深圳京基金融中心风振响应及控制研究

深圳京基金融中心风振响应及控制研究

0结构体系设计上层建筑的结构体系相对简单，周期长。建筑对风负荷的动力放大非常有效。通常，风控主要用于风控。在强风的作用下，结构可能超过标准，甚至损坏结构和相关部件，并受到建筑物的形状和环境的影响。风振响应通常以共振响应为主。高层建筑水平方向的位移响应和加速度响应通常大于垂直方向，水平方向的影响应该显著。在结构设计中，应充分考虑横向风的影响。深圳京基金融中心主塔楼高439m,超过规范限值180m,为超B类建筑。结构高宽比9.5。结构采用三重抗侧力体系抵抗水平荷载,由钢筋混凝土核心筒(内含钢柱)、巨型钢斜支撑框架及构成核心筒和巨型型钢混凝土柱之间联系的伸臂桁架及腰桁架组成。由于结构超高,体型复杂且深圳地处台风多发区,风力对结构作用效应较大。文献,风洞试验结果显示,该结构横风向效应显著,风激励下结构加速度值较大,与规范较为接近,需采取进一步措施以改善结构的舒适度。基于此,本文根据京基金融中心风洞试验结果,分析了结构的加速度响应,提出了AMD振动控制策略,选取了最不利横风向荷载作为结构的激励荷载,对结构在AMD振动控制下的效果进行了评价,并得到了AMD控制器的可实现参数,为控制器的具体实施提供了依据。1风洞试验和风振分析报告超高层建筑在风力作用下除产生顺风向风振外,其横风向也将发生风振,对于高宽比大于4的高层建筑,其横风向风振响应通常大于顺风向响应,甚至达到顺风向响应的几倍数值,成为结构设计的控制性因素。由结构三维有限元模型动力特性分析可知,结构前二阶振型分别是X向一阶平动和Y向一阶平动,对应的周期分别为7.54s和7.19s。结构在两个方向上的第一周期较为接近,结构在二个方向的主周期均较柔,属于双向风敏感结构。因此需要依据风洞试验以确定结构在不同风攻角下结构双向加速度响应。京基金融中心风洞试验在汕头大学风洞试验室进行,该结构计算楼层和基础风荷载的参考坐标系及坐标系原点(即合力简化中心)见图1。坐标系原点位于地面零标高处。该图同时也是测压试验坐标系,风向角β为零度时是初始方位,当风向角β增大时,风的来流方向按逆时针旋转。采用同步多点压力扫描系统以10°为间隔测出36个风向角下结构响应。根据京基金融中心风洞试验和风振分析报告,在不同风攻角下结构94层(酒店层顶部)在X向和Y向的加速度峰值见图2。风攻角0°方向为结构X向。结构在X向风攻角作用时,即风攻角为0°,180°,350°激励下,结构总的加速度响应均较大,结构总加速度在两个方向的分量中,顺风向X向的加速度峰值较小,横风向Y向的加速度响应峰值较大。结构在Y向风攻角作用时,即风攻角为90°,270°时,结构总的加速度响应均较小,结构总加速度在二个方向的分量中,顺风向Y向的加速度峰值较小,横风向X向的加速度响应峰值较大。可见,结构在强弱轴风攻角作用下,均是结构的横风向加速度响应大于结构顺风向的加速度响应。故该结构横风向风振效应显著,且结构在Y向加速度响应较大,加速度峰值最大为23.43cm/s2,接近规范中的限值标准,需要采用措施控制结构Y向响应;结构在X向的加速度响应较小,在所有风攻角风激励下,其X向加速度峰值仅为0.12m/s2,结构自身特性已能满足舒适度要求,不需要采取措施。鉴于上述结构在不同风激励下加速度响应分析结果,舒适度由结构Y向振动控制,故只需对结构Y向风振加速度响应进行减振控制。深圳地区风向风玫瑰图见图3所示。深圳主导风向主要为67.5°和337.5°。图4为风洞试验室测压试验模型鸟瞰图。依据风洞报告结果,该结构在350°处的加速度响应最大,与深圳主导风向337.5°较为接近;结构在与主导风向接近的70°风攻角作用时,其加速度响应较小。在350°风攻角作用时,结构整体X风和Y风脉动风荷载峰值曲线见图5。由图5可见,结构上部风荷载值要大于下部结构风荷载,结构顶部遮罩处风荷载较大,结构在顺风向的风荷载峰值要小于结构横风向的荷载峰值,故结构在Y向的加速度响应要大于结构X向的加速度响应。结构酒店层顶部Y向风荷载时程如图6所示。风攻角为350°时,结构主要楼层风荷载功率谱密度曲线分别如图7和图8所示。结构Y向风荷载功率谱密度均大于结构X向风荷载功率谱,可见横风向的风荷载能量更大。深圳地王大厦总高389m,主楼高324m,风洞试验模型中处于京基金融中心约350°方向,而该结构横风向加速度响应峰值最大的风攻角也为350°,这表明结构最大加速度响应与地王大厦的尾流涡脱频率有关。