區(qū) 彤， 林松偉， 劉彥輝， 周福霖

(1 廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司， 廣州 510010； 2 廣州大學工程抗震研究中心， 廣州 510405)

1 工程概況

景觀塔坐落于廣東省肇慶市肇慶新區(qū)環(huán)路與上廣路交接處，東鄰肇慶新區(qū)體育中心，南臨長利涌。景觀塔建筑面積約1.9萬m2，地下1層為綜合管廊展廳，層高為6m；地上32層，其中1～4層為裙房，是城市展覽廳和多功能報告廳，1～4層層高均為6m，5～32層為塔樓，上方有觀光層和消防水箱層，塔頂是直升機停機坪，主要層高為5.5m，局部層高為4～6m。結(jié)構(gòu)高度為168m，建筑效果圖如圖1所示。

圖1 景觀塔建筑效果圖

景觀塔結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為50年，安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，屬于巖溶地質(zhì)，場地特征周期為0.45s。建筑抗震設(shè)防分類為丙類。10年、50年和100年重現(xiàn)期基本風壓ω0分別為0.30，0.50，0.60kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

2 結(jié)構(gòu)選型與減振方案

景觀塔核心筒直徑為12.6m，高寬比為13.4，體型纖細，建筑造型較為獨特，屬于風敏感結(jié)構(gòu)。且肇慶市位于我國東部沿海地區(qū)，常年遭受臺風侵襲，該塔在強風作用下產(chǎn)生很大振動，塔體頂部最大加速度遠遠超過規(guī)范規(guī)定的最大加速度限值，不滿足風振舒適度要求。高聳結(jié)構(gòu)主要采用的振動控制方式有：調(diào)諧液體阻尼器、主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、半主動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、主被動復合調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和被動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器[1]。景觀塔結(jié)構(gòu)以彎曲變形為主，結(jié)構(gòu)基本周期約為6.1s，最優(yōu)方案是安裝方便、造價較低、控制效果較好的被動調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。本工程利用258t的消防水箱作為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器中質(zhì)量塊，研發(fā)了一體化兩級變阻尼電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，如圖2所示。這種新型調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(簡稱TMD)由四個雙向滑軌支撐和四個電渦流阻尼單元組成，在滑軌支撐的框架里設(shè)置線性彈簧提供恢復力，在相鄰滑軌之間間隔布置電渦流阻尼單元，阻尼單元的銅板與支撐系統(tǒng)上表面連接，阻尼單元的磁鋼與水箱下表面相連。當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動時，銅板在磁場中切割磁感線產(chǎn)生電渦流，電渦流形成的渦流場與磁場相互作用，產(chǎn)生的洛倫茲力阻礙銅板與磁場的相互運動，且由于銅板的電阻作用，使得結(jié)構(gòu)動能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生阻尼效應。TMD具有力學性能穩(wěn)定、精度控制高和終身免維護的特點。

圖2 兩級變阻尼電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器

基于確立的TMD減振方案進行結(jié)構(gòu)選型。建立了10個對比模型，分別對鋼板剪力墻方案、在不同樓層設(shè)置鋼支撐的鋼板剪力墻+鋼支撐方案、鋼框架+鋼支撐方案、不同加強部位的鋼筋混凝土筒體方案進行分析，計算模型如圖3所示。選定了第一質(zhì)量參與系數(shù)高，且基底無零應力區(qū)的結(jié)構(gòu)體系：鋼筋混凝土筒體+頂部外鋼框架，如圖3(g)所示。并進行了振動臺試驗，進一步研究了兩級變阻尼電渦流TMD的減震效果與所選結(jié)構(gòu)體系的合理性[2-6]。

圖3 對比計算模型

3 結(jié)構(gòu)風振控制分析

3.1 順風向脈動風速時程

采用AR模型模擬多維風速時程[7]，在時域范圍內(nèi)對景觀塔結(jié)構(gòu)進行精確的風振響應分析，評價TMD的減振控制效果。M個相關(guān)的隨機風過程可表示為：

式中：Ni(T)為零均值正態(tài)分布隨機過程，i=1,…,M；[ψk]為回歸系數(shù)的M×M階矩陣，k=1,…,p，p為自回歸階數(shù)；ui(t)與ui(t-kΔt)為零均值隨機平穩(wěn)過程。

