CN104264856A

CN104264856A - 一种超高层建筑混合风振控制系统

Info

Publication number: CN104264856A
Application number: CN201410494968.4A
Authority: CN
Inventors: 丁洁民; 王立林; 郑毅敏; 赵昕; 林祯杉
Original assignee: Architecture Design and Research Institute of Tongji University Group Co Ltd
Current assignee: Architecture Design and Research Institute of Tongji University Group Co Ltd
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: CN104264856B

Abstract

本发明涉及一种超高层建筑混合风振控制系统，包括调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器，所述的调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器均至少设置一个，竖直分布在超高层建筑的若干楼层中，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数被配置为使超高层建筑的位移、速度和加速度达到最小。与现有技术相比，本发明将调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器相结合，充分利用调谐质量阻尼器的高效性和调谐液体阻尼器的经济性，共同减少建筑结构风振响应，提高建筑的抗风振性能，具有安全可靠、低投入、高效率等优点。

Description

一种超高层建筑混合风振控制系统

技术领域

本发明涉及一种建筑用风振控制装置，尤其是涉及一种超高层建筑混合风振控制系统。

背景技术

超高层建筑结构自振周期较长，接近风荷载的卓越周期，属于风敏感结构。由于超高层高、柔的特点，如果设计中风振考虑不足，轻则影响用户正常使用，重则发生工程损伤和破坏，给人们的生命财产带来重大损失。

由于城市建设中节约土地的需求、高强轻质材料的发展、设计与施工技术的提高以及人们对于超高地标性建筑的渴望，超高层建筑越来越多的出现。由于风对结构的作用，超高层建筑设计中需要考虑的问题主要有：

1)防止结构或构件过大的挠度或变形，避免由此引起的外墙、外装饰材料的损坏；

2)避免过大的风振使用户产生不舒适感；

3)避免反复风振动或极端风作用使结构或构件发生损坏。

目前超高层建筑设计中，常通过刚度设计来控制结构的层间位移角，从而有效地防止结构或构件产生过大的挠度或变形。随着业主对居住舒适性要求的提高，超高层建筑结构的风振控制愈发重要。

随着建筑高度的增加，结构的刚度不断下降，由于加速度响应与结构刚度开四次方根成正比，通过提高结构刚度的方式降低加速度响应的效率太低。

对于超高层建筑(高度大于500米)而言，比较有效地改善舒适度的方法是采用附加阻尼器进行振动控制。

目前国内外高层建筑风振控制的实际应用中，较为常见的控制装置大致有以下几种：1、粘弹性阻尼器，2、液体粘滞阻尼器，3、调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)，4、主动调谐质量阻尼器(Active Tuned Mass Damper，ATMD)，5、调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper，TLD)，6、调谐液柱阻尼器(Tuned Liquid ColumnDamper，TLCD)。

在目前常见的几种风振阻尼器中，利用TMD进行结构振动控制是一种高效性的被动控制方法。TMD由质块、弹簧和阻尼系统组成，当结构在外激励作用下产生振动时，带动TMD系统一起振动，TMD系统产生的惯性力反作用到结构上对主结构的振动产生调谐作用，从而达到减小结构振动反应的目的。后来国内外学者针对单个TMD系统的理论和技术方法，提出了多调谐质量阻尼器(Multiple TunedMass Damper，MTMD)，MTMD系统可对受较宽频带的外激励的结构进行振动控制，效果明显。现阶段国内外学者对TMD系统进行了改进和扩展，形成了利用结构内部的设备、装置等作为质量体对结构的振动能量进行消耗，简称ETMD。此系统克服了TMD系统需要增加额外质量的不足，减轻了系统承担的负担，目前该系统主要被应用于海洋平台的振动控制。

在目前常见的几种风振阻尼器中，利用高层建筑中的水箱进行结构振动控制是一种经济性的被动控制方法。目前利用固定水箱进行减振的研究成果主要包括TLD和TLCD。

TLD是一种矩形、圆柱形或圆环形的水箱，利用液体运动时的侧压力提供减振力。TLCD是一种成U型的等截面管状水箱，管道中间安设有一个增加液体运动阻尼的隔板，水箱下部直接固定在结构上，当结构受振时带动水箱内的水晃动，这种晃动所引起的水平惯性力对水箱壁的作用构成了其对结构的激振力，从而减小结构振动。后来有研究人员提出了多调频液柱阻尼器(Multiple Tuned LiquidColumn Damper，MTLCD)，研究结果表明其具有较好的控制效果，但这种风振控制系统的所有水箱均设置在同一楼层。

