空气流动形成风,风运动过程中遇到建筑物阻碍,对建筑物表面产生压力或吸力,称为风荷载。风荷载是一种随机时变的可变荷载,影响风荷载的因素较多,与地形、地面粗糙度、风压高度、风载体型、风振等因素有关。由于自然风的紊流特性,风对建筑有静力作用,对于高层建筑、高耸结构、大跨桥梁结构等,其动力作用往往起决定性作用。许多工程结构的破坏倒塌都是由风致振动引起,风致振动会产生惯性力,引起结构疲劳损坏,还会引起人的不舒适感。动态风荷载主要是由来流紊流、尾流、结构自身横风向运动构成。
结构抗风设计包含强度设计、刚度设计、舒适度设计3个方面:①要满足强度设计要求。确保建筑物在风荷载下不会出现倒塌、开裂和较大残余变形等破坏和损伤。②要满足刚度设计要求。防止建筑物在风荷载下产生过大的变形,引起隔墙开裂、建筑装饰和非结构构件损坏。③要满足舒适度设计的要求。主要对高层建筑或高耸结构,防止建筑内人员对风荷载下的摆动产生不舒适感。传统结构的抗风对策是通过增强结构自身刚度和强度来抵抗风荷载作用。随着高层建筑和高耸结构越建越高的发展趋势,结构的刚度和阻尼不断下降,采用传统的利用结构自身刚度来抵抗风荷载的方式,变得越来越不经济或难以实现,结构风振控制技术很好地解决了这个难题。
结构风振控制可分为两个层次:①采用气动措施。由于风振响应是风与结构的相互作用,与结构外形密切相关,通过气动措施改善结构的外形(如切角、开透风槽、加风嘴等),或增设一些导流措施(如导流板、抑流板、稳定板等),改变结构周围的气流态。在抗风设计时,尽量采用气动稳定性好的结构外形,如圆形、椭圆形或棱形等流线型平面形状,竖向上小下大的锥体形、台体形等,对减小风的阻力很有效果。②采用机械措施。引进附加控制系统,采用非承重装置,通过改变结构的刚度、阻尼或者质量来降低风振响应,相当于施加控制力来抵御风振反应。根据控制力是否有外加能源输入,风振控制可大致分为主动控制、被动控制和混合型控制。
被动控制无外加能源输入,控制力是由结构响应被动施加的。主要有:①耗能减震系统(如耗能支撑、耗能剪力墙、摩擦阻尼器、软钢和合金阻尼器、铅阻尼器、黏弹性阻尼器、油阻尼器等)。②吸振减震系统(调谐质量阻尼器TMD、调谐液体阻尼器TLD、摆-油阻尼器POD、锚索控制等)。其中,TMD系统能有效减小结构风振反应,已有许多成功案例应用在世界各地的高层建筑上,如台北101大厦是在88~92楼层挂置一个660吨重的巨大钢球,利用钢球摆动来减缓建筑物振幅,提高建筑舒适度要求。
主动控制是需要外加能源的控制,是通过施加与振动方向相反的控制力来实现结构控制的。主要分为质量阻尼器(作动器)类型和非质量阻尼器类型。主动控制调谐质量阻尼器AMD(Active Mass Driver)是最流行的质量阻尼器。主动控制在结构上的应用案例主要在日本,第一个成果是1989年在东京Kyobashi Seiwa大楼上应用的AMD系统。2001年,中国南京电视塔风也采用了AMD系统用于控制结构的风振响应,效果良好。非质量阻尼器类型包括主动拉索控制系统、主动空气动力挡风板控制系统、主动支撑系统、气动脉冲发生器等。
混合型控制又称主被动混合型控制。充分利用了主被动控制各自的优点,既能通过被动控制系统大量耗散振动能量,又可以利用主动控制系统来保证控制效果,比单纯的主动控制节省能量,有良好的应用前景。