专家解读苏州科技大学陈鑫副教授为您解读北京奥林匹克塔风振控制设计与应用

北京奥林匹克塔位于北京奥林匹克公园中轴线，顶部永久悬挂奥运五环标志（图1）。该建筑占地面积约为6600 m ² ，建筑总面积为18687 m ² ，整体由五个单塔组成，子塔建筑平面为正六边形和圆形，底部为标准层，当达到高度164.98 m后，各塔的平面逐渐放大，整体呈蘑菇状。周边的四个单塔通过连廊与中间的主塔相联，中间的主塔最高，顶部最高处244.85 m，是目前世界第22、国内第6高的观光塔，塔身主要控制尺寸见表1。北京奥林匹克塔结构设计详见参考文献[1]。

图1 北京奥林匹克塔

2.1 结构 方案与动力特性分析

为增强北京奥林匹克塔的整体侧向刚度，在五个单塔之间设置连接桁架。连接桁架高度约3.0 m，宽度约2.7 m，可作为各塔之间的联络通道。设计阶段对连接桁架考虑了两种方案：一种方案是在主塔与桁架间设有加腋，如图2a所示，定义为方案1；另一种方案是主塔与桁架间不设置加腋，如图2b所示，定义为方案2。根据结构设计方案，按照主塔与连接桁架加腋与不加腋分别建立了三维有限元分析模型，如图3a所示，其中，方案1分析模型M1如图3b所示，方案2分析模型M2如图3c所示。

图2 连接桁架设置方案

图3 结构有限元模型

为校核模型的准确性，分别利用CSI ETABS和ANSYS两个有限元软件建立连接桁架加腋方案的分析模型，并与由CSI SAP2000建立的模型M1进行对比。分析中得到3个模型前6阶振型的频率，如表2所示，所建立的模型与校核模型振动特点相近，具有一定的可靠性。模型M1和模型M2自振频率对比和振型形态描述见表3。

2.2  三维风荷载模拟

北京奥林匹克塔体型复杂，其风荷载难以直接通过相关规范确定，为此，北京新奥集团有限公司委托同济大学土木工程防灾国家重点实验室结构风效应研究室在其TJ-2大气边界层风洞中完成了结构的风洞测压试验（如图4a、4b），风洞试验详细信息见参考文献[2]。采用基于风洞试验的三维风荷载模拟方法（图4c），得到三向风力时程，可直接用于有限元模型进行结构精细化的风振响应分析。

图4 三维风荷载模拟

2.3  结构振动控制设计

拟采用结构振动控制技术解决舒适度问题，考虑安装黏滞阻尼器 （viscous fluid  damper, VFD ） 的消能减振技术和安装调谐质量阻尼器（tuned mass damper, TMD）的调频减振技术两种方案。

2.3.1 黏滞阻尼减振方案

将黏滞流体阻尼器设置在无加腋结构的塔1与连接桁架的连接处，如图5a所示，在每个连廊与塔1相连的端部设置阻尼器，单侧共计33个处，每处对称布置2个，连廊双侧布置总计66个阻尼器。具体布置方式如图5b所示，黏滞流体阻尼器两端通过连接杆分别与结构立柱和连接桁架相连，阻尼器与连接桁架通过铰接节点连接，连接杆与立柱和连接桁架弦杆焊接。

图5 黏滞阻尼器设置方案

对模型M1（加腋）、模型M2（不加腋）和模型M3（不加腋+VFD）分别进行风振响应分析，针对风荷载作用下的结构加速响应变化规律进行对比。图6给出了135°风向角下模型M1、模型M2和模型M3模型结构加速度响应的分布情况。塔冠的屋顶是观景平台，其下一层为观景大厅，观景大厅为主要观景点，它们的舒适度指标决定了游人观景体验的好坏，因此，图7给出了其加速度响应进行对比分析。

