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第14章 结构风响应控制。

Ahsan Kareem, Enrica Bernardini, and Seymour M.J. Spence

摘要：

近年来，对于工程建筑高度的增加，桥梁跨度不断增大带来的土木工程领域相关问题是非常具有挑战。事实上，这样的极端结构对于风载荷的敏感性使得相应系统的设计必须具备足够的刚度和阻尼特性以确保生存能力，稳固性，适用性和居住性。为了满足这些需要，可以采用几个涉及不同设计思路的方面。首先对系统结构的改造，是结构设计人员的首要选择，一般可以分成采用形状裁剪措施，以提高结构的空气动力学弹性，和引入辅助运动控制设备。在这一章中，对于这两个方面的介绍，目的是向读者提供一般性的工程解决方案。考虑控制风响应的结构，特别是考虑空气动力学弹性形状剪裁，以及实际应用的结构的例子都是具有实际战略意义的。本文对于采用运动控制设备的可行性也进行了研究。对于风振控制装置中最重要的类型进行分类，并根据它们所基于的原理和主要特点作了说明。

关键词： 运动控制装置.外形剪裁.风振响应

14.1 介绍

全球范围内，城市地区的高层发展已成为住宅和商业住宅的首选场所。这带来了结构趋势，随着高度的增加，结构更轻，结构更轻，其性能对复杂的风环境敏感。不仅对于建筑物来说，可以看到更多极端结构的驱动力，因为迪拜哈利法在2010年建立的828米高度的纪录很可能很快就会被打破，而且还会出现在桥梁上。目前的趋势确实是跨越更长的水体，例如意大利墨西拿海峡（3,300米）拟采用电缆支持的解决方案。即使在高层建筑的设计中，可以用简单和经典的结构系统（经过精心选择和设计）来实现对侧向风荷载的抵抗，可维护性和可居住性问题可能构成重大挑战。尤其是，人类对加速和颠簸的敏感性有时记录在案，偶尔会引起建筑物使用者不适的各种症状，这对建筑响应具有重要影响并提出严格要求。另一方面，随着跨度的增加，桥梁对风的作用变得更加敏感，并且现象例如颤振不稳定性和涡旋引起的甲板振动以及电缆振动正成为主要关注的问题。因此，在设计具有足够的刚度和阻尼特性的结构系统时将面临新的挑战，所述结构系统能够确保生存性，可服务性和可居住性的可接受性能。

为了满足这些需求，可以采用涉及不同设计方面的几条路线。除了对结构系统进行改造（这是结构设计师的首要选择）之外，这些可能的减缓路线可以分为采用形状剪裁措施，旨在改善结构的空气动力学/空气动力学弹性，以及引入辅助运动控制装置（图14.1）。这些主题在本章中讨论;其他细节可以在Tamura（1998），Kareem et al。 （1999年）。

14.2空气动力学弹性剪裁

空气动力学形状的剪裁是实现风能建筑和桥梁最佳性能的强有力手段，在航空航天和汽车工程等其他领域常规使用。建筑的外部形状以及桥面的几何轮廓在确定作用于结构上的风荷载的实体中起着非常重要的作用。可以在横截面水平处引入几何形状的修改，目的是定义更多的空气动力学轮廓，从而减小阻力或改变涡流的分离点，或者在纵向轮廓水平上（即在主要是为了破坏旋涡之间的同步并因此减少旋涡脱落载荷。在建筑物的情况下，已经发现对拐角几何形状的修改（例如包括倒角或水平开槽拐角（图14.2）（Kareem et al.1999））已经被发现显着降低了建筑物的响应表现为基本的方形横截面，随着角落逐渐变圆，这些改进变得更加明显。至于纵向修改，包括后退和锥化，拐角的切割或随着高度逐渐消除拐角不仅是一些最优雅和显着的结构的特征，而且已经被证明具有实用性空气动力学目的（例如Tanaka等，2012）。同样，在桥梁空气动力学中，桥面板的形状在其行为中起着重要作用。减少甲板边缘的高度通常是改善其空气动力学性能的最简单方法。实际上，颤振和涡流引起的振动不仅决定了生存能力，还决定了可维护性设计，这对甲板的高宽比非常敏感。这种减少措施受实际问题的限制。通常情况下，在桥梁跨越大型水体的情况下，为了改变甲板周围的流动，采用空气动力学定制的中间有开口的箱形截面，以尽量减小空空气动力学力载荷，并将颤振转换为更高的风速。另外，边缘处理如甲板延伸和整流罩可用于进一步增强桥梁的空气动力学。这些装置在现有桥梁的空气动力学增强情况下也是普遍采用的装置。最近的一个例子是纽约州的布朗克斯 - 白石桥，在去除了加强桁架之后，2007年将三角纤维增强聚合物整流罩添加到了甲板的侧面。

