一种超高层建筑混合风振控制系统的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种超高层建筑混合风振控制系统
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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：
[0004] 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；
[0005] 2)避免过大的风振使用户产生不舒适感；
[0006] 3)避免反复风振动或极端风作用使结构或构件发生损坏。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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 Column Damper，TLCD)。
[0011] 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 Tuned Mass 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。
[0012] 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。
[0013] 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 Liquid Column Damper, MTIXD)，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。
[0014] 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，有研究人员提出沿坚向分布的多调频液柱阻尼器（Vertical Dimension-Multiple Tuned Liquid Column Damper, VD-MTLCD)〇
【发明内容】
[0015] 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、_效率的超_层建筑混合风振控制系统。
[0016] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0017] 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，坚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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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：
[0021] 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；
[0022] 2)设定调谐液体阻尼器的结构参数的初始值；
[0023] 3)设定调谐质量阻尼器的结构参数的初始值；
[0024] 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。
[0025] 所述的调谐液体阻尼器包括TLD或TIXD。
[0026] 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、频率比4、长度系数a :和隔板阻塞系数L，所述的调谐质量阻尼器的结构参数包 括质量比U2、频率比4、阻尼比€2。
[0027] 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：
[0028] 201)隔板阻塞系数取0?100间的任意值；
[0029] 202)用式（1)计算TLCD的等效线性阻尼cd，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：
[0030]
【权利要求】
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W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。
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或化CD。
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 谐液体阻尼器采用化CD,为U型等截面管状水箱，其结构参数包括质量比y 1、频率比fi、长 度系数Ui和隔板阻塞系数Si,所述的调谐质量阻尼器的结构参数包括质量比U 2、频率比 fa、阻尼比S 2。
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W下步骤计算： 201) 隔板阻塞系数取0?100间的任意值； 202) 用式（1)计算化CD的等效线性阻尼Cd,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：
式中，为化CD中液体速度的标准差，P为消防水箱中液中也线的总长度，S为隔板 阻塞系数，为化CD中的水相对于消防水箱的速度，A为消防水箱横截面积，a为消防水箱 的长度系数，Hid为消防水箱中水的质量，kd为^CD的刚度，3^^、：^^和Xd为消防水箱中液体 相对于地面的位移、速度和加速度，式、韦和Xi为超高层建筑第i层相对于地面的加速度、
速度和位移，1?, 1、Cl, 1、ki, 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) 各化CD均用步骤201)?步骤203)的方法，确定其隔板阻塞系数。
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： 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，nii、Ci、ki分别为调谐质量阻尼器的质量、阻尼和刚度，Xi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，化CD的质量比y 1、频率 比fi、长度系数a 1和隔板阻塞系数S 1四组参数中的H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，获得化CD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y 2、频率比f2、阻尼比弓2 H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。
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。
【文档编号】E04B1/98GK104264856SQ201410494968
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】丁洁民, 王立林, 郑毅敏, 赵昕, 林祯杉 申请人:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司