基于模态互干扰原理的高层建筑抗风结构体系优化方法与流程

本发明涉及超高层建筑物的结构设计。

背景技术：

高层建筑结构设计中需要确保在设计回归期的极端风情况下结构系统是安全的，同时需要验算风致结构位移在允许范围内，并且在常遇风(指1年至10年回归期)情况下风致结构振动满足居住舒适度要求。

就高层建筑框架核心筒结构体系来说，目前的设计方法将框架核心筒结构体系设计成与建筑物外形相似的布局，如类似九宫格的核心筒布局。类似矩形的建筑物其核心筒也是类似矩形的。这一体系最重要的特点是：

·建筑物外形具有基本对称的两个正交轴；

·结构刚度系统也具有基本对称的两个正交轴；而且

·建筑物外形的正交对称轴方向与结构刚度系统的正交对称轴方向是基本重合的，如图1所示。

这样设计的高层建筑物在结构动力特性方面具有如下特点：两个最基本的侧移振动模态与结构对称轴方向一致，从而也与建筑不知所措外形对称轴基本一致，如图2所示。图2的示例中第一模态振动沿y方向，第二模态振动沿x方向。

这样设计的高层建筑物在空气动力学特性方面具有如下特点：最不利的风向角与建筑物立面垂直。即当风正对建筑物立面吹来时产生的气动力最大，包括沿顺风方向的阻力和沿横风方向的脉动力，如图3所示。横风方向的脉动力与建筑物两侧有规律的涡旋脱落有关。对超高层建筑物而言，主导结构设计的往往是由横风向脉动力产生的风振结构响应。

上述结构动力学特性与空气动力学特性，导致以下结构风响应的特点：最不利的横风向气动力激发了沿横风向的单个振动模态。并且在风速接近涡激临界风速时出现“涡脱锁定”现象，进而产生过大的风致结构振动和风荷载。这是许多超高层建筑物抗风设计中遇到的主要困难与原因。

对于高度250米以上或者高宽比(建筑物高度/建筑物较窄侧的宽度)为6以上的建筑物，风荷载与风致振动往往成为结构设计中需要重点关注的内容，会极大影响工程造价。因此建筑物抗风优化设计是提高高层建筑物安全性、适用性与经济性的重要组成部分。

建筑物抗风优化设计包括两方面：建筑优化与结构优化。建筑优化指建筑物外形的空气动力学优化。通过改变建筑物外形改善建筑物的空气动力学特性，使得作用在建筑物上的风荷载得以降低，从而达到抗风优化的目的。结构优化是通过提高建筑物的结构静力学或/和结构动力学性能，使得结构系统有能力承担风荷载或/和结构系统在风荷载作用下产生较小的响应，从而达到抗风优化的目的。与建筑优化相比，结构优化的最大优点是一般不需要改变建筑物外形设计，这使得在绝大多数项目设计流程中，结构优化往往比建筑优化更容易被建设方与设计方接受。

目前的结构抗风优化主要采取两条途径：其一是增强结构刚度，其二是提高结构的耗能特性。

通过增强结构刚度，不但使得在同样荷载作用下结构位移降低，更重要的是通过结构固有频率的相应提高使得风致共振响应降低，从而减少风荷载中关键的动力荷载分量。增强结构刚度这一途径的缺点主要在于会带来工程成本的明显提高，这是因为结构刚度的增强有赖于主要结构构件尺寸或/和数量的增加，从而带来材料费用与施工工时的增加。此外过于庞大的结构构件有可能对建筑物使用带来不利影响。

在提高结构的耗能特性方面，目前主要采用设置外部阻尼器的方法，通过减小结构动力响应的途径达到减低风致振动与风荷载的目的。这一方法同样存在增加工程造价的问题。对某些阻尼器类型(例如质量阻尼器)还存在可靠性问题，所以在工程实践中外部阻尼器往往仅用于提高居住舒适性而不用于减低结构设计风荷载。