由于考虑抗震、抗风、经济性以及建筑美观的缘故，超高层建筑的平面通常随着楼层的增高而逐渐缩小。然而，这使得顶部的结构楼层无法设置体积过大的TLCD或MTLCD，从而严重限制了其在工程中的应用。此外，一般高度高层建筑通常只在建筑顶部设置单个消防水箱，随着建筑高度的增加，超高层建筑通常沿建筑高度不同分区设置多个消防水箱。为了充分利用上述特点，有研究人员提出沿竖向分布的多调频液柱阻尼器(Vertical Dimension-Multiple Tuned Liquid ColumnDamper，VD-MTLCD)。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全可靠、低投入、高效率的超高层建筑混合风振控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超高层建筑混合风振控制系统，包括调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器，所述的调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器均至少设置一个，竖直分布在超高层建筑的若干楼层中，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数被配置为使超高层建筑的位移、速度和加速度达到最小。

所述的超高层建筑包括需要进行风振控制的筒体结构体系、伸臂结构体系、巨型结构体系中的一种或多种。

所述的调谐液体阻尼器为具有调谐液体阻尼器功能的消防水箱。

所述的调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数根据以下步骤进行配置：

1)根据超高层结构特点和建筑的给水排水系统设计调谐质量阻尼器和消防水箱的设置位置；

2)设定调谐液体阻尼器的结构参数的初始值；

3)设定调谐质量阻尼器的结构参数的初始值；

4)采用控制变量法，对调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数进行调整，得到使超高层建筑各层的位移、速度和加速度达到最小的结构参数。

所述的调谐液体阻尼器包括TLD或TLCD。

所述的调谐液体阻尼器采用TLCD，为U型等截面管状水箱，其结构参数包括质量比μ₁、频率比f₁、长度系数α₁和隔板阻塞系数ξ₁，所述的调谐质量阻尼器的结构参数包括质量比μ₂、频率比f₂、阻尼比ξ₂。

所述的步骤2)中，质量比的初始值根据给水排水系统确定；频率比的初始值为0.9～1.1；长度系数的初始值为0.8～0.9；隔板阻塞系数初始值通过以下步骤计算：

201)隔板阻塞系数取0～100间的任意值；

202)用式(1)计算TLCD的等效线性阻尼c_d，并代入式(2)，求解消防水箱中液体的位移、速度与加速度的时程和超高层建筑各层的位移、速度与加速度的时程：

c_{d} = \frac{ρA}{2} ξ | \overset{\cdot}{v} | \approx 2 ρA \frac{ξ σ_{\overset{\cdot}{v}}}{\sqrt{2 π}} - - - (1)

[\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & m_{i, i} + m_{d} (1 - α) & . . & {αm}_{d} \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & (α - 1) m_{d} & 0 & m_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{i} \\ . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{d} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & c_{i, i} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & - c_{d} & 0 & c_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{i} \\ . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{d} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & k_{i, i} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & - k_{d} & 0 & k_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ x_{i} \\ . . \\ x_{d} \end{matrix}) = (\begin{matrix} . . \\ F_{i} (t) \\ . . \\ 0 \end{matrix}) - - - (2)

式中，为TLCD中液体速度的标准差，ρ为消防水箱中液中心线的总长度，ξ为隔板阻塞系数，为TLCD中的水相对于消防水箱的速度，A为消防水箱横截面积，α为消防水箱的长度系数，m_d为消防水箱中水的质量，k_d为TLCD的刚度，和x_d为消防水箱中液体相对于地面的位移、速度和加速度，和x_i为超高层建筑第i层相对于地面的加速度、速度和位移，m_i，i、c_i，i、k_i，i分别为超高层建筑第i层的质量、阻尼和刚度矩阵；

203)改变隔板阻塞系数，重复步骤202)，直至超高层建筑各层的位移、速度与加速度的时程达到最小；

204)各TLCD均用步骤201)～步骤203)的方法，确定其隔板阻塞系数。

所述的步骤4)具体为：

401)将各结构参数代入整体风振控制系统的运动方程式(3)中进行计算，得到在设定风荷载作用下TLCD液体的位移、速度与加速度的时程，调谐质量阻尼器的质量块的位移、速度与加速度的时程和超高层建筑各层的位移、速度与加速度的时程；

