一种超高层建筑VD-MTLCD风振控制系统

摘要

本发明涉及一种超高层建筑VD-MTLCD风振控制系统，超高层建筑设置有多个具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱，所述的多个消防水箱竖向分布在超高层建筑上，所述的消防水箱为U型等截面管状水箱。与现有技术相比，本发明利用具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱减少建筑结构风振响应，提高建筑的抗风性能，具有低投入、高效率等优点。

权利要求

1.一种超高层建筑竖向分布型MTLCD风振控制系统，其特征在于，超高层建筑设置有多个具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱，所述的多个消防水箱竖向分布在超高层建筑上，所述的消防水箱为U型等截面管状水箱，所述的消防水箱的管道中间安设有用于增加液体运动阻尼的隔板，所述的具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱的结构参数包括质量比μ、频率比f、长度系数α和隔板阻塞系数ξ；

所述的消防水箱的结构参数根据以下步骤进行优化：

1)根据超高层结构特点和建筑的给水排水系统设计消防水箱的竖向分布位置；

2)设定各消防水箱结构参数的初始值，其中，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，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：

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)各消防水箱均用步骤201)～步骤203)的方法，确定其隔板阻塞系数，作为隔板阻塞系数的初始值；

3)对各消防水箱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。

2.根据权利要求1所述的一种超高层建筑竖向分布型MTLCD风振控制系统，其特征在于，所述的超高层建筑包括筒体结构体系、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竖向分布型MTLCD风振控制系统，其特征在于，所述的步骤3)具体为：

301)将各结构参数代入公式(3)进行计算，得到在设定风荷载作用下各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；

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

303)质量比μ、频率比f、长度系数α和隔板阻塞系数ξ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301)、步骤302)，直至超高层建筑的位移、速度和加速度达到最小。

说明书

一种超高层建筑VD-MTLCD风振控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种建筑风振控制系统，尤其是涉及一种超高层建筑VD-MTLCD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。

[0012] 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，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。

[0013] 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。现
有的TLCD减振技术无法充分利用上述特点。

发明内容

[0014] 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低投入、高效率的超高层建筑VD-MTLCD（竖向分布型调频液柱阻尼器）风振控制系统，利用具有调频液柱
阻尼器功能的消防水箱减少建筑结构风振响应，提高建筑的抗风振性能。

[0015] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0016] 一种超高层建筑VD-MTLCD风振控制系统，超高层建筑设置有多个具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱，所述的多个消防水箱竖向分布在超高层建筑上，所述的消防水箱
为U型等截面管状水箱。

[0017] 所述的超高层建筑包括筒体结构体系、伸臂结构体系、巨型结构体系中的一种或多种。

[0018] 所述的消防水箱的管道中间安设有用于增加液体运动阻尼的隔板。

[0019] 所述的具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱的结构参数包括质量比μ、频率比f、长度系数α和隔板阻塞系数ξ。

[0020] 所述的消防水箱的结构参数根据以下步骤进行优化：

[0021] 1）根据超高层结构特点和建筑的给水排水系统设计消防水箱的竖向分布位置；

[0022] 2）设定各消防水箱结构参数的初始值；

[0023] 3）对各消防水箱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。

[0024] 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：

[0025] 201）隔板阻塞系数取0～100间的任意值；

[0026] 202）用式（1）计算TLCD的等效线性阻尼，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：

[0027]

[0028]

[0029] 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；

[0030] 204）各消防水箱均用步骤201）～步骤203）的方法，确定其隔板阻塞系数，作为隔板阻塞系数的初始值。

[0031] 所述的步骤3）具体为：

[0032] 301）将各结构参数代入公式（3）进行计算，得到在设定风荷载作用下各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；

[0033]

[0034] 302）检查各消防水箱中液体的时程结果，保证震荡过程中各水箱的液柱水面不低于其水平段水面；

[0035] 303）质量比μ、改变频率比f、长度系数α和隔板阻塞系数ξ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301）、步骤302），直至超高层建筑的位移、速度
和加速度达到最小。

[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明超高层建筑VD-MTLCD风振控制系统能够最大程度地适应超高层建筑消防水箱的竖向分布位置、质量和数量，达到风振控制
的目的，是一种低投入、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。该系
统能够更好地适应现代超高层建筑的特点。