本項目采用廣泛應用的Davenport風速譜[8]來模擬脈動風速時程，考慮風速高度轉(zhuǎn)換系數(shù)等影響，將不同高度處的風荷載平均分配到各節(jié)點。

景觀塔橫向風荷載參數(shù)表1

Davenport風速譜公式如下：

采用MATLAB軟件，沿結(jié)構(gòu)高度方向生成了豎向各點的脈動風速時程曲線。景觀塔頂部10年一遇脈動風荷載時程曲線如圖4所示，理論脈動風速譜與模擬脈動風速譜擬合情況如圖5所示，由圖5可知模擬脈動風速功率譜與理論脈動風速譜擬合良好。

圖4 10年一遇脈動風荷載時程曲線

圖5 理論脈動風速譜與模擬的脈動風速譜擬合情況

3.2 橫風向風荷載取值

景觀塔橫風荷載的相關(guān)參數(shù)見表1。從表1可以看出，各層的雷諾數(shù)Re>3.5×106，結(jié)構(gòu)處于跨臨界的共振范圍，發(fā)生第1振型的橫風共振[9]。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，結(jié)構(gòu)的自振頻率約束了旋渦脫落頻率，在鎖定區(qū)結(jié)構(gòu)共振頻率不變，風速會提高1.3～1.4倍，其共振頻率不變，本項目取1.4Hz。

不同工況下結(jié)構(gòu)發(fā)生第1階振型橫風共振的風速最大值見表2。當?shù)?0層共振時，其1.4倍的臨界風速為37.47m/s，大于10年一遇橫風向(簡稱10年橫風)作用下30層的風速34.28 m/s，故10年橫風作用下驗算樓層舒適度時風速取34.28 m/s，此時共振樓層為樓層28～30層。50年一遇橫風向(簡稱50年橫風)作用下，僅有30層會發(fā)生共振，共振時風速為37.47 m/s。橫風共振時，可重點對10年橫風進行研究，10年橫風共振時第30層的風荷載時程曲線如圖6所示。

圖6 10年橫風共振時30層風荷載時程曲線

4 結(jié)構(gòu)減振分析

4.1 TMD的設(shè)計參數(shù)

景觀塔塔身規(guī)則，剛度均勻，影響結(jié)構(gòu)風振控制仿真分析結(jié)果的是前幾十階振型，在MATLAB軟件中編制了串聯(lián)多自由度簡化模型的動力分析程序，進行該簡化模型的分析，結(jié)構(gòu)前9階模態(tài)對應的模態(tài)質(zhì)量見表3。高聳結(jié)構(gòu)的風致振動以第1階模態(tài)響應為主，利用水箱質(zhì)量作為TMD的調(diào)諧質(zhì)量，用于控制結(jié)構(gòu)水平向的第1階模態(tài)響應。

旅游企業(yè)應結(jié)合經(jīng)濟環(huán)境的變化，進行人力資源管理。管理過程中應積極創(chuàng)新，開展多項培訓活動，重點對人才的專業(yè)技能與綜合素質(zhì)進行培養(yǎng)，在激烈的旅游市場中提高企業(yè)競爭力。旅游企業(yè)的培訓中還要建立一定的考核制度，對人才的學習成果進行檢驗，使人才的學習積極性得到提高。在組織培訓的過程中，旅游企業(yè)應給人才更多主動學習的機會，使人才能夠?qū)W以致用，將自身知識與技能更好的應用于旅游企業(yè)的發(fā)展中。

不同工況下的結(jié)構(gòu)第1階段振型橫風共振的風速最大值/(m/s) 表2

結(jié)構(gòu)前9階模態(tài)對應的模態(tài)質(zhì)量/t 表3

TMD參數(shù)的選取對TMD的控制效果有決定性的影響，本文采用Den Hartog[10]提出的不考慮主結(jié)構(gòu)阻尼的TMD最優(yōu)參數(shù)設(shè)計方法。兩級變阻尼電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器第一級阻尼行程為0～±200mm，第二級阻尼行程為±200～±900mm。TMD設(shè)計參數(shù)見表4。