京基金融中心75层的结构高度约为324m,与地王大厦实际高度相当,故选取结构75层上下楼层风荷载进行谱分析。结构70层,80层和90层风荷载功率谱密度对比见图9。结构70层和60层(图7)功率谱曲线峰值对应的频率均约为10.1s,而高于地王大厦的结构80层和90层的风荷载功率谱曲线峰值均不对应10.1s。这表明地王大厦涡脱频率约为10.1s,结构的横风向响应受到了该涡脱频率的影响,这与文献的分析结论是一致的。在此,选取该最不利风攻角风荷载进行振动控制分析。2控制装置设计要求我们提出采用主动质量阻尼器(ActiveMassDamper-AMD)对京基金融中心进行Y向加速度减振控制,以改善该结构的舒适度。主动质量阻尼器(AMD)系统示意如图10所示。它仅仅通过一个作动器将主结构和质量联系起来,表面上看似乎没有被动恢复力和阻尼力作用在系统上,仅仅通过一个外部控制力作用完成,但恢复力和阻尼力是通过控制器的状态反馈来实现。对大量的应用情况调查显示,主动控制质量阻尼器主要在高楼、高塔中应用。理论上,AMD的减振频带最宽,减振控制效果也最好,在不考虑外部条件情况下可以将结构的响应控制到无穷小,但相应地需付出较大的代价。由于需要较大的主动控制力来实现,考虑到控制硬件支持及外部能源的可靠性和结构空间限制等方面的制约,在实际工程应用中应根据业主目标要求有选择的设计主动控制器。极点配置控制算法具有算法简单、作用机理清晰和控制效果好等优点,可以权衡控制效果、行程、控制力,选出合适的控制系统。京基金融中心的降阶模型自由度仍然较多,如果对每阶振型都采取控制,将导致控制力过大。京基金融中心的前三阶振型质量参与系数分别为55.6%、19.2%、5.0%,该结构前三阶振型质量参与系数和达到了79.8%,因此该结构采用极点配置算法时,控制结构前三阶振型就能保证控制效果。AMD的期望极点采用临界阻尼比。AMD惯性质量块400t时极点配置算法对控制结构阻尼比的影响见表1所示,极点配置算法能按期望控制目标要求增加结构阻尼。在高柔结构中高阶振型对加速度有较大的影响,由于土木结构复杂性,采取LQR控制时,选取合理的权矩阵来达到期望的结构特性困难较大,而采用极点配置能较快地满足控制目标要求。考虑到工程的实际空间情况及AMD控制器出力限制要求,AMD控制装置需满足如下两个前提条件:1)AMD行程最大为2m;2)控制器最大出力为600kN,若控制器计算出力超过600kN,则实际作用出力取为600kN。但控制器在运行过程中,不能均以最大出力运行,满负荷运行将使控制器失效。3结构加速度响应和装置质量比较文献中主要对顺风向下的减振控制效果进行了分析。本节主要以上述极点配置控制算法和相同的算法参数来分析横风向激励下京基金融中心AMD振动控制效果。考虑控制装置的质量效应,分别取装置的质量为400t,500t,600t进行分析。在风攻角为350°时,结构在十年一遇风荷载作用下结构的横风向响应及AMD振动控制效果见表2。结构酒店顶层接近规范限值标准,但结构酒店以上餐厅层及遮罩楼层均超过了规范限值0.25m/s2的标准。在采取AMD振动控制措施以后,结构的位移和加速度响应能得到较好地控制,其中位移峰值的控制效果约为30%,加速度峰值控制效果约为40%。针对京基金融中心结构加速度响应中高阶振型效应明显,在极点配置控制算法中提高了结构第二、三阶振型的阻尼比,故结构加速度峰值和均方值的控制效果要好于结构位移的峰值和均方值控制效果。装置的质量较大时,其控制效果越好,每增加100T的质量,其控制效果约增加3%。相比于结构顺风向响应控制效果,在相同质量的工况下结构横风向响应控制效果更好于顺风向控制效果,特别是结构加速度峰值控制效果,横风向控制效果比顺风向控制效果好约10%。装置质量为400T时结构酒店层顶部楼层位移和加速度控制前后时程响应对比见图11。装置质量为400T时装置的位移响应时程和驱动力时程响应见图12。由装置位移响应时程图可知,装置的位移只有少数点超过了2m。驱动力峰值也只有少数点达到了饱和限值点。这表明装置的位移和驱动力均在可实现范围内。图13为原结构与AMD控制后结构整体位移和加速度响应峰值对比,结构整体各楼层的位移峰值和加速度峰值均能得到较好的控制。4横风向激励下的废水处理系统本文对横风向激励下京基金融中心舒适度控制进行了分析,主要结论有:(1)结构加速度分析结果表明,结构横风向效应显著,结构Y向(短边方向)加速度响应较大,故AMD系统只需控制结