式中，m_i、c_i、k_i分别为调谐质量阻尼器的质量、阻尼和刚度，和x_i为调谐质量阻尼器相对于地面的位移、速度和加速度；

402)检查消防水箱中液体的时程结果，保证震荡过程中各消防水箱的液柱水面不低于其水平段水面；

403)采用控制变量法，保持调谐质量阻尼器的结构参数不变，TLCD的质量比μ₁、频率比f₁、长度系数α₁和隔板阻塞系数ξ₁四组参数中的三组保持不变，调整一组参数的取值，重复步骤401)、步骤402)，直至超高层建筑的位移、速度和加速度达到最小，获得TLCD的最优结构参数；

404)采用控制变量法，TLCD保持在由403)得到的最优结构参数不变，调谐质量阻尼器的质量比μ₂、频率比f₂、阻尼比ξ₂三组参数中的两组保持不变，调整一组参数的取值，重复步骤401)，直至超高层建筑的位移、速度和加速度达到最小，获得调谐质量阻尼器的最优结构参数。

所述的调谐质量阻尼器设置多个，多个调谐质量阻尼器设置在超高层建筑的同一高度处。

所述的调谐液体阻尼器设置多个，多个调谐液体阻尼器设置在超高层建筑的同一高度处或竖向分布在超高层建筑的多个楼层中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明将调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器相结合，充分利用调谐质量阻尼器的高效性和调谐液体阻尼器的经济性，共同减少建筑结构风振响应，提高建筑的抗风振性能；

2、本发明是一种安全可靠、低投入、高效率的风振控制方法，可以很好地满足工程建筑发展需要，能够更好地适应现代超高层建筑的发展要求。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

其中，(1a)没有设置阻尼器，(1b)仅146层设置TLCD，(1c)仅147层设置TMD，(1d)设置本发明的HTD混合控制；

图2为本发明的一种调谐液体阻尼器示意图；

图3为本发明的调谐液体阻尼器等效线性阻尼迭代求解的流程图；

图4为本发明的结构示意图；

图5为本发明的另一结构示意图；

图6为实施例中建筑模型在不同调频比与不同质量TLCD下的减振系数比较曲线图；

图7为实施例中建筑模型在不同阻塞系数与不同质量TLCD下的减振系数比较曲线图；

图8为实施例中建筑模型在147层(623m高)设置TMD时的风振加速度时程曲线图；

图9为实施例中建筑模型在146层(617m高)设置TLCD时的风振加速度时程曲线图；

图10为实施例中建筑模型设置HTD混合控制时(146层设置TLCD、147层设置TMD)的风振加速度时程曲线图；

图11为实施例中建筑模型结构顶层141层(598m高)加速度频谱分析结果曲线图；

其中，(11a)没有设置阻尼器，(11b)仅146层设置TLCD，(11c)仅147层设置TMD，(11d)设置HTD混合控制；

图12为实施例中建筑模型在没有设置阻尼器、仅146层设置TLCD、仅147层设置TLCD设置HTD混合控制情况下一阶附近加速度频谱比较曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明实施例提供一种超高层建筑混合风振控制系统(HTD混合控制系统)，其原理如图1所示，其中，(1a)表示将超高层建筑简化后得到的质点串模型，记为“结构1”，(1b)表示在“结构1”上仅布置TMD，此时整体体系亦可视为质点串模型，记为“结构2”，(1c)表示在“结构1”上仅布置TL(C)D，此时整体体系亦可视为质点串模型，记为“结构3”，(1d)有两种含义：一是表示在“结构2”上仅布置TL(C)D，此时整体体系亦可视为质点串模型，记为“结构4”，二是表示在“结构3”上仅布置TMD，此时整体体系亦可视为质点串模型，记为“结构4”。

如图4-图5所示，本发明实施例提供的超高层建筑混合风振控制系统包括调谐质量阻尼器3和调谐液体阻尼器，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器均至少设置一个，竖直分布在超高层建筑1的若干楼层中，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数被配置为使超高层建筑的位移、速度和加速度达到最小，进行参数配置时，考虑调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的相互作用，采用控制变量法，对调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数进行调整。所述的超高层建筑1包括需要进行风振控制的筒体结构体系、伸臂结构体系、巨型结构体系中的一种或多种。