TMD設(shè)計參數(shù) 表4

4.2 無控結(jié)構(gòu)風振響應分析

景觀塔塔身為圓柱體，外荷載激勵下結(jié)構(gòu)X,Y向反應規(guī)律相似，本文主要分析X向計算結(jié)果。隨著樓層增高，風荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移和加速度響應峰值越來越大，28～31層計算結(jié)果見表5。從表5可知，景觀塔在10年一遇順風向脈動風作用下，結(jié)構(gòu)加速度響應峰值最大值為121.14mm/s2，滿足要求[11]。景觀塔在50年一遇的順風向脈動風作用下，其加速度響應峰值最大值為230.86mm/s2，可見景觀塔的結(jié)構(gòu)能有效抵御順風向脈動風荷載的作用。

順風向脈動風作用下結(jié)構(gòu)X向位移和加速度響應峰值 表5

10年橫風向風荷載作用下，28～31層結(jié)構(gòu)X向位移和加速度響應峰值見表6。從表6可知，位移和加速度響應峰值隨著樓層的增高而增大。10年橫風共振時，28～31層加速度響應峰值均大于250mm/s2的舒適度要求[11]，結(jié)構(gòu)31層加速度響應峰值更是達到305.23mm/s2，遠大于規(guī)范[11]限值250m/s2。10年一遇風的頻遇概率遠大于50年一遇風和100年一遇風，把10年一遇風的舒適度作為減振目標。

橫風向風荷載作用下結(jié)構(gòu)X向位移和加速度響應峰值 表6

4.3 10年一遇風作用下TMD控制結(jié)構(gòu)減振分析

景觀塔塔身為圓柱體，外荷載激勵下結(jié)構(gòu)X向、Y向反應規(guī)律相似，主要分析X向計算結(jié)果。10年一遇脈動風、橫風共振作用下，TMD的最大行程為201mm，X向樓層位移和頂點加速度減振效果分別如圖7，8所示。從圖7可以看出，采用TMD控制后，樓層位移明顯減小，減振效果隨樓層的增高而增大。脈動風與橫風共振作用下，X向頂層位移分別減小34.3%和82.5%。從圖8可以看出，設(shè)置TMD后，頂點加速度明顯減小，脈動風與橫風共振作用下，頂點加速度最大值分別為 57.78mm/s2和57.46mm/s2，均滿足規(guī)范要求。與無控結(jié)構(gòu)相比，頂點加速度最大值分別減小42.9%和80.8%?？梢?，TMD明顯減小了10年一遇風作用下的結(jié)構(gòu)響應，橫風共振下的減振效率優(yōu)于脈動風作用。

圖7 10年一遇風作用下樓層位移控制效果

圖8 10年一遇風作用下頂點加速度控制效果

4.4 50年一遇風作用下風TMD控制結(jié)構(gòu)減振分析

受限于消防水箱層的空間布局，需控制50年一遇風、100年一遇風及地震作用下的TMD行程。設(shè)計了一體化兩級變阻尼電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器控制系統(tǒng)，使得TMD在50風一遇、100年一遇風及地震的作用下，增大阻尼比，降低一定控制效果，確保將TMD裝置的行程限制在允許范圍內(nèi)。第一級阻尼的TMD行程為0～±200mm，第二級阻尼取3倍第一級阻尼，即TMD第一級阻尼行程為0～±200mm，第二級阻尼行程為±200～±900mm。50年一遇脈動風作用下無控結(jié)構(gòu)和TMD控制結(jié)構(gòu)X向樓層位移與樓層加速度響應峰值如圖9所示。從圖9可以看出，采用TMD控制后，樓層位移和加速度峰值明顯減小，減振效果隨樓層的增高而增大；樓層位移、加速度峰值最大分別減小43.04%和32.44%。無控結(jié)構(gòu)頂點加速度接近規(guī)范限值，TMD控制結(jié)構(gòu)頂點加速度最大值為156mm/s2，遠小于規(guī)范限值250mm/s2?？梢娫?0年一遇脈動風作用下，TMD減振效果良好。

