強(qiáng)風(fēng)下方截面高層建筑橫風(fēng)向氣動阻尼比

在臺風(fēng)\"燦鴻\"、\"杜鵑\"影響期間,對溫州某矩形截面高層建筑進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測,得到其頂層的風(fēng)速、風(fēng)向及多個樓層的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。將加速度數(shù)據(jù)經(jīng)emd處理,應(yīng)用era、era-next及ar三種方法,對建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)與氣動阻尼動力特性進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果表明:era、eranext和ar這3種方法得出的頻率值及振型都非常接近,頻率差值不超過2%,即均可以用計(jì)算頻率及分析判斷振型;但振型阻尼比結(jié)果卻不同,除一階振型的比較接近外,其它各階的數(shù)值都有一定程度偏差;在一定頻率段的振型結(jié)構(gòu)阻尼比擬合曲線中,柯西(caughey)阻尼模型(b=2時)與sergiolagomarsino經(jīng)驗(yàn)曲線最為接近;一階振型氣動阻尼比均為負(fù)值,且隨著風(fēng)速的增大,其值有減小的趨勢,其中era、ar方法的斜率較為相似,而era-next方法的下降速率較為平緩。

基于浙江溫州市區(qū)某方形高層建筑在不同臺風(fēng)下原型實(shí)測數(shù)據(jù),應(yīng)用單輸入多輸出的era-next理論方法,對影響氣動阻尼比的諸多因素進(jìn)行綜合對比分析研究。結(jié)果表明:隨著平均風(fēng)速的增加,速度、加速度均方根也沿著冪函數(shù)增加；在小折減風(fēng)速范圍內(nèi)(小于1.0),氣動阻尼比與折減風(fēng)速、加速度(速度)均方根與幅值比值的關(guān)系也不是純粹單調(diào)的,而是分區(qū)間增減變化,雖然四個臺風(fēng)的區(qū)間范圍稍有不同,但變化規(guī)律卻比較相似,而且其曲線數(shù)值大小的排列與風(fēng)向角大小具相關(guān)性；x,y向氣動阻尼比與結(jié)構(gòu)加速度功率譜幅值的關(guān)系具有相似規(guī)律。

基于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和隨機(jī)振動理論,本文提出了矩形高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)簡化計(jì)算公式,這些簡化公式的提出將求高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的復(fù)雜積分變?yōu)榉奖愕拇鷶?shù)運(yùn)算。本文應(yīng)用這些簡化公式對大量的矩形高層建筑實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算、分析。將本文提出的簡化公式計(jì)算結(jié)果與積分計(jì)算結(jié)果比較,相對誤差基本上在5%以內(nèi),因此本文提出的公式有較高的精度。用本文簡化公式計(jì)算得到的高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)與日本建筑荷載規(guī)范、加拿大國家建筑規(guī)范計(jì)算得到的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)比較,總體上差異較小。由于本文提出的簡化公式所依據(jù)的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)據(jù)較為精細(xì),因此本文簡化公式有相當(dāng)高的可靠性與合理性。

根據(jù)湍流脈動壓力的產(chǎn)生機(jī)理,從湍流理論的基本方程出發(fā),根據(jù)taylor關(guān)于湍流的"凍結(jié)"假定,導(dǎo)出了湍流脈動風(fēng)壓譜密度函數(shù)的解析計(jì)算公式。在分析過程中考慮了壓力方程源項(xiàng)中全部"紊動—剪切"項(xiàng)的影響。若取用合適的湍流積分尺度,則由此公式得出的橫風(fēng)向脈動風(fēng)壓譜密度函數(shù)值與足尺觀測數(shù)據(jù)相吻合,因此對以前的研究成果有一定的改進(jìn)。由于在接近結(jié)構(gòu)第一階自振頻率時,譜函數(shù)值仍處于較高的水平,因此根據(jù)湍流脈動風(fēng)壓譜密度函數(shù)計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振動力反應(yīng)位移值與加速度值均高于由日本規(guī)范等公式中規(guī)定的漩渦脫落擾力引起的反應(yīng)值,而且推測隨結(jié)構(gòu)高度的增加這一影響也有增加的趨勢。建議對此問題進(jìn)行更深入的研究并在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時考慮這一差別的影響。

