[发明专利]基于模态互干扰原理的高层建筑抗风结构体系优化方法

说明书

能够在不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的一种基于模态互干扰原理的高层建筑抗风结构体系优化方法，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。本发明适用于高层建筑建构设计。

技术领域

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。