显然，无论是建筑还是桥梁，任何有关形状的选择都与建筑美学背后的建筑理念密切相关。出于这个原因，采用空气动力学剪裁减少需要高度锐利的形状修改的风动作，必须嵌入设计的最早阶段，其中形状的开发考虑了结构的最终用途所规定的美学和功能要求。出于同样的美学原因，桥梁设计师经常拒绝改装桥面板的边缘。事实上，就建筑而言，最近联合建筑师 - 工程师参与建筑项目总体发展的趋势已经导致建筑形状受益于空气动力学分析，从而有助于阻止流场产生较高负荷。也可以在更先进的设计阶段引入一些较小的建筑物形状修改（例如，拐角的圆角，切割穿过建筑物的槽的倾斜度的改变），并且证明对风致行为非常有利，即使从审美的角度来看并不激烈。

图4（a）的台北101大楼（台北，台湾），（b）在吉隆坡的双峰塔，马来西亚）（C）、金茂大厦（上海，中国），（D）的特朗普国际酒店大厦（芝加哥，美国），（和）绝对世界建筑（密西沙加市，（加拿大）f）大连（大连，中国）中心绿地（G），武汉绿地中心大厦（武汉，中国），（h）和迪拜（阿拉伯联合酋长国，迪拜），（i）上海环球金融中心（上海，中国），所有的图像从网站的高层建筑与城市环境委员会www.ctbuh.org http）

最近的一些例子表明，几何选择创造出空气动力学的高效形式，可以融入高层建筑的设计中，而不会牺牲其外观。例如台湾台北的台北101在2004年完工（图14.3a），每层8层组成一个渐变的细分市场，形成了一种回忆重要文化象征的模式（亚洲宝塔，竹子干，学习和成长的象征，还有一堆传统的中国钱盒，象征着丰富）同时提高了空气动力学的表现。同样，在1998年完工的马来西亚吉隆坡双子塔（图14.3b）中，多次使用多级挫折来减少高度以减少高度计划，这样提供了一个优雅的外观，同时仍然允许伊斯兰几何图案的横截面形状将文化意象与现代建筑融为一体。中国上海的金茂大厦（1999年，图14.3c）提供了更多关于空气动力学修改的美学效益的证据，该建筑使用挫折来轻轻缩小其立面，逐渐减少和重新定义上部结构的形状水平，风的影响是最重要的，将横截面从正方形变为复杂的十字形。这座令人叹为观止的建筑不仅向中国文化致敬，其华丽的层级让人联想到古老的宝塔，而且还能承受台风，部分原因是明智地选择了横向系统和使用了空气动力学渐变。沿着高处倒塌的最近结构包括美国芝加哥的特朗普国际酒店和塔楼（2009年，图14.3d）和阿联酋迪拜的哈利法塔（2010年，图14.3h），其高度为828米拥有世界上最高建筑的记录。

图14.4空气动力学外形的剪裁扰乱涡沿高度的例子：塔宫III，汉城，韩国[后abdelrazaq等人。（2005）]

特别是，在最后一种情况下，通过阻止形成连贯的尾流结构，通过其横截面的频繁且剧烈的变化来最小化涡流引起的激励的影响，所述横截面在底部具有三叶形形状，抽象Hymenocallis花的高度，随着高度上的螺旋线的退缩逐渐改变高度，进一步消除任何可能形成的涡旋形成的影响。此前，塔楼宫殿III（韩国首尔，2004）也采用了类似的策略实现了这种有利的空气动力学行为，如图14.4所示。事实上，建筑物横截面在高度上的变化会产生一个纵向剖面的建筑物，这种建筑物在空气动力学方面不太有利于涡旋体的脱落和涡旋体与横截面两侧的动态相互作用（Abdelrazaq et al。2005）。在某些情况下，建筑物高度上的几何形状变化并不是通过挫折（即形状的突然变化），而是通过更平滑的修改来实现的。这是许多上一代建筑物的情况，其结构以扭转运动为特征（例如迪拜的无限塔，目前正在建设中，扭曲90°）或自由形状（例如加拿大密西沙加的绝对世界大楼于2012年完工，如图14.3e所示。图14.5具有开口及其效果的建筑物（草稿由T. Kijewski提供）穿过建筑物，尤其是靠近顶部的开口也可以显着改善空气动力学响应，大大减少了尾流引起的力（图14.5 ）。这样的设计策略已在多个建筑中得到应用，例如2008年完成的上海环球金融中心（图14.3i），其特点是在建筑物顶部有一个光阑，措施宽51米。其他值得注意的例子是中国大连绿地中心（图14.3f），该中心目前正在建设中，计划在建筑物顶部和中国武汉绿地中心大厦附近打开一个显着的尺寸（图14.3g ），也在建设中，其中不同高度的特殊地板槽有助于减少涡旋脱落效应（Fu et al。2012）。

除了这些被动形式的空气动力学形状剪裁之外，还可能存在积极的措施，例如在与建筑物表面相邻的分离的流动区域中出血或吸入空气。这种空气的添加或提取导致建筑物表面轮廓的虚拟修改，操纵空气动力学因此允许最小化风力载荷。有关这些措施的初步研究可以在Gad-el-Hak（2000）和Zheng和Zhang（2012）中找到。