隨著建筑高度的增加,結(jié)構(gòu)自振周期延長,抗側(cè)剛度相對變小,風(fēng)荷載效應(yīng)增大。本文以200m高的高層建筑為研究對象,基于風(fēng)洞試驗(yàn)所得的橫風(fēng)向風(fēng)壓時程數(shù)據(jù)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1/400。試驗(yàn)取風(fēng)向角從0°到45°,每級風(fēng)向角增量為5°,模擬了兩種地面粗糙度。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了迎風(fēng)面和背風(fēng)面氣動效應(yīng)的分析?？紤]結(jié)構(gòu)第一模態(tài)振型發(fā)生的位移,由振型分解法按duhamel積分獲得了結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和頂點(diǎn)加速度,探討了結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值和標(biāo)準(zhǔn)差與風(fēng)向角、結(jié)構(gòu)自振基頻、地面粗糙度等因素的關(guān)系。研究表明:風(fēng)荷載效應(yīng)與風(fēng)向角有密切的聯(lián)系,結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)一般發(fā)生在0°。

通過風(fēng)洞試驗(yàn)得到典型超高層建筑的橫風(fēng)向脈動風(fēng)荷載分布,將橫風(fēng)向脈動風(fēng)荷載作用分解為橫向紊流及旋渦脫落2種作用機(jī)理的共同作用,分析了橫風(fēng)向氣動力譜的構(gòu)成成分,并將分析結(jié)果與高頻動態(tài)測力天平的結(jié)果進(jìn)行了對比研究．結(jié)果表明:橫向紊流對橫風(fēng)向氣動力譜的貢獻(xiàn)較小,而旋渦脫落激勵對總橫風(fēng)向氣動力譜的貢獻(xiàn)較大;在不同風(fēng)場中這些貢獻(xiàn)量會發(fā)生改變．根據(jù)同步測壓試驗(yàn)分解橫風(fēng)向氣動力譜的方法可以清楚地解釋超高層建筑橫風(fēng)向氣動力譜的構(gòu)成成分．

用由風(fēng)洞試驗(yàn)得出的橫風(fēng)向荷載功率譜密度公式,推導(dǎo)出考慮結(jié)構(gòu)-土相互作用(ssi)的橫風(fēng)向荷載功率譜密度和結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣公式,得到結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算公式。對超高層建筑橫風(fēng)向振動算例說明,考慮ssi后,房屋高度、土層的剪切波速和結(jié)構(gòu)阻尼比的變化,對結(jié)構(gòu)頂層的彈性位移、總位移和總加速度響應(yīng)有不同影響,并指出不考慮ssi,高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)可能偏于不安全,因而對不同的響應(yīng)類型,給出了不需考慮ssi的結(jié)構(gòu)阻尼比取值范圍的建議值。

基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬方法,研究了矩形截面鈍體高柔結(jié)構(gòu)風(fēng)致橫風(fēng)向失穩(wěn)式振動(馳振).為反映結(jié)構(gòu)運(yùn)動對流動風(fēng)場的影響,除建立固定不動的計(jì)算區(qū)域外,還建立了隨結(jié)構(gòu)運(yùn)動的物理區(qū)域,在計(jì)算區(qū)域中修正了流動風(fēng)場的控制方程,采用標(biāo)準(zhǔn)sgs大渦模型,開發(fā)出wssg建筑風(fēng)場模擬程序,捕捉到結(jié)構(gòu)在風(fēng)場作用下的馳振現(xiàn)象,并從流場結(jié)構(gòu)等方面分析了引發(fā)機(jī)理.

在tj-1風(fēng)洞中采用高頻動態(tài)天平技術(shù)對兩個形狀相同的方形截面高層建筑模型間的橫風(fēng)向動力干擾效應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。同時,對主模型采用氣動彈性模型,在相同的配置下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。兩種實(shí)驗(yàn)方法所得的結(jié)果比較一致。最后應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬和推廣,給出了橫風(fēng)向動力干擾因子的等值線圖,可供規(guī)范參考。

超高層建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)荷載研究——對于超高層建筑結(jié)構(gòu)，我國荷載規(guī)范只給出了順風(fēng)向的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，對于橫風(fēng)向風(fēng)荷載則并沒有給出規(guī)定。而在實(shí)際工程中的超高層建筑，有時橫風(fēng)向風(fēng)荷載遠(yuǎn)大于順風(fēng)項(xiàng)，為控制荷載，因此目前我國荷載規(guī)范在超結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向抗風(fēng)設(shè)...

