強風下方截面高層建筑橫風向氣動阻尼比

在臺風\"燦鴻\"、\"杜鵑\"影響期間,對溫州某矩形截面高層建筑進行了現(xiàn)場實測,得到其頂層的風速、風向及多個樓層的加速度響應數(shù)據(jù)。將加速度數(shù)據(jù)經(jīng)emd處理,應用era、era-next及ar三種方法,對建筑結構的模態(tài)參數(shù)與氣動阻尼動力特性進行了計算分析,結果表明: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%,即均可以用計算頻率及分析判斷振型;但振型阻尼比結果卻不同,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構阻尼比擬合曲線中,柯西(caughey)阻尼模型(b=2時)與sergiolagomarsino經(jīng)驗曲線最為接近;一階振型氣動阻尼比均為負值,且隨著風速的增大,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下原型實測數(shù)據(jù),應用單輸入多輸出的era-next理論方法,對影響氣動阻尼比的諸多因素進行綜合對比分析研究。結果表明:隨著平均風速的增加,速度、加速度均方根也沿著冪函數(shù)增加；在小折減風速范圍內(小于1.0),氣動阻尼比與折減風速、加速度(速度)均方根與幅值比值的關系也不是純粹單調的,而是分區(qū)間增減變化,雖然四個臺風的區(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)值大小的排列與風向角大小具相關性；x,y向氣動阻尼比與結構加速度功率譜幅值的關系具有相似規(guī)律。

基于風洞試驗數(shù)據(jù)和隨機振動理論,本文提出了矩形高層建筑橫風向風振響應簡化計算公式,這些簡化公式的提出將求高層建筑橫風向風振響應的復雜積分變?yōu)榉奖愕拇鷶?shù)運算。本文應用這些簡化公式對大量的矩形高層建筑實例進行了計算、分析。將本文提出的簡化公式計算結果與積分計算結果比較,相對誤差基本上在5%以內,因此本文提出的公式有較高的精度。用本文簡化公式計算得到的高層建筑橫風向風振響應與日本建筑荷載規(guī)范、加拿大國家建筑規(guī)范計算得到的橫風向風振響應比較,總體上差異較小。由于本文提出的簡化公式所依據(jù)的風洞試驗模型和數(shù)據(jù)較為精細,因此本文簡化公式有相當高的可靠性與合理性。

根據(jù)湍流脈動壓力的產生機理,從湍流理論的基本方程出發(fā),根據(jù)taylor關于湍流的"凍結"假定,導出了湍流脈動風壓譜密度函數(shù)的解析計算公式。在分析過程中考慮了壓力方程源項中全部"紊動—剪切"項的影響。若取用合適的湍流積分尺度,則由此公式得出的橫風向脈動風壓譜密度函數(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。由于在接近結構第一階自振頻率時,譜函數(shù)值仍處于較高的水平,因此根據(jù)湍流脈動風壓譜密度函數(shù)計算得出的結構橫風向風振動力反應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值,而且推測隨結構高度的增加這一影響也有增加的趨勢。建議對此問題進行更深入的研究并在高層建筑結構設計時考慮這一差別的影響。

隨著建筑高度的增加,結構自振周期延長,抗側剛度相對變小,風荷載效應增大。本文以200m高的高層建筑為研究對象,基于風洞試驗所得的橫風向風壓時程數(shù)據(jù)對其結構進行了計算。試驗模型縮尺比為1/400。試驗取風向角從0°到45°,每級風向角增量為5°,模擬了兩種地面粗糙度。對試驗數(shù)據(jù)進行了迎風面和背風面氣動效應的分析?？紤]結構第一模態(tài)振型發(fā)生的位移,由振型分解法按duhamel積分獲得了結構頂點位移和頂點加速度,探討了結構響應最大值和標準差與風向角、結構自振基頻、地面粗糙度等因素的關系。研究表明:風荷載效應與風向角有密切的聯(lián)系,結構最大響應一般發(fā)生在0°。

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

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

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

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

超高層建筑結構橫風向風荷載研究——對于超高層建筑結構，我國荷載規(guī)范只給出了順風向的抗風設計方法，對于橫風向風荷載則并沒有給出規(guī)定。而在實際工程中的超高層建筑，有時橫風向風荷載遠大于順風項，為控制荷載，因此目前我國荷載規(guī)范在超結構的橫風向抗風設...

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

高層建筑風振響應分析中考慮土與結構相互作用后地基土的材料阻尼比幅值是多少,這是考慮土與結構相互作用對高層建筑結構風振響應有利還是不利的關鍵問題。通過對無樁基樁架-剪力墻結構的順風向風振響應分析,發(fā)現(xiàn)考慮土-結構相互作用時結構基礎底面土體的動剪應變幅值處于彈性應變范圍,根據(jù)土動力學中土的動剪應變與土的阻尼比的關系,土體的材料阻尼比較小,其值不超過