作为最后一句话，应该牢记的是，结构的空气动力学特性与风致激励的强度之间的关系并不简单。这意味着即使在简单的情况下（例如引入原始方形的倒角）以及微小的变化，几何变形对流场，即风载荷的有益影响总是难以预测。因此，选择最合适和最有效的（最佳）形状变化必须始终由专门进行的风洞试验或计算流体动力学（CFD）研究来指导和支持，这会导致更昂贵和更长的设计过程。寻找自动化解决方案解决这个问题的可能性，即通过使用CFD模拟来研究可能的形状变化并发现最佳配置来执行空气动力学形状优化程序，因此非常有吸引力并且最近已经受到关注（Bobby et al。 2012）。然而，应该指出的是，从建模，计算和工程的角度来看，这样一个复杂问题的解决方案提出了重要挑战，而基于CFD的土木结构优化技术的发展仍在不断发展。

尽管可以从形状的明智选择中获得巨大的优势，并且即使该策略必须为设计人员寻找解决方案的第一方向，特别是在面对特别具有挑战性的项目时，固有的限制使得空气动力学/空气动力学弹性形状剪裁不总是足以达到期望的响应水平。在许多情况下，通过加入用于减缓运动的装置来获得结构的所寻求的风致响应，以下部分专用于此。

14.3 运动防护设备：概述及分类原则

14.3.1 介绍

多年来，已经研究并且将相关数量的用于运动缓解的设备应用于建筑物，塔架，烟囱和桥梁，以努力利用这些设备可以提供的众多优点。在（Kareem et al.1999）中，介绍了减少建筑物结构响应的措施概述，包括辅助阻尼装置的概述及其在世界各地建筑物中的应用。在Holmes（1995），Tamura（1998），Nishitani和Inoue（2001），Spencer和Nagarajaiah（2003），Tamura（2003）中可以找到运动缓解装置应用于真实结构的其他有趣例子。

通常可以将各种设计解决方案分为几种主要类型，通常基于其行为基础上的物理原理。

尽管如此，必须牢记的是，在许多情况下，设备需要实现的目的以及应用的特性使设备成为独一无二的设备。因此，本节的目的不是也不可能描述多年来已经研究和/或应用的整个可能的应用范围，而是全面概述主要类型，突出它们的主要特征和提供一些重要的例子。。

14.3.2 操纵运动减缓的结构特性

结构的动态响应受其质量，刚度和阻尼特性的控制：原则上，通过在设计阶段对这三种特性中的任何一种进行适当的操纵，可以在某种外部激励条件下降低响应水平。 尽管如此，以相当容易估算的方式表征建筑物或桥梁的大规模分布很难以显着的方式进行修改，以便在减少结构响应方面获得好处。

刚度也可以很容易地评估，而相对容易通过改变结构系统中的适当的修改，但如果考虑增加结构的刚度来达到降低振动响应是一种不经济的手段。此外，一个结构刚度的显著增强往往是在一个高成本的材料和施工方面的问题。一种更明智的方法，利用结构刚度修改，以减轻运动响应，并通过可变刚度装置。一个特殊配置的结构系统可以提供更高的刚度，而不会因增加材料成本而受到惩罚，如卡里姆等人所讨论的那样。

另外，就材料和可施工性问题而言，结构的显着变硬通常成本很高。然而，利用结构刚度修改来减轻运动的更聪明的方式确实存在，并且通过采用可变刚度装置来表示，这将在下文中进行处理。如Kareem等人所讨论的，特殊配置的结构系统可以提供更高的刚度，而不会增加材料成本方面的任何损失。 （1999年）和Taranath（2010年）。

另一方面，阻尼在结构响应中起着重要作用，通过增加结构的阻尼可以获得巨大的效益。然而，与质量和刚度特征不同，对土木结构进行阻尼估计通常是非常困难的（Kareem和Gurley，1996）。这可以归因于这种现象根源的机制的复杂性质。事实上，众所周知，结构将被许多具有不同起源和特性的能量耗散机构动态阻尼，例如材料阻尼，起源于复杂的分子相互作用，结构和/或非结构构件和连接之间的摩擦阻尼，由于地基中发生能量耗散机制而导致的阻尼，以及空气动力学阻尼。为了面对估计这个参数的巨大困难，数据库收集多年来对真实结构估计的阻尼值的重要性已得到普遍认可。然而，这些数据集合具有相当大的分散特征，部分是由于阻尼的振幅依赖性，部分是由于其识别可能存在错误（Haviland 1976; Davenport and Hill-Carroll 1986; Jeary 1986; Lagomarsino 1993; Satake et al。 2003）。此外，许多来自环境激励的全面数据结果，因此系统识别必须在不知道输入的情况下进行。这种限制通常是有问题的，并导致一系列可能的错误。通常，随机衰减技术和频谱分析是这个问题所采用的系统识别技术（例如Jeary 1986; Kareem and Gurley 1996; Kareem et al.1999），尽管存在关于偏差和方差误差的完善理论的功率谱和随机衰减特征，理论误差公式

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