所述的调谐液体阻尼器包括TLD2或TLCD4，TLD2为一种矩形、圆柱形或圆环形的具有调谐液体阻尼器功能的水箱，TLCD4为U型等截面管状、具有调谐液体阻尼器功能的水箱，如图2所示。

以下以TLCD为例，对本发明中调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数配置方法进行说明。采用TLD时，通过类似方法对TLD的结构参数进行配置，其结构参数包括质量比μ₃、频率比f₃、阻尼比ξ₃和深度系数α₃。本发明实施例以调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器各设置一个进行说明，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器也可根据需要设置多个。调谐质量阻尼器设置多个时，多个调谐质量阻尼器设置在超高层建筑的同一高度处；调谐液体阻尼器设置多个时，多个调谐液体阻尼器设置在超高层建筑的同一高度处或竖向分布在超高层建筑的多个楼层中。设置多个时的参数配置方法与本发明实施例类似。

(1)任意高度分布TLCD的风振控制系统

将一个超高层建筑的简化为n质点的结构体系，在结构第i层设置一个TLCD，如图2所示，则系统的运动微分方程为：

M \overset{\cdot \cdot}{x} + C \overset{\cdot}{x} + Kx = F (t) - H (ρAB \overset{\cdot \cdot}{v} + ρAL \overset{\cdot \cdot}{x}) - - - (1)

ρAL \overset{\cdot \cdot}{v} + \frac{ρA}{2} ξ | \overset{\cdot}{v} | \overset{\cdot}{v} + 2 ρAgv = - ρAB H^{T} \overset{\cdot \cdot}{x} - - - (2)

其中，M、C和K为结构的质量、阻尼和刚度矩阵；和x为结构相对于地面的位移、速度和加速度的列向量；F(t)为作用在结构上的脉动风荷载列向量；H为TLCD位置列向量，其第i个元素为1，其余元素为0；ρ为水箱中液中心线的总长度；A为消防水箱横截面积；ξ为隔板引起的阻塞系数；和v为TLCD中的水相对于水箱的加速度、速度和位移。

需要注意的是，TLCD系统是一个具有非线性阻尼的振动方程，阻尼的大小与结构振动方程是耦连的，为求解方程组，需要对其进行等效线性化处理。根据等效线性化原理，如图3所示，得到等效线性化的阻尼如下：

c_{d} = \frac{ρA}{2} ξ | \overset{\cdot}{v} | \approx 2 ρA \frac{ξ σ_{\overset{\cdot}{v}}}{\sqrt{2 π}} - - - (3)

其中，为TLCD中液体速度的标准差。

令m_d＝ρAL，k_d＝2ρAg，代入式(3)中，得到方程组：

\{\begin{matrix} M \overset{\cdot \cdot}{x} + C \overset{\cdot}{x} + Kx = F (t) - H ({αm}_{d} \overset{\cdot \cdot}{v} + m_{d} \overset{\cdot \cdot}{x}) \\ m_{d} \overset{\cdot \cdot}{v} + c_{d} \overset{\cdot}{v} + k_{d} v = - {αm}_{d} H^{T} \overset{\cdot \cdot}{x} \end{matrix} - - - (4)

其中，α为水箱的长度系数；m_d为水箱中水的质量；c_d为TLCD的阻尼；k_d为TLCD的刚度。

将上述方程组的与移到左侧，并将H代入，展开成矩阵形式，得到如下矩阵。

[\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & m_{i, i} + m_{d} & . . & {αm}_{d} \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & α m_{d} & 0 & m_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{i} \\ . . \\ \overset{\cdot \cdot}{v} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & c_{i, i} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & 0 & 0 & c_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{i} \\ . . \\ \overset{\cdot}{v} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & k_{i, i} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & 0 & 0 & k_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ x_{i} \\ . . \\ v \end{matrix}) = (\begin{matrix} . . \\ F_{i} (t) \\ . . \\ 0 \end{matrix}) - - - (5)

