明显提 *资助信息：广东省自然科学基金项目(S2012040007215)，中国博士 后科学基金项目(2012M521604)，广东 省教育厅 科研项目(2012 LYM 0104 ) 。 Copyright © 2013 Hanspub 162  超高层巨型结构风振控制效果研究 高和改善结构的抗风能力和舒适度[1,2]。文献[3]对高耸 结构风振控制的研究现状作了综述，指出了在土木工 程中应用结构控制方法来设计工程结构的广阔前景； 文献[4]通过系统的理论分析和试验研究，指出水箱减 振装置对控制高柔结构的风振反应是最有效的重要 结论；文献[5]应用现代控制论探讨了结构风振振型控 制的一般计算理论及方法，并在此基础上对高层建筑 的几种控制方法提出了其用于风振控制的设计方法， 并将其应用于厦门九州大厦和上海气象塔的抗风设 计；文献[6-9]通过试验进一步探讨了U型水箱用于风 振控制的特点，改进了计算方法，讨论了水箱有关参 数对风振控制效果的影响，取得了良好效果，并对珠 海金山大厦、台湾 T&C Tower大楼、南京电视塔实施 新方式的风振控制设计，取得了良好的效果；文献 [10,11]亦对设置速度相关型阻尼器的高层建筑进行了 减振控制分析研究，验证了减振控制装置对高层结构 风致振动控制的有效性。然而，针对巨型高层建筑结 构风致振动控制方面的研究文献还较为少见，本文针 对某超高层巨型钢结构体系，研究被动控制装置(粘滞 阻尼器和粘弹性阻尼器)对巨型结构风致振动控制的 减振效果，并探讨控制装置对结构位移、加速度和构 件内力的影响规律。 2. 超高层巨型结构有限元模型 2.1. 工程结构概况 某超高层巨型结构总高48 层、192 m，层高均为 4 m，结构平面呈方形，平面尺寸为49 m × 49 m，两 个方向均为 7跨(每跨 7 m)的结构平面布置。结构由 四根环形封闭巨型梁和四根巨型柱组成，巨型梁分别 为位于 12、24、36、和48 层，巨型梁所占高度为一 层楼高；巨型柱分别设置在结构的四个角上。巨型柱、 一般柱均采用箱形截面形式，巨型柱截面尺寸(单位均 为mm)依次为 900 × 900 × 50 × 50 (1~12层)、900 × 900 × 40 × 40 (13~24层)、800 × 800 × 35 × 35 (25~36 层)和700 × 700 × 35 × 35 (37~48层)，一般柱截面尺 寸为 800 × 800 × 40 × 40 (1~24层)、700 × 700 × 30 × 30 (25~48层)；巨型梁、一般梁均采用H型钢截面形 式，巨型梁截面尺寸为800 × 300 × 19 × 35 (1~48层)， 一般梁截面尺寸为700 × 300 × 16 × 28 (1~48层)；结 构中支撑的截面形式同样采用H型截面形式，截面尺 寸均为 300 × 300 × 18 × 18。 2.2. 三维有限元模型建立 模型建立及单元选取是进行结构三维有限元分 析的关键。目前用于结构分析的主要模型是剪切型模 型、弯剪型模型、杆系模型和单柱模型，而杆系模型 能够较好地分析结构的受力和破坏状态。因此，本文 基于大型通用有限元软件 ANSYS 平台，以杆系模型 为基础，引入三维梁单元(梁、柱单元采用BEAM188 和BEAM4 单元)、壳单元(楼板单元采用 SHELL63单 元)和阻尼单元(被动阻尼器采用 COMBIN14 单元)， 对超高层巨型结构进行风致动力响应分析，图1显示 了超高层巨型结构的三维有限元模型。表 1给出了有 限元模型前16 阶自振周期和频率。 Figure 1. Three-dimensional finite element model 图1. 三维有限元模型 Table 1. The former 16 frequencies and periods of model structure 表1. 模型前 16 阶频率和周期 阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 频率 (Hz) 0.2100.2110.2900.660 0.661 0.882 1.2411.242 周期(s) 4.7614.7393.4481.515 1.513 1.134 0.8050.805 阶数 9 10 11 12 13 14 15 16 频率 (Hz) 1.5831.8141.8152.253 2.310 2.709 2.7802.820 周期(s) 0.6320.5510.5510.444 0.433 0.370 0.3600.355 Copyright © 2013 Hanspub 163  超高层巨型结构风振控制效果研究 3. 结构振动控制分析 为探讨超高层巨型结构在风振作用下的减振控 制效果，分别选择粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器对其进 行减振控制研究。粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器属于速 度相关型阻尼器，其在结构微小扰动下即能马上进入 耗能状态，既能耗散外界输入结构中的能量，又可避 免其它耗能器存在的阻尼器初始刚度如何与结构侧 移刚度相匹配的问题。同时，为使对比分析结果具有 参考性，取粘滞阻尼器和粘弹性阻尼器的阻尼系数相 同：Cd = 500 kN·s/mm，阻尼器数量也相同(即提供给 结构的总阻尼相同，∑Cd不变)，粘弹阻尼器的刚度 系数为 Kd = 440 kN/mm。阻尼器分别在普通层Ⅰ、Ⅱ 和Ⅲ沿 Y轴方向在①、④、⑤、⑧轴线的 B-C、D-E 和E-F 的跨间设置，阻尼器以斜撑方式在层间布置。 表2给出了开展结构风致振动控制分析的 27 个工况 组合。 4. 结构减振控制效果研究 4.1. 