[发明专利]一种基于仿生学的模块化气动减阻装置及高层建筑

说明书

本发明公开了一种基于仿生学的模块化气动减阻装置及高层建筑，减阻装置包括网架结构和附着于网架结构上的叶片，所述网架结构为刚性材料，所述叶片都为柔性材料，所述网架结构的各个网格中都活动安装有所述叶片，所述叶片的尺寸与所述各个网格大小相适应。每一叶片均可独立变形、振动，可在不同风的作用下适应性地改变气动外形，实现在各种情况下的降低风阻，同时允许叶片振动，能够在降阻的同时耗能，进一步减小高层建筑的风致振动。

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，具体来说，涉及一种应用在建筑上的模块化气动减阻装置。

背景技术

近百年来，建筑物高度的世界纪录屡次被刷新，除去使用功能，高层建筑或也成为工业文明的象征符号和现代化都市的地标，因而越来越多的高层建筑被设计建造。而风引起的建筑结构静动力响应也需要引起重视并努力控制。

大气边界层中的自然风均有脉动风成分，脉动风可认为是由不同尺度的旋涡随机组合形成，由于建筑物结构固有频率一般较高，远超大尺度旋涡的频率，因此大尺度旋涡不会引发建筑物共振响应，反而是出现几率更高的小尺度旋涡由于频率较高，可能与建筑物的基频相近而产生共振响应。建筑物顺风向结构响应主要是在动态风荷载作用下发生的抖振响应，大多数建筑物除顺风向振动外，还会产生扭转振动，且扭转结构响应常与顺风向结构响应耦合。

当气流流经建筑物时，由于流动分离，旋涡形成及破碎，加上气流的湍流特性，建筑物背风区产生的尾流呈现不同程度周期性，从具有单一频率的周期性变化到完全紊乱的湍流。在任一确定时刻，尾流均不对称，此种尾流在建筑物上诱发较大幅度的横风向振动。

当气流渡过圆形截面或方形截面建筑物时会在尾部产生旋涡，如果旋涡从建筑物两侧交替脱落即产生卡门涡街，这时对建筑物作用有交变的周期性激振力，引起结构周期性振动，即为涡激振动。若旋涡脱落频率接近建筑物固有频率，将引起结构较大幅度振动，可能使得高层建筑内人员感到不适。

当流速较高的气流流过非圆形截面的建筑物时还可能引起驰振。这是一种振动频率与建筑物固有频率接近的发散的自激振动，若不加以避免，会导致结构破坏。

目前对高层建筑在风作用下的结构响应控制主要有以下几种方式：

(1)气动外形修正。通过修正横截面层次的几何结构以减少阻力或改变旋涡分离点，亦可在纵剖面(高层建筑的高度方向上)进行修正以打破旋涡同步性，从而减少旋涡脱落荷载。

(2)设置惯性阻尼器。利用惯性作用减振，通过建筑物与阻尼器质量之间的动态交互作用以修正建筑频率响应，为建筑物提供额外阻尼。惯性阻尼器包括调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、缓冲器、主动/半主动和混合质量阻尼器。

(3)设置黏滞液体阻尼器。利用高黏性材料在结构发生动力响应时产生与主体速度成正比的抵抗力，该抗力与主体结构运动方向相反，从而控制风致振动。黏滞液体阻尼器包括油阻尼器、阻尼墙、电流变和磁流变阻尼器等。

(4)设置黏弹性阻尼器。一些高分子材料具有黏性特征，当受到切变时可通过热损失来消散能量，利用此性能的阻尼器能够减少动态结构响应的振幅及减少风力作用下的加速度级别。

现有技术中一种减阻装置是图1所示的一种螺旋结构，在楼主体外侧由上至下制造连续的螺旋导风檐，在较大程度上减小风流在楼体主干表面的阻力，保持楼体稳定。

现有技术中，气动外形修正虽然是极为有效的，但对于建筑而言，选择任何开关都是严格考虑美学概念的，若进行气动外形修正，必须在早期设计时就进行并必须满足美学和功能方面的要求，从而大幅提升了难度。惯性阻尼器应用广泛，但主要依靠阻尼器的质量产生减振效果，通常需要在高层建筑的较高处安装质量巨大的阻尼器，既占用空间，又不便安装，还可能存在阻尼器与主体结构连接件疲劳失效的问题。黏滞液体阻尼器效果不俗，也不需要极大的质量，但造价高昂，且需要分布在整个结构的支撑系统中、施工复杂，其中有部分类别的阻尼器还需要主动或半主动控制，在极端天气下可能存在因断电而效果减弱甚至失效的隐患。