其中，上述矩阵展开式中未列出的元素为主体结构对应的质量、阻尼、刚度和荷载矩阵的对应元素。由于TLCD是固定在结构上的，因此有v＝x_d-x_i，其中和x_d为TLCD中液体相对于地面的加速度、速度和位移，和x_i为结构第i相对于地面的加速度、速度和位移。将其代入式(5)中，对方程组进行解耦，整理得到如下方程组：

[\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & m_{i, i} + m_{d} (1 - α) & . . & {αm}_{d} \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & (α - 1) m_{d} & 0 & m_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{i} \\ . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{d} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & c_{i, i} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & - c_{d} & 0 & c_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{i} \\ . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{d} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & k_{i, i} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & - k_{d} & 0 & k_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ x_{i} \\ . . \\ x_{d} \end{matrix}) = (\begin{matrix} . . \\ F_{i} (t) \\ . . \\ 0 \end{matrix}) - - - (6)

此时方程组中的未知量均为线性无关的，可利用Newmark-β法进行求解，到结构的响应时程与水箱中液体的响应时程(均为相对于地面的加速度、速度、位移)。

(2)任意高度分布TMD的风振控制系统

将一个超高层建筑的简化为n质点的结构体系，在结构第j层设置一个TMD，如图2所示，则系统的运动微分方程为

M \overset{\cdot \cdot}{x} + C \overset{\cdot}{x} + Kx = F (t) + E (c_{i} \overset{\cdot}{z} + k_{i} z) - - - (7)

m_{i} \overset{\cdot \cdot}{z} + c_{i} \overset{\cdot}{z} + k_{i} z = - m_{i} E^{T} \overset{\cdot \cdot}{x} - - - (8)

其中，M、C和K为结构的质量、阻尼和刚度矩阵；和x为结构相对于地面的位移、速度和加速度的列向量；F(t)为作用在结构上的脉动风荷载列向量；E为TMD位置列向量，其第j个元素为1，其余元素为0；c_i为TMD系统的阻尼；k_i为TMD系统的刚度；和z为TMD系统相对于结构的加速度、速度和位移。

将上述方程组的与移到左侧，并将E代入，展开成矩阵形式，得到如下矩阵：

[\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & m_{j, j} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & m_{i} & 0 & m_{i} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{j} \\ . . \\ \overset{\cdot \cdot}{z} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & c_{j, j} & . . & - c_{i} \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & 0 & 0 & c_{i} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{j} \\ . . \\ \overset{\cdot}{z} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & k_{j, j} & . . & - k_{i} \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & 0 & 0 & k_{i} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ x_{j} \\ . . \\ z \end{matrix}) = (\begin{matrix} . . \\ F_{j} (t) \\ . . \\ 0 \end{matrix}) - - - (9)

其中，上述矩阵展开式中未列出的元素为主体结构对应的质量、阻尼、刚度和荷载矩阵的对应元素。由于TMD是固定在结构上的，因此有z＝x_i-x_j，其中和x_i为TMD中质量块相对于地面的加速度、速度和位移，和x_j为结构第j相对于地面的加速度、速度和位移。将其代入式(9)中，对方程组进行解耦，整理得到如下方程组：

[\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & m_{j, j} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & 0 & 0 & m_{i} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{j} \\ . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{i} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & c_{j, j} + c_{i} & . . & - c_{i} \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & - c_{i} & 0 & c_{i} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{j} \\ . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{i} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & k_{j, j} + k_{i} & . . & - k_{i} \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & - k_{i} & 0 & k_{i} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ x_{j} \\ . . \\ x_{i} \end{matrix}) = (\begin{matrix} . . \\ F_{j} (t) \\ . . \\ 0 \end{matrix}) - - - (10)

(3)HTD混合风振控制

假设TLCD设置在结构第i层，其结构参数如(1)中所述；TMD设置结构第j层，其结构参数如(2)中所述，则整个体系运动方程如下：

(4)结构参数设计

合理的设计参数对超高层HTD混合风振控制系统的效率发挥影响巨大。整体风振控制系统的参数设计包括两个步骤：一是根据超高层结构特点及给排水系统的需求提出各阻尼器设置位置方案，尽量将各阻尼器设置在较高楼层，以提高控制系统的工作效率；二是利用设置单个阻尼器系统的风振控制计算方法，对各阻尼器的参数进行初定，随后在HTD混合系统中，对各水箱的设计参数进行微调，结构参数具体根据以下步骤进行配置：