结构侧向位移响应 图2为结构中设置与未设置速度相关型阻尼器时 的层间侧移图，表3显示了不同工况下结构顶点侧移 和最大层间侧移对比。由图2、表 3可知，速度相关 型阻尼器可有效降低结构在各种风荷载作用下的层 侧移和层间侧移反应，如工况“0.72˚~30˚”，无控情 况下的顶层质心侧移为 442 mm，设置粘滞阻尼器时 为248 mm，粘弹性阻尼器时为 189 mm，顶层侧移分 别减小 44%和57%；在 ∑ Cd相同的条件下，设置粘弹 性阻尼器所减小的层侧移和层间侧移要大于粘滞阻 尼器的情况，其原因在于粘弹性阻尼器不仅附加给结 构一定的阻尼，还附加刚度，二者均对结构的侧向变 形起抑制作用，从而使得结构的侧向变形减小；在三 道巨型梁设置处，由于其所在层的层间刚度大大增 Table 2. Analysis cases 表2. 工况分析 工况组合 ①无控 ②粘滞阻尼控制 ③粘弹性阻尼控制 基本风压 (kN/m2) 0.5 0.72 1.48 风速角(˚) 0 30 45 0 30 45 0 3045 0 1224364 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8 层间侧移(mm) 层号 无控-28.3-0 粘滞-28.3-0 粘弹-28.3-0 0 1224364 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8 层间侧移(m) 层号 无控-28.3-30 粘滞-28.3-30 粘弹-28.3-30 Figure 2. Structure inter-story displacement 图2. 结构层间侧移图 Table 3. Roof and maximum inter-story displacement of model in different cases 表3. 结构在各工况下的顶点侧移和最大层间侧移 顶点峰值侧移(mm) 最大层间侧移(mm) 基本 风压 风速角 无控 粘滞 粘弹 无控 粘滞 粘弹 0 350 225 144 9.9 6.2 4.8 30 308 195 108 8.7 5.4 3.1 0.5 45 178 133 78 4.9 3.6 2.2 0 520 322 225 14.6 8.8 7.5 30 442 249 189 12.4 6.8 6.3 0.72 45 235 176 106 6.6 4.9 3.1 0 840 671 380 23.6 18.5 11 30 800 510 318 22.4 14.2 10.5 1.48 45 481 312 198 13.5 8.6 6.6 加，从而造成结构的侧向变形发生突变，而设置粘弹 性阻尼器时发生突变的程度小于粘滞阻尼器的情况， 其原因在于粘弹性阻尼器的附加刚度减小了一般层 的层间抗侧刚度与巨型梁所在层抗侧刚度之间的差 距，从而缩减巨型梁处侧向变形的突变程度。此外， 由于结构在第36~48 层之间没有设置粘弹阻尼器，因 而造成该区段结构侧移的增大和突变。 Copyright © 2013 Hanspub 164  超高层巨型结构风振控制效果研究 Copyright © 2013 Hanspub 165 4.2. 结构内力响应 且随着风速角的增大，柱内力也呈现逐渐下降的变化 规律，说明结构中设置的阻尼器能有效耗散风振能 量，减小结构构件变形；虽然结构中所设置阻尼器的 ∑Cd相同，但是由于粘弹性阻尼器在附加阻尼的同时 也附加刚度，因而使得设置粘弹性阻尼器时的柱剪力 图3为三种风压强度水准作用下，一般柱 z1 和 巨型柱 z3 在各工况下的最大剪力和最大弯矩图。 由图可见：与未设置速度相关型阻尼器的工况相 比，设置阻尼器后柱的最大剪力和弯矩明显减小，而 012243648 -400 -200 0 200 400 600 0122436 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 48 z1剪力(kN) 层号 无控-0.5-0° 粘滞-0.5-0° 粘弹-0.5-0° z1弯矩(kN.m) 层号 无控-0.5-0° 粘滞-0.5-0° 粘弹-0.5-0° 0 12243648 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 0 1224364 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 8 z1剪力(kN) 层号 无控-0.72-30° 粘滞-0.72-30° 粘弹-0.72-30° z1弯矩(kN.m) 层号 无控-0.72-30° 粘滞-0.72-30° 粘弹-0.72-30° 0 12243648 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 0 1224364 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 8 z3剪力(kN) 层号 无控-0.72-45° 粘滞-0.72-45° 粘弹-0.72-45° 无控-0.72-45° 粘滞-0.72-45° 粘弹-0.72-45° z3弯矩(kN.m) 层号 012243648 -600 -400 -200 0 200 400 0 1224364 -1000 -500 0 500 1000 1500 8 z3剪力(kN) 层号 无控-1.48-45° 粘滞-1.48-45° 粘弹-1.48-45° 无控-1.48-45° 粘滞-1.48-45° 粘弹-1.48-45° z3弯矩(kN.m) 层号 Figure 3. Maximum shear force and moments of column z1/z3 图3. 