近些年来，我国乃至全世界许多国家建造了一些特殊异型高层建筑，这些建筑超高、大偏心扭转，有的存在长悬臂。这些建筑的设计已经超越了规范的要求，而且，国内外对此类建筑的抗震抗风研究极少。所以有必要对此类建筑的风致响应及抗风措施进行研究。本项目就是解决强扭转长悬臂高层建筑的抗风难题，此难题的解决，可填补我国特殊异型结构的规范空白，为结构设计提供新的抗震抗风措施。本项目研究内容为：强扭转长悬臂结构抗风响应及等效风荷载的计算理论研究，强扭转结构刚性模型测定及气弹性模型风洞试验，屋顶游泳池、环形阻尼器及抗扭筒的抗扭转减振研究。创新点为：研发抗扭筒，以控制结构风致扭转振动；屋顶游泳池、环形阻尼器及抗扭筒作抗风混合控制；对长悬臂结构利用传统加固及质量泵控制风振。

随着世界经济的起飞和城市化进程的加速，高层建筑在全国各地大量兴建，有的刚度突变，有的屋顶及其它位置有大悬臂，有的在屋顶或屋间设置绿色景观，有的设有建筑内游泳池，从而形成大偏心扭转或刚度突变的高层建筑，这些建筑大多超过了规范的要求。针对这些问题，有必要结合现有设计规范及环境因素，重点解决强扭转及长悬臂高层建筑的抗风及抗震难题。本项目以超限高层强扭转及长悬臂结构的风致振动控制为研究内容，通过风洞试验研究该结构的风致振动响应，并采用多种振动控制措施对该结构的平动和扭转振动进行控制，以保证其安全性和舒适性。主要取得如下创新性成果：（1）扭转刚度的计算不仅仅需要考虑柱的抗扭刚度，还需要考虑构件的抗扭刚度；为了减小扭转对结构的影响，在不能减小偏心距的情况下，就尽量让每个楼层的偏心情况从下到上均匀变化，这样对抗扭是有利的。（2）运用精确实空间解耦方法分析带TMD的隔震结构，结果表明，精确实空间解耦法较为精确。非经典结构体系的位移响应表达式中还包含有标准振子的速度响应组合项；该方法具有普遍性，适用于一般非对称质量、刚度和非对称非经典阻尼结构响应的精确实空间解析分析。（3）由风洞试验所得出的数据知：本文选取的不规则结构由于刚度差异大，横风向响应较大；气弹模型试验结果显示各风向角下结构响应有较大差异；8个风向角下响应有所差别，其中270°风向角下结构加速度和扭转响应皆为最大，确定此风向角为结构最不利风向角；最不利风向角下结构的合加速度幅值响应超出舒适度限值，应进行控制；结构第6层有刚度突变，且立面体型突变，时程分析可知此处层间扭转角过大，宜进行风致扭转控制。（4）对结构楼层位移和扭转角过大的位置采用抗扭筒加以控制，分别对结构进行有控工况下的风荷载作用时程分析，与无控工况下的结构动力响应进行对比，表明抗扭筒对高层建筑动力响应控制效果明显。（5）对结构安装环形TLCD和鼓形TLCD前后的扭转响应进行了对比分析发现：合理设计鼓形TLCD的相关参数，可使结构的风致扭转响应得到较好控制，尤其对于扭转响应越大的楼层控制效果更好。（6）在高层结构顶层设置游泳池可以起到控制风振响应的效果；通过合理的尺寸设计，或在大风来袭时给游泳池添加隔板，可使得游泳池的一阶频率更接近结构的第一自振频率，进而达到理想的控制效果；若要使结构满足舒适度要求，则应再加以其他控制设施进行联合控制。（7）增设黏滞 2100433B

本项目将现场实测、风洞实验和理论分析结合起来，系统地研究超高层建筑风荷载反分析方法。基于互联网技术建立超高层建筑风效应监测系统，测试强/台风登陆过程中的风特性及结构风致响应，获取超高层建筑的动力特性和风振信息；研究超高层建筑风荷载频域及时域反分析新方法，建立相应的理论模型；以实测动力参数及风致响应为基础反演超高层建筑顺风向、横风向的脉动风荷载，系统地研究超高层建筑风荷载的作用机理及风致响应的规律性特征，评估响应类别、动力特性参数估计误差及有限元模型分析误差等因素对风荷载反演结果的影响；开展气动弹性风洞实验，进一步发展和完善超高层建筑脉动风荷载的反分析理论；利用数值模拟评估脉动风荷载反分析方法的适用性及可靠性，提出实用的反演算法。研究成果将为超高层建筑抗风设计及相关研究提供有用的资料及依据。