图6  黏滞阻尼减振方案结构加速度响应分布对比

图7 各塔观景大厅加速度响应

2.3.2 TMD减振方案

在加腋方案中增设TMD，考虑建筑、工艺等方面影响，仅能在塔1设置TMD，因此，考虑不增加结构附加质量，直接利用结构232.5 m标高处设备层的水箱作为质量单元，如图8所示，平面上TMD位于塔1中部的消防水箱间。

图8  TMD减振方案

对模型M1（加腋）、模型M4（加腋+TMD）分别进行风振响应分析，同样对风荷载作用下的结构加速响应变化规律进行对比。图9a给出了135°风向角下模型M4结构加速度响应的分布情况，模型M1的响应同图6a，图9b~9f给出了观景大厅的加速度响应进行对比分析。

图9 TMD减振方案结构加速度响应

3.1 减振装置构造设计

综合考虑水平荷载作用下的结构变形与加速度响应，工程实践中采用了连廊加腋并设置TMD的方案。用于高耸结构的TMD，在工程实践中需满足构造上的三个要求：长周期、有限空间和平面多方向。为实现这些特点，并避免增加额外重量，本工程采用以消防水箱为质量源的双层悬吊摆式TMD，如图10所示，该TMD由拉索、消防水箱、黏滞阻尼器等部件组成。

图10  双重悬吊摆式TMD

3.2 风振控制现场实测研究

为有效评估分析模型与减振设计的有效性，分别开展了结构动力特性与风振响应现场实测。

3.2.1  结构动力特性测试与分析

采用四通道同时进行 x 方向与 y 向的水平振动，参考点上布置一个 x 方向的拾振器与 y 方向的拾振器，每个测点上布置一个 x 方向的拾振器与 y 方向的拾振器，每次同时进行参考点与测点的四通道测量。实际测量时共布置8层63个测点，测点布置和测试装置如图11所示。

图11  动力特性测试方案

于2013年12月19日和2014年12月13日两次对结构进行了动力特性现场实测，其中，第1次测试时尚处于施工阶段，大部分非结构荷载尚未到位，第2次测试时正处于装修阶段，已有部分非结构荷载。表4给出了两次实测结构频率和阻尼比，图12为实测与数值模拟的结构振型对比。

图12 结构振型对比

3.2.2 结构风振响应测试与分析

如图13所示，分别在结构标高为186.00 m、232.50 m和244.35 m处开展塔5顶部、水箱层和塔1顶部的现场实测，测试设备同图11c。本次测试于2014年12月15日—16日开展，各测点实测响应时程及功率谱密度如图14所示。根据实测结果，结合实测当时结构施工阶段，对设计有限元模型进行修正，修正后的模型与实测前6阶频率的评价误差由原模型的19.42%降至4.24%。基于修正后模型，对实测风速下的结构风振响应进行了数值分析，其中塔1测点A1的W-E方向对比结果如图15所示。

图13 风振响应实测测点布置

图14 各测点实测结果

图15 数值模拟与实测结果对比分析

1） 相对于连接桁架无加腋方案，连接桁架加腋方案增加了结构整体刚度，一定程度上降低了结构的风振加速度响应。

2） 4个模型的结构加速度响应空间分布规律相近，均呈塔身小、塔冠大的特点，且塔2和塔4的塔身加速度响应相对较大，塔3和塔5的塔冠加速度响应相对较大。

3） 减振方案中，黏滞阻尼减振方案在风向角为90°时，减振效果相对较好，结构水平向的加速度衰减率最大可达30.28%；TMD减振方案在风向角为270°时，减振效果相对较好，塔1水平向加速度衰减最大可达到30.05%。

4） 数值模拟与实测结果的对比分析表明，采用双层悬吊摆式TMD有效抑制了北京奥林匹克塔的风振响应，满足了人体舒适度要求。

致谢：衷心感谢中国建筑设计研究院范重大师团队给予的实践机会和宝贵建议，同济大学顾明教授团队为研究提供的风洞试验数据。

参考文献：