柱z1/z3 最大剪力和弯矩图  超高层巨型结构风振控制效果研究 弯矩要明显小于设置粘滞阻尼器的情况， 4.3. 图4为结构在不同风压下，顶层质心加速度时程 图， 0.236 m/s2，峰值加速度分别下降63.8% able 4. Roof absolute maximum acceleration of model in differ e nt 峰值加速度(m/s ) 和且在巨型 0.229 m/s2和 梁设置处的柱弯矩和剪力突变减小；一般柱(z1)和巨 型柱(z3)的剪力和弯矩虽具有相似的变化规律，但速 度相关型阻尼器对其内力变化的影响程度有明显差 别，对前者的影响要小于后者：如工况“1.48˚~45˚”， z1 在无控、粘滞和粘弹三种情况下的剪力分别为 775.34 kN、547.17 kN、380.05 kN，剪力相对于无控 情况分别下降 29.4%和51% ，弯矩分别为 3137.03 kN·m、2169.72 kN·m、1304.83 kN·m，分别下降30.8% 和58.4%；而z3 的剪力分别为 323.77 kN、239.22 kN、 204.58 kN，分别下降 26.1%和36.8%，弯矩分别为 1487.85 kN·m、1033.26 kN·m、706.08 kN·m，分别下 降30.6%和52.5%。 结构顶点峰值加速度响应 表4为各工况下顶层质心峰值绝对加速度值。由 图、表可知：速度相关型阻尼器对结构顶层质心加速 度时程具有显著的抑制作用，有效控制结构的风振加 速度响应。如工况“0.72˚~30˚”，在无控、粘滞和粘 弹三种情况下的峰值绝对加速度分别为 0.633 m/s2、 和62.7%；不论结构种设置或未设置速度相关型阻尼 器，在基本风压相同的情况下结构顶层质心加速度时 程随着风速角的增大而减小，在风速角相同的情况下 结构顶层质心加速度时程随着基本风压的增大而增 大。 Tcases 表4. 结构在各工况下的顶层质心峰值加速度 2 基本 风速角 无控 粘弹 风压 粘滞 0 0.523 0.237 0.249 30 0.391 0.203 0.218 0.5 0.72 1.48 45 0.254 0.151 0.158 0 0.730 0.240 0.248 30 0.633 0.229 0.236 45 0.349 0.220 0.232 0 1.05 0.289 0.291 30 1.09 0.286 0.289 45 0.619 0.266 0.281 020406080100 120 140 160180 20 0 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 020406080100 120 140 160 180 200 -0.4 -0.2 0. 0 0. 2 0. 4 020406080100 120 140 160 180 200 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 无控-0.5-45° 粘滞-0.5-45° 粘弹-0.5-45° 无控-0.5-30° 粘滞-0.5-30° 粘弹-0.5-30° 峰值加速度(m/s2) 时间(s) 无控-0.5-0° 粘滞-0.5-0° 粘弹-0.5-0° 峰值加速度(m/s2) 时间(s) 峰值加速度(m/s2) 时间(s) Figure 4. Roof acceleration time series of model in different cases 图4. 结构在各工况下的顶层质心加速度时程 Copyright © 2013 Hanspub 166  超高层巨型结构风振控制效果研究 5. 结论 对一超高层巨型结构，采用ANSYS 对不 同参数条件下的 27 组工况进行了风振控 分析与研究。速度相关型阻尼器对于抑制 型 结构的风致振动响应是行之有效的，不仅具有大量 散风振输入结构的能量、有效衰减结构动力响应、降 低风振作用下结构层加速度和层间侧移沿高度方向 突变的能力，进而提高结构的安全、舒适使用性能 而且在一定程度上可减少巨型梁所在位置结构层间 变形的突变程度，使结构动力响应沿高度方向的变化 趋于一致。 参考文献 (References) ls for controlling wind-induced ong: The University of Hong Unified dynamic absorber design for- -induced vibration control of tall buildings. The 报 : 3-11. 0(2): 85-92. -21. 本文针 制动力响 超高层巨 应[4 耗连 ；[7 [1] N. Yeung. Viscous-damping wal vibrations in buildinds. Hong K Kong, 2000. [2] K. C. Chang, W. L. Qu. mulas for wind Structural Design of Tall Buildings, 1988, 7(2): 147-166. [3] 王光远. 高耸结构风振的控制[J]. 石油建筑 设计 , 1981, 2: 5-11. 张敏证 王君杰. 建筑结构的振 控制研究——水] , 动 箱减振装 置的数值分析[A]. 第三届全国地震工程会议论文集[C]. 大 : 大连立功大学出版社, 1990: 112-117. [5] 翟伟廉. 高层建筑和高耸结构的风振控制设计[M]. 武汉: 武 汉测绘科技大学出版社, 1991. [6] 瞿伟廉, 李肇胤, 李桂青. 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