随着轻质、高强材料的广泛应用，现代超高层建筑往更高、更柔的方向发展, 风荷载成为此类结构的主要控制荷载。一般的来说，超高层建筑风致响应的测量技术较为成熟，但风荷载却难以实现现场测量。因此，根据实测结构动力参数及风致响应来反演结构风荷载，成为间接量测超高层建筑风荷载的一种有效途径。 本项目综合运用现场实测、风洞实验和理论分析，系统地研究了超高层建筑风荷载反分析方法。建立了基于互联网的远程结构健康监测系统，测试了多次强/台风过程中的风场特征及超高层建筑结构风振响应，分析了城市上空的强/台风特性（包括平均风速、风向、湍流强度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和风速谱），验证了风场的湍流强度和阵风因子随风速的增大而减小、湍流积分长度随平均风速的增大而增大等规律，建立了典型城市中心的湍流剖面模型。在大量实测风致响应数据的基础上识别了结构的自振频率、振型，并与有限元计算结果进行了对比，利用随机减量法评估了结构阻尼比随振幅的非线性变化特征。基于卡尔曼滤波基本理论提出了三种风荷载反演新方法，并结合有限楼层的实测风致响应和动力参数实现了超高层建筑未知风荷载及风致响应的实时同步反演，揭示了超高层建筑风荷载的作用机理。完成了不同外形的超高层建筑物在不同流场条件下的风洞实验，利用实验得到的风致响应识别了结构风荷载，并与风洞实验结果开展了对比性研究，评估了风致响应类别、结构动力参数估计误差、模态截断、测量噪声及噪声协方差矩阵等因素对风荷载反演结果的影响，验证了三种反演新方法的有效性。对典型超高层建筑开展数值模拟研究，进一步评估了三种反演新方法的适用性及可靠性。研究成果将为超高层建筑抗风设计及相关研究提供有用的资料及依据。 2100433B

基于经典机翼-副翼气动力模型，建立了主动翼板-流线型箱梁的气动力模型，并基于Roger有理函数近似实现了气动力的时域化，可用于主动控制计算中。通过理论分析表明，主动翼板运动相位需要和主梁运动方向相反才能获得有效的颤振控制。当主动翼板设置为次优控制律时，控制效果及鲁棒性比最优控制律更佳，响应时间显著缩短，并能确保颤振的主动控制。 CFD数值计算表明，当前翼板扭转运动方向与主梁的扭转方向相反，后翼板扭转运动方向与主梁扭转方向相同时，颤振控制效果良好。在此情况下，随着翼板相对于主梁的扭转速度增加，主梁的最大扭转角度有减小的趋势。 较没有安装气动翼板的情况，颤振临界风速提高到1.6倍以上。同时，气动翼板的长度过小或过大，颤振主动控制效果不好。当气动翼板长度为主梁宽度的10-15%时，颤振主动控制效果较好。 基于可编程控制系统，研发了主动翼板在流线型箱梁颤振控制上的风洞试验系统。试验结果表明，在主动控制面振幅在扭转振幅权重为0.9竖向权重0.1的情况下运动时，在试验中未出现发散现象。翼板与主梁运动间的相位差是影响主动翼板控制效率的重要因素，当翼板运动相位差领先主梁扭转运动相位差约70°时，振动控制效果最佳，此时颤振临界风速可提升至1.7倍以上。 风洞试验表明，在主动翼板抑振颤振时，主梁竖弯和扭弯运动之间的相位差将出现变化。在颤振临界状态下，两者之间相位将逐渐过渡到翼板未工作的初始相位（扭转落后于竖向运动）附近一个稳定的相位上。在颤振振幅逐渐增大的情况下，主动翼板工作将使得竖向振动逐渐落后于扭转运动。 2100433B