圖9 50年一遇脈動風作用下X向減振效果

4.5 100年一遇風作用下TMD控制結(jié)構(gòu)減振分析

100年一遇脈動風作用下無控結(jié)構(gòu)和TMD控制結(jié)構(gòu)X向樓層位移與樓層加速度響應峰值如圖10所示。從圖10可以看出，采用TMD控制后，樓層位移和加速度峰值明顯減小，減振效果隨樓層的增高而增大；樓層位移、加速度峰值最大分別減小32.23%和26.23%。無控結(jié)構(gòu)頂點加速度峰值為271mm/s2，不滿足舒適度要求，TMD控制結(jié)構(gòu)頂點加速度峰值為199mm/s2，滿足規(guī)范要求?？梢娫?00年一遇脈動風作用下，TMD減振效果良好。

圖10 100年脈動風下X向減振效果

100年一遇脈動風作用下TMD的力-位移滯回曲線如圖11所示。從圖11可以看出，兩級變阻尼電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器可以自由切換，X，Y向最大阻尼力分別為37.5，37.1kN，最大行程分別為347.99，345.42 mm。

圖11 100年一遇脈動風作用下TMD力-位移滯回曲線

5 TMD兩級阻尼行程

設(shè)防烈度地震作用下，TMD 的滯回曲線如圖12(a)，(b)所示；罕遇地震作用下，TMD 的滯回曲線如圖12(c)，(d)所示。從圖12可以看出，TMD超過一級阻尼位移限值后，耗能能力大幅度提高。設(shè)防地震作用下，TMD的X向最大力為112kN，最大位移為687.51mm，TMD的Y向最大力為113kN，最大位移為684.75mm。罕遇地震作用下，TMD的X向最大力為149N，最大位移為893mm，TMD的Y向最大力為148kN，最大位移890mm。因此，設(shè)置TMD第二級行程為-900～900mm。

圖12 設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下 TMD力-位移滯回曲線

6 振動臺試驗研究

開展振動臺試驗，進一步研究景觀塔外筒底部在設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下的受力狀態(tài)。試驗模型和首層約束邊緣構(gòu)件平面布置分別如圖13,14所示，其中1#代表型鋼1，余同。表7為設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下不同型鋼外混凝土測點的應變最大值和最小值(拉應變?yōu)樨?。

圖13 振動臺試驗

從表7可知，不同水準地震作用下，1#～6#型鋼外混凝土應變最值相差不大。設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下，最大拉應變分別為-38.1με和-108.1με，拉應力較小，不影響使用?？梢?，數(shù)值模擬階段結(jié)構(gòu)基底拉應力計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合，選擇的第一質(zhì)量參與系數(shù)高的鋼筋混凝土筒體+頂部外鋼框架結(jié)構(gòu)體系合理?？紤]到設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下底層混凝土筒體產(chǎn)生的微小裂縫，在施工圖設(shè)計時，底層混凝土外墻保護層設(shè)置鋼絲網(wǎng)，控制混凝土裂縫。

圖14 首層約束邊緣構(gòu)件平面圖

1#～6#型鋼外混凝土測點應變με最值表7

7 結(jié)論

(1)景觀塔結(jié)構(gòu)能有效抵御脈動風，但在10年一遇風作用下發(fā)生橫風共振，結(jié)構(gòu)頂層加速度峰值響應達到305.23mm/s2，不滿足舒適度要求，應采取減振措施。

(2)兩級變阻尼電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器能有效控制脈動風和橫風共振作用下的結(jié)構(gòu)響應，減振效果隨樓層的增高而增大。第一級阻尼的TMD行程設(shè)為±200mm，第二級阻尼的TMD行程設(shè)為±900mm。

(3)與無控結(jié)構(gòu)相比，TMD控制結(jié)構(gòu)在10年脈動風和橫風共振作用下，頂層位移分別減小34.3%和82.5%，頂點加速度分別減小42.9%和80.8%；在50年脈動風作用下，樓層位移和頂層加速度最大分別減小43.04%和32.44%；在100年脈動風作用下，樓層位移和頂層加速度最大減小32.23%和23.23%。

(4)航管塔、氣象塔等對減振要求高的高聳結(jié)構(gòu)，適合用TMD的減振措施。

(5)高寬比大的高聳結(jié)構(gòu)采用TMD減振滿足舒適度的要求時，結(jié)構(gòu)選型應優(yōu)先選擇第一振型參與系數(shù)高的結(jié)構(gòu)體系。