由于目前结构抗风优化的这两条途径都涉及到工程造价的明显增加，在实际工程实践中就存在一个投入与产出之间综合平衡的问题。这构成了目前结构抗风优化的主要挑战。

本发明给出一种新的结构抗风优化方法，其特点是基于模态互干扰原理，通过优化结构刚度系统的布局，使得结构的模态振动方向与建筑物最不利的气动力作用方向不一致，这样在最不利的气动力作用下将出现多模态振动现象，而不是传统结构设计可能导致的单个模态振动。这些参与振动的多模态之间具有足够分离的固有频率，可形成对涡激共振的互相干扰，从而达到降低风致结构振动的目的。本发明的结构优化方法不依赖于结构刚度的提高，因此具有节材方面明显的经济优势。

技术实现要素：

本发明要解决上述现有技术中高层建筑结构体系最不利的横风向气动力激发沿横风向的单个振动模态，进而产生过大的风致结构振动和风荷载所导致的建筑物安全问题，为此提供一种基于模态互干扰原理的高层建筑结构抗风优化方法，本方法能够在不增加或较少增加结构刚度的前提下明显减低风致结构振动及其风荷载。主要适用范围是最常见的框架核心筒结构体系，但其它结构体系也可参照本发明的基本思路。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案其特殊之处是将所述结构体系的对称轴方向设定为偏离所述建筑外形的风敏感方向，使横风向荷载作用下高层建筑的振动包含至少两个不同频率的振动模态。

所述结构体系为矩形或类似矩形的框架核心筒结构体系的，所述对称轴方向设定为偏离所述建筑外形的风敏感方向是指偏离至与所述建筑对角线方向一致；并且所述结构体系的两个水平振动方向的基本模态的频率比不小于1.05。

本发明高层建筑抗风结构体系优化方法，其原理是在沿建筑物最不利的气动力作用方向，将结构体系设计成具有多模态耦合振动的特性。这样当结构受到沿这一方向气动力作用时，将会激发出多模态振动，而且各模态振动之间还将相互干扰，从而避免由单一模态产生的“涡脱锁定”与涡激共振现象。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为现有技术中的框架核心筒结构体系的典型布置示图；

图2a为图1所示结构体系基本模态沿y方向振动示意图；

图2b为图1所示结构体系基本模态沿x方向振动示意图；

图3表示在建筑物上的风荷载作用方向；

图4表示矩形建筑物对风效应最敏感的风向，箭头表示风向；

图5为本发明所致结构体系模态振动方向偏离最敏感风向示意图，①为第一模态振动方向，②为第二模态振动方向；

图6a1为传统结构体系对称状态示意图；

图6a2为传统结构体系最敏感风向振动轨迹示意图；

图6b1本发明所致结构体系对称状态示意图；

图6b2为本发明所致结构体系最敏感风向振动轨迹示意图；

图7为一超高层建筑物外形与若干高度水平截面示意图；

图8为图7所示超高层建筑物按传统方法设计的结构体系布局示意图；

图9为图7所示超高层建筑物按本发明方法设计的结构体系布局示意图；

图10为图7超高层建筑物设计风速下传统方法设计与本发明方法设计的楼顶峰值加速度包络(单位：g)

具体实施方式

本发明基于模态互干扰原理的高层建筑抗风结构体系优化方法，具体可以通过旋转结构体系的对称轴方向，将结构体系的对称轴方向设为尽可能偏离建筑物风效应最敏感的方向。矩形或类似形状建筑物对风最敏感的方向一般沿立面的法线方向，如图4所示。而最不敏感的方向往往沿建筑物的对角线方向。因此结构体系的对称轴方向可以设计成沿建筑物的对角线方向，如图5中①与②所示方向。

根据本发明的研究结果发现：对正方形建筑物，这一结构抗风体系优化方案的最佳基本参数如下所列(参数定义可参见图5)：

(1)建筑物外形对称轴与结构体系对称轴的最佳夹角θ为45°左右。

(2)第二模态频率与第一模态频率之比至少为1.05，建议取值为1.1或更高。

对于矩形或其它建筑物外形，可根据将模态振动方向最大程度偏离最不利气动力作用方向的原则优化结构系统的对称轴方向。第二模态频率与第一模态频率之比的建议值仍应在1.1左右或更高。