附图说明

[0037] 图1为本发明的单个TLCD示意图；

[0038] 图2为本发明的等效线性阻尼迭代求解的流程图；

[0039] 图3为本发明的结构示意图；

[0040] 图4为实施例中采用的600米建筑标准层三维示意图；

[0041] 图5为600米建筑三维有限元模型示意图；

[0042] 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；

[0043] 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；

[0044] 图8为实施例中建筑模型在83层设置TLCD时的风振加速度时程曲线图；

[0045] 图9为实施例中建筑模型在117层设置TLCD时的风振加速度时程曲线图；

[0046] 图10为实施例中建筑模型设置VD-MTLCD时的风振加速度时程曲线图；

[0047] 图11为实施例中建筑模型结构顶层（124层）加速度频谱分析结果曲线图；

[0048] 其中，（11a）没有设置TLCD、（11b）83层设置TLCD、（11c）83层设置TLCD、（11d）设置VD-MTLCD；

[0049] 图12为实施例中建筑模型在没有设置TLCD、124层设置TLCD和设置VD-MTLCD情况下一阶附近加速度频谱比较曲线图。

具体实施方式

[0050] 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。

[0051] 一种超高层建筑VD-MTLCD风振控制系统，低投入、高效率地控制超高层建筑风振反应，如图3所示，该风振控制系统包括多个具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱2，所述
的多个消防水箱2竖向分布在超高层建筑1的若干楼层中，且固定设置在超高层建筑上，如
图1所示，所述的消防水箱2为U型等截面管状水箱，其管道中间安设有用于增加液体运动
阻尼的隔板。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。

[0052] 本系统中的具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱2根据建筑结构的排水系统及调频液柱阻尼器的结构优化而成，其位置、质量、数量根据消防水箱分布要求设置，其外形
根据阻尼器的参数要求设计，能够最大程度地适应超高层建筑消防水箱的布置特点。

[0053] （1）任意高度分布TLCD的风振控制系统

[0054] 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层设置一个具有调频液柱阻尼器功能的消防水箱（TLCD），如图1所示，则系统的运动微分方程为

[0055]

[0056]

[0057] 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；ξ为隔板引起的
阻塞系数； 和ν为TLCD中的水相对于水箱的加速度、速度和位移。

[0058] 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2所示，得到等效线性化的阻尼如下：

[0059]

[0060] 其中， 为TLCD中液体速度的标准差。

[0061] 令 md=ρAL， kd=2ρAg，代入式（3）中，得到方程组：

[0062]

[0063] 其中，α为水箱的长度系数；md为水箱中水的质量；cd为TLCD的阻尼；kd为TLCD的刚度。

[0064] 将上述方程组的 移到左侧，并将H代入，展开成矩阵形式，得到如下矩阵。

[0065]

[0066] 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 ν=xd-xi，
其中 和xd为TLCD中液体相对于地面的加速度、速度和位移， 和xi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。

[0067]

[0068] 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）。

[0069] （2）VD-MTLCD风振控制

[0070] 假设第j个TLCD设置在结构第i层，则该TLCD需满足：

[0071]

[0072] 其中，md,j、cd,j和kd,j为第j个TLCD的质量、阻尼和刚度；H为TLCD位置列向量（第i元素为1，其余元素为0），为结构相对于地面的加速度的列向量。

[0073] 对于图1所示的VD-MTLCD，假设主体结构为n层，TLCD数量为m，则该结构动力方程可用下式来描述。

[0074]

[0075] 其中，M、C和K为主体结构的质量、阻尼和刚度矩阵（n×n）；MT、CT和KT为水箱竖直段水的质量、阻尼和刚度矩阵（n×n），无TLCD的楼层数值为0；MD、和CD和KD为水箱中水
的质量、阻尼和刚度矩阵（n×n），无TLCD的楼层数值为0；MV为水箱水平段水的质量矩阵
（n×n），无TLCD的楼层数值为0； 和x为结构相对地面的加速度、速度和位移列向量
（n×1）； 和xD为TLCD中液体相对地面的加速度、速度和位移列向量（n×1），无TLCD
的楼层数值为0；

[0076] 参数具体如下：

[0077] MT=diag[mT1，0，…，mTi，0，…，mTm，…] （9）

[0078] MV=diag[mV1，0，…，mVi，0，…，mVm，…] （10）

[0079] MD=diag[mD1，0，…，mDi，0，…，mDm，…] （11）

[0080] CD=diag[cD1，0，…，cDi，0，…，cDm，…] （12）

[0081] CT=diag[cT1，0，…，cTi，0，…，cTm，…] （13）

[0082] KD=diag[kD1，0，…，kDi，0，…，kDm，…] （14）

[0083] KT=diag[kT1，0，…，kTi，0，…，kTm，…] （15）

[0084]

[0085]

[0086] xD=[xD1，0，…，xDi，0，…，xDm，…] （18）

[0087] 上述表达式中diag[]表示斜对角矩阵，i表示结构中第i个TLCD的序号；式（9）～式（15）中，mTi=md，i(1-αi)，mVi=αi·md，i，mDi=md，i，cTi=cd，i，cDi=cd，i，kTi=kd，i，kDi=kd，i；另外，md，i=ρAiLi， kd，i=2ρAig。