對于某些超高層建筑,其橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)甚至超過順風(fēng)向而成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素。為研究橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的時程特性及變化規(guī)律,基于橫風(fēng)向脈動力譜,考慮風(fēng)力的豎向相干性,通過諧波合成法模擬橫風(fēng)力時程,在時域內(nèi)求解分析某超高層鋼筋混凝土建筑橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)。分析時考慮地貌、來流風(fēng)速以及結(jié)構(gòu)基頻的變化,探討各因素對風(fēng)振響應(yīng)的影響規(guī)律,為超高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

高層建筑風(fēng)振響應(yīng)分析中考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用后地基土的材料阻尼比幅值是多少,這是考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用對高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)有利還是不利的關(guān)鍵問題。通過對無樁基樁架-剪力墻結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)分析,發(fā)現(xiàn)考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底面土體的動剪應(yīng)變幅值處于彈性應(yīng)變范圍,根據(jù)土動力學(xué)中土的動剪應(yīng)變與土的阻尼比的關(guān)系,土體的材料阻尼比較小,其值不超過0.03,據(jù)此計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大層間位移和結(jié)構(gòu)頂層的最大加速度比將地基視為剛性的結(jié)構(gòu)有較大增長;因此,在高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析中應(yīng)考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響。文章通過實(shí)例分析給出無樁基高層建筑土體材料阻尼比的建議值,該研究為有樁基高層建筑的土體材料阻尼比的計(jì)算提供了借鑒。

利用層狀半空間地基上明置基礎(chǔ)阻抗函數(shù)的簡化計(jì)算公式,研究了明置基礎(chǔ)高層建筑在動力風(fēng)荷載作用下地基土材料阻尼比的取值范圍。計(jì)算分析表明風(fēng)振時層狀場地地基土的材料阻尼比很小,一般不超過3%。因此,土-結(jié)構(gòu)相互作用對高層建筑風(fēng)振響應(yīng)并不一定有利。對有明置基礎(chǔ)的彎剪型鋼筋混凝土框架剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu),分別采用粘彈性均質(zhì)半空間地基模型和層狀半空間錐體地基模型,進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)分析,并將結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明:采用層狀半空間錐體地基模型時,一般考慮7層土介質(zhì)已經(jīng)可以基本滿足要求;選用層狀半空間錐體地基模型,結(jié)果較精確,但計(jì)算量大,而選用粘彈性均質(zhì)半空間地基模型,偏于保守,但計(jì)算簡便,精度可以滿足工程實(shí)際的需要。

采用了諧波疊加法模擬作用在結(jié)構(gòu)上的順風(fēng)向脈動風(fēng)壓,同時為了能反映作用在迎風(fēng)面不同點(diǎn)上脈動風(fēng)壓的相關(guān)特性,首先生成脈動風(fēng)速互譜密度矩陣,然后采用三角分解法進(jìn)行分解,再以此生成脈動風(fēng)壓作為輸入脈動風(fēng)荷載,采用newmark方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)時程.對兩棟高層建筑的風(fēng)振反應(yīng)時程計(jì)算結(jié)果表明,本方法得到的結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)均方根值與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中采用的譜分析結(jié)果有較好的吻合性;風(fēng)振反應(yīng)以共振反應(yīng)為主,非共振反應(yīng)值占次要的部分.這與譜分析法得出的結(jié)論也是一致的,說明了利用諧波疊加法模擬脈動風(fēng)壓時程的準(zhǔn)確性.這對于正確估算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)值,為高層建筑風(fēng)振控制措施設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)是有一定意義的.

推導(dǎo)設(shè)置出mtld高層建筑結(jié)構(gòu)的等效阻尼比,討論了影響mtld系統(tǒng)等效阻尼比的基本參數(shù)

研究了高層建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向的彎曲和扭轉(zhuǎn)的耦合弛振。通過微元法建立了高聳結(jié)構(gòu)的橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合弛振的方程式,并進(jìn)行了解耦和分析?；跉饬髋c結(jié)構(gòu)間夾角的關(guān)系,對引起結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)的氣動力進(jìn)行了分析。對固結(jié)于地面或是基巖之上的高聳結(jié)構(gòu)彎扭耦合弛振的穩(wěn)定性條件進(jìn)行了研究。提出了一個新的求弛振的臨界風(fēng)速計(jì)算的簡便公式,并給出了算例。算例表明:所提出的公式和對結(jié)果的分析是有效的,可以很方便地應(yīng)用到工程實(shí)際中。