2)设定TLCD的结构参数的初始值；

3)设定调谐质量阻尼器的结构参数的初始值；

4)采用控制变量法，对调谐质量阻尼器和TLCD的结构参数进行调整，得到使超高层建筑各层的位移、速度和加速度达到最小的结构参数。

对液体阻尼器而言，由于控制系统的阻尼受水箱振动响应的直接影响，这种非线性阻尼的存在，使得超高层结构HTD风振控制系统的最优参数不能给出准确形式，而是需要按照上述两个步骤，进行几次迭代，利用数值模拟的方法得到。系统中TLCD的设计参数包括质量比μ₁、频率比f₁、长度系数α₁和隔板阻塞系数ξ₁，调谐质量阻尼器的结构参数包括质量比μ₂、频率比f₂、阻尼比ξ₂。

最优参数的获得需要通过数值模拟，并对减振效果进行比较得到。质量比越大往往减振效果越好，质量比主要为结构工程师结合给排水工程需要初步设计几组，计算不同调频比与不同质量TLCD下的减振系数、不同阻塞系数与不同质量TLCD下的减振系数，利用结果曲线图，可以得到适合工程的优选设计参数。

本发明对水箱的设计参数给出了一组设计参考值，具体见表1。需要注意的是，表1中的参考值为常见优化参考值，对于某些工程，各设计参数的取值范围可以进行一定程度地扩大。

表1

为进行超高层建筑在脉动风作用下的时程响应分析，检验本发明风振控制系统的振动控制效果，该实施例选取了位于上海市区的700米超高层建筑进行研究。

该建筑是为开展500米以上超高层建筑设计与安全关键技术研究而假设的一个位于上海市区的超高层建筑，楼层总数为159层，高700m，总重609,543t，为型钢混凝土巨柱-混凝土核心筒-伸臂结构体系，建筑平面随高度增加而逐步减小，首层核心筒尺寸为34m×34m，底层外框架中心距核心筒14m，高宽比为7。

该实施例具体内容如下：

(1)TLCD设计参数优化

为研究TLCD的参数对减振效率的影响，该实施例针对以上述基准700米模型，对比了不同质量、频率比与阻塞系数下的水箱减振效率。计算中，脉动风荷载采用10年的回归期，风振分析时长取1200s，结构阻尼比取0.01。水箱的长度系数取0.85。针对不同设计参数计算的结构顶层(141)层的风振加速度方差具体见图6、图7。

由图6可以得出，调频比对减振系数的影响非常显著，且当调频比在0.95附近时减振效率最高。由图6可以得出，阻塞系数对减振系数的影响受到阻尼器质量比的影响，最优阻塞系数随着阻尼器质量的增大而增大。由图6和图7可以得出，阻尼器质量的增加可以显著提高减震效果。特别需要注意的是，若阻尼比过小，TLCD内液体的振荡过于剧烈，可能导致液面过高，不满足基本运动方程的假设(L≥2v_max+B)。

(2)HTD混合减振效应

HTD混合减振系统的应用主要在于充分利用TMD的高效性和TLCD的经济性进行风振控制。本文基于基准700米模型进行其风振控制效率的研究，该建筑模型的TMD设置在147层，消防水箱设置在146层。本文对仅在147层设置TMD、仅146层设置TLCD以及二者同时设置的情况进行了研究，并比较了三种方案的风振控制效果。

1)脉动风荷载

脉动风荷载采用基于谱表现方法生成的脉动时程风荷载，脉动风的回归期为十年，仿真模拟时长为600s。

2)TLCD参数

水箱中水的质量均取500t，调频频率比f＝0.95，长度系数α＝0.85，隔板阻塞系数ξ＝10，等效线性阻尼比迭代至误差不大于0.1％。

3)TMD参数

TMD的质量取为500t，调频频率比为1，阻尼比为0.05。

4)HTD混合减振效应

对仅在146层设置TLCD、仅在147层设置TMD与设置HTD(在146层设置TLCD和在147层设置TMD)的风控结果进行比较，其中图8～图10描述了结构顶层的风振加速度时程的控制效果(仅取前200s)。

对结构顶层(141层)的加速度时程进行频谱变换，见图11，由图11中可以看出，顶层加速度时程的频谱值在结构一阶振型所对应的频率处出现明显下降，即单个TLCD、单个TMD与混合HTD的风振控制主要对结构的一阶振型起控制作用。