根据本发明的研究结果发现：采用传统的结构体系，当风正对建筑物立面吹来时所产生的结构振动轨迹是一个扁长的椭圆，长轴方向与横风向基本一致。而采用本发明的结构抗风优化体系，当风正对建筑物立面吹来时所产生结构振动轨迹的长轴方向则明显偏离横风向，长轴的幅度大大减少，长轴与短轴的比例也较为接近，代表相应的振动幅度最大值将明显小于传统结构体系的情况。图6a2、b2所示为根据气动弹性模型的风洞试验得到的加速度振动轨迹。

根据本发明的研究结果发现：采用本发明的结构抗风优化体系后，虽然也能出现单模态的横风向振动，但所对应的风向角是沿建筑物的对角线方向，而不是正对建筑物立面的风向。所以从风效应的角度考虑，建筑空气动力学外形已经从传统的正方形(或矩形)变成了菱形。显然菱形远比矩形有利于抗风，所以这类横风向风振一般不构成结构设计的难点。

根据本发明的研究结果发现：在结构刚度基本相同的前提下，采用本发明结构抗风优化体系可以降低风振加速度10％～30％，而且横风向风振问题越是严重，其优化效率越高。在降低结构设计风荷载方面，其效率与动态惯性荷载的占比有关。横风向荷载占比越大，这一抗风优化体系的减载效率越高。

对给定建筑物外形，首先确定对风效应最敏感的风向(即会导致最大风荷载的风向)以及在该风向下的风荷载作用方向。对外形简单的建筑物(例如矩形)可以根据经验判断。对外形比较复杂的建筑物，则可借助风洞模型试验确定敏感的风向角及其风荷载作用方向。

确定结构体系的朝向。基于模态互干扰原理，基本模态的水平振动方向(即振型)应偏离敏感风向角下的风荷载作用方向。对矩形建筑物，可选取基本模态的水平振动方向接近建筑物的对角线方向，并由此确定结构体系的主轴朝向。

根据室内空间的设计要求与建筑物垂直交通的要求，按所需要的结构体系的朝向确定具体的结构布局，包括确定核心筒的形状。

调节核心筒两个对称轴方向的结构刚度差，使得由该结构体系所产生的基本模态不但满足上述的振动方向要求，而且前二阶的模态频率比至少为1.05(如频率比达到1.1则效果更佳)。

根据该初步设计的结构体系作进一步的风工程研究，以确定可应用于结构设计的风荷载与风振加速度，或作进一步的结构刚度方面的优化研究。

以图7所示的超高层建筑物为例，对本发明的结构抗风优化方法作进一步的说明。该建筑物的设计基本资料如下：

·楼角为弧形的正方形截面超高层，建筑物高度超过500米。

·建筑物底部宽度65米，逐步向上收缩，楼顶部分为45米。

·建筑物的y轴方向为北偏西10度，x轴方向为东偏北10度。

·建筑物的西南至西北方向有较多超高层建筑物，高度在200米至400米不等，其余方向的建筑物高度均在100米以下。

按传统设计方法(原设计)得到的结构体系如图8所示，按本发明的结构抗风优化方法(优化设计)可将结构体系调整为图9的形式。在本实例分析中，假设原设计与优化设计的结构刚度保持相同，这样两者的模态频率也相同。

通过风洞试验与分析，得到在不同风速与风向下建筑物的风振加速度。图10给出在设计风速下原设计与优化设计的楼顶峰值合加速度峰值的包络。可以看出，虽然在个别风向角下(如220°的西南风下)，优化设计的合加速度可能大于原设计，但就决定设计的所有风向下的最大值而言，优化设计的最大值明显小于原设计。最大加速度的折减量达20％。

这一风振响应的折减并没有涉及结构刚度的加强，所以优化成本应该是比较小的。

需要说明的是本实例仅为了说明本发明的应用思路与大致效果。这一发明在实际工程项目中的具体应用需要比上述实例详尽很多，其中需要考虑不同风向角的响应分析、结合风气候资料的统计分析、以及对各种荷载效应的分析等等。