[0088] 同样的，非线性阻尼cd，i可按式（3）的方法计算。利用Newmark-β法求解结构与各TLCD中液体的响应。VD-MTLCD系统中各个水箱的阻尼也应按图2所示迭代得到，并对最
大阻尼比误差进行控制，即 此时的 为阻尼器中液体速
度标准差的列向量。

[0089] （3）参数设计

[0090] 合理的设计参数对超高层VD-MTLCD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：

[0091] 一是根据超高层结构特点提出水箱分布位置方案，并结合给排水系统的需求进行调整，调整的原则是尽量使诸水箱分布在较高楼层，设计消防水箱的竖向分布位置，以提高
控制系统的工作效率。二是设定各消防水箱结构参数的初始值，其中，初始质量比根据给
排水系统提供的水箱质量确定，频率比和长度系数的初始值根据经确定（初始频率比可均
取0.95，初始长度系数可均取0.85），利用任意高度设置单个TLCD系统的风振控制计算方
法，对水箱的隔板阻塞系数进行初定，随后在VD-MTLCD系统中，对各水箱的设计参数进行
微调。VD-MTLCD的参数微调主要是对各调频液柱阻尼器的隔板阻塞系数的调整。将各初
始参数代入整体风振控制系统的运动方程中进行计算，得到各调频液柱阻尼器中液体的位
移、速度与加速度的时程。在阻尼器震荡空间容许的情况下，改变隔板阻塞系数，计算各调
频液柱阻尼器中液体的位移、速度和加速度，直至调频液柱阻尼器中液体的位移、速度和加
速度达到最小。

[0092] 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VD-MTLCD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μ、
频率比f、长度系数α和隔板阻塞系数ξ。

[0093] 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。

[0094] 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。

[0095] 表1

[0096]

[0097] 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600米超高层建筑进行研究。

[0098] 该基准600米模型的标准层三维示意图与平面示意图如图4、图5所示。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124层，高600m，总重689,560t，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30m×30m，底层外
框架中心距核心筒20m，高宽比为7。

[0099] 该实施例具体内容如下：

[0100] （1）单个TLCD（STLCD）设计参数优化

[0101] 为研究单个TLCD的参数对减振效率的影响，该实施例针对以上述基准600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（124）层的风振加速度方差具体见图6、图7。

[0102] 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7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≥2vmax+B）。

[0103] （2）VD-MTLCD减振抑制效应

[0104] VD-MTLCD的应用主要在于结合建筑消防用水的水箱进行风振控制，为使水箱设置位置更符合给水排水工程的特点，本文基于基准600米模型进行其风振控制效率的研究。
该建筑模型的消防水箱设置在第20层、50层、83层和117层。由于设置在较低楼层的水
箱对风振控制的效果较差，为避免大量意义不大的重复性工作，本文仅对在83层和117层
设置TLCD的情况进行了研究，并比较了VD-MTLCD（在83层和117层设置TLCD）和单个
TLCD(分别在83层和117层设置TLCD)的风振控制效果。

[0105] 1）脉动风荷载

[0106] 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。

[0107] 2）TLCD参数

[0108] 各水箱中水的质量均取600t，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%。

[0109] 对仅在83层设置单个TLCD、仅在117层设置单个TLCD与设置VD-MTLCD（83&117）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）。

[0110] 对结构顶层（124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与
MTLCD的风振控制主要对结构的一阶振型起控制作用。

[0111] 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。

[0112] 由图中可以看出，单个TLCD与MTLCD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。

[0113] 基准600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。其中，表内的“83+117”项减振率按式（19）～（21）计算。

[0114] β87+117=1-γ87×γ117 (19)

[0115] γ87=A87/A无 (20)

[0116] γ117=A117/A无 (21)

[0117] 其中，β为减振率，γ为减振系数，A为加速度峰值。

[0118] 表2基准600米模型的风振加速度峰值比较

[0119]

[0120]

[0121] 表3基准600米模型的风振加速度方差比较

[0122]

[0123] 表4水箱的等效线性阻尼比与液面最大位移比较

[0124]TLCD-83 TLCD-117 VD-MTLCD
等效线性阻尼比 0.035 0.041 0.028，0.038
液面最大位移 0.89m 1.13m 0.79m,1.08m

[0125] 由表2～表4可以看出，VD-MTLCD能有效提高结构的振动控制效果，其结构控制效果约为两个TLCD系统减振效果相加的85%。从表2～表4中也可以看出，设置VD-MTLCD
时结构风振响应比设置单个TLCD时小，从而抑制了各个水箱减振效果地完全发挥。这种情
况会引起两个主要变化，一是激振力的减小，二是水箱振荡减弱从而减小其阻尼。

[0126] 本发明实施例对比了基准600米模型在没有设置TLCD，设置单个TLCD和设置VD-MTLCD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VD-MTLCD可以大大
减小结构风振反应，是一种低花费、高效益的振动控制方法。