为更准确比较减振器的控制作用，选取一阶振型附近频率的加速度频谱分析结果进行比较，具体结果见图12。

由图中可以看出，单个TLCD、单个TMD与混合HTD的设置对一阶振型振动控制作用显著，其控制特点是减小了一阶振型的参与系数，而在一阶振型对应频率附近产生了在整体振动中占有一定比重的次一阶振型，并由此减小结构的响应峰值。

基准700米模型主要楼层的风振加速度时程的减振结果见表2与表3。

表2 基准700米模型的风振加速度峰值比较

表3 基准600米模型的风振加速度方差比较

表4 水箱的等效线性阻尼比与液面最大位移比较

	TLCD-146	TMD-147	HTD
				等效线性阻尼比	0.034	--	0.039，--
液面最大位移	1.008m	0.851m	1.148m，1.020m

由表3～表4可以看出，HTD能有效提高结构的振动控制效果，其结构控制效果介于同等质量TLCD与TMD之间。

本发明实施例对比了基准700米模型在没有设置阻尼器，设置单个TL(C)D，设置单个TMD和设置HTD情况下的位移和加速度时程。结果表明，在超高层建筑中设置HTD可以大大减小结构风振反应，充分利用了调谐质量阻尼器高效性与调谐液体阻尼器经济性的特点，是一种安全可靠、低花费、高效益的振动控制方法。

Claims

1.一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，包括调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器，所述的调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器均至少设置一个，竖直分布在超高层建筑的若干楼层中，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数被配置为使超高层建筑的位移、速度和加速度达到最小。

2.根据权利要求1所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的超高层建筑包括需要进行风振控制的筒体结构体系、伸臂结构体系、巨型结构体系中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的调谐液体阻尼器为具有调谐液体阻尼器功能的消防水箱。

4.根据权利要求1所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器的结构参数根据以下步骤进行配置：

2)设定调谐液体阻尼器的结构参数的初始值；

3)设定调谐质量阻尼器的结构参数的初始值；

5.根据权利要求4所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的调谐液体阻尼器包括TLD或TLCD。

6.根据权利要求5所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的调谐液体阻尼器采用TLCD，为U型等截面管状水箱，其结构参数包括质量比μ₁、频率比f₁、长度系数α₁和隔板阻塞系数ξ₁，所述的调谐质量阻尼器的结构参数包括质量比μ₂、频率比f₂、阻尼比ξ₂。

7.根据权利要求6所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的步骤2)中，质量比的初始值根据给水排水系统确定；频率比的初始值为0.9～1.1；长度系数的初始值为0.8～0.9；隔板阻塞系数初始值通过以下步骤计算：

201)隔板阻塞系数取0～100间的任意值；

c_{d} = \frac{ρA}{2} ξ | \overset{\cdot}{v} | \approx 2 ρA \frac{ξ σ_{\overset{\cdot}{v}}}{\sqrt{2 π}} - - - (1)

[\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & m_{i, i} + m_{d} (1 - α) & . . & {αm}_{d} \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & (α - 1) m_{d} & 0 & m_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{i} \\ . . \\ {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{d} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & c_{i, i} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & - c_{d} & 0 & c_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{i} \\ . . \\ {\overset{\cdot}{x}}_{d} \end{matrix}) + [\begin{matrix} . . & . . & . . & 0 \\ . . & k_{i, i} & . . & 0 \\ . . & . . & . . & 0 \\ 0 & - k_{d} & 0 & k_{d} \end{matrix}] (\begin{matrix} . . \\ x_{i} \\ . . \\ x_{d} \end{matrix}) = (\begin{matrix} . . \\ F_{i} (t) \\ . . \\ 0 \end{matrix}) - - - (2)

8.根据权利要求7所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的步骤4)具体为：

9.根据权利要求1所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的调谐质量阻尼器设置多个，多个调谐质量阻尼器设置在超高层建筑的同一高度处。

10.根据权利要求1所述的一种超高层建筑混合风振控制系统，其特征在于，所述的调谐液体阻尼器设置多个，多个调谐液体阻尼器设置在超高层建筑的同一高度处或竖向分布在超高层建筑的多个楼层中。