介紹了第3代結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制基準(zhǔn)問題的定義。通過觀測部分樓層加速度和控制力輸出,建立了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器,解決了傳統(tǒng)控制中有限的傳感器數(shù)目對系統(tǒng)振動狀態(tài)估計(jì)的困難;利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)構(gòu)的控制行為,消除了閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在的時滯;通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的學(xué)習(xí)功能,解決了土木工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)模糊控制中難以依據(jù)專家的主觀經(jīng)驗(yàn)來確定模糊控制規(guī)則和語言變量隸屬函數(shù)等困難。以風(fēng)振控制的基準(zhǔn)問題為研究對象,編制了程序?qū)κ芸叵到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析。分析表明,模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略能有效地抑制高層建筑的風(fēng)振反應(yīng)。

作為對高層建筑起控制作用的風(fēng)致振動；順風(fēng)向響應(yīng)在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中尤為重要.多國風(fēng)荷載規(guī)范均給出了典型的矩形斷面形式的高層建筑順風(fēng)向響應(yīng)計(jì)算方法；但不同的計(jì)算方法導(dǎo)致結(jié)果存在偏差.以某矩形高層建筑為例；基于風(fēng)洞試驗(yàn)比較研究中國、美國及加拿大規(guī)范計(jì)算方法.研究表明:因平均風(fēng)速定義的差異；中國風(fēng)振系數(shù)取值要高于美國的陣風(fēng)影響系數(shù)；相比頻域法的計(jì)算結(jié)果；中國規(guī)范中采用的慣性風(fēng)荷載法計(jì)算結(jié)果偏大；在相同風(fēng)荷載作用下；中國和加拿大規(guī)范方法得到的順風(fēng)向最大位移響應(yīng)值偏大；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于保守.美國規(guī)范的計(jì)算結(jié)果相對偏小；相對偏于不安全；相比于加拿大陣風(fēng)荷載因子法；中國慣性風(fēng)荷載法風(fēng)致響應(yīng)偏小.

按通常的方法將高層建筑順風(fēng)向風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)分解為平均、背景和共振三部分。在合理簡化的基礎(chǔ)上提出了形式簡單、與響應(yīng)類型無關(guān)的背景和共振等效風(fēng)荷載和響應(yīng)的簡化計(jì)算公式。兩個典型數(shù)值算例的計(jì)算表明,該法精度很高,是一種很好的實(shí)用計(jì)算方法。

基于一棟立面上有多個開洞的矩形截面超高層建筑的剛性模型表面壓力測量風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,分析了矩形截面超高層建筑在長邊立面上不同開洞工況下建筑各表面平均風(fēng)壓系數(shù)和最不利風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)建筑長邊迎風(fēng)時,開洞使得背風(fēng)面洞口附近的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對值增大,但迎風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)變化很小;當(dāng)建筑短邊迎風(fēng)時,開洞對洞口附近的平均風(fēng)壓系數(shù)和最不利正風(fēng)壓系數(shù)均只有微弱影響,但對其最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)卻有很大影響,特別是中部開洞,將使其周圍的最不利負(fù)風(fēng)壓系數(shù)增大一倍以上;開洞對短邊立面上的最不利風(fēng)壓系數(shù)不產(chǎn)生明顯的影響。為有結(jié)構(gòu)開洞的高層建筑洞口附近的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。

為了研究山地風(fēng)場中超高層建筑的風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)特性,必須了解復(fù)雜湍流變化對建筑風(fēng)荷載的影響。在風(fēng)洞中模擬了4種湍流度,通過3個不同高寬比圓形截面超高層建筑模型,考察了來流湍流度、建筑高寬比、層高度等因素對順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載功率譜影響規(guī)律。針對2個方向風(fēng)荷載功率譜的特點(diǎn)分別采用不同荷載譜模型進(jìn)行了參數(shù)擬合,再以湍流度、建筑高寬比為基本變量對荷載譜模型參數(shù)進(jìn)行二次擬合,初步建立了復(fù)雜山地圓形截面超高層建筑風(fēng)荷載功率譜的數(shù)學(xué)模型。最后給出一個實(shí)例,通過具體山地風(fēng)速和湍流度剖面,根據(jù)提出的建筑風(fēng)荷載功率譜數(shù)學(xué)模型,比較了山地和平地圓形截面超高層建筑的風(fēng)振響應(yīng)。

針對矩形截面的高層建筑物,對不同高寬比和邊長比的9種模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),通過對大量數(shù)據(jù)的處理和分析,考察了模型高度、高寬比、邊長比對高層建筑物扭轉(zhuǎn)風(fēng)向風(fēng)力功率譜(扭矩功率譜)的影響規(guī)律,并擬合出了一個以風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、邊長比等為參數(shù)的高層建筑物扭矩功率譜密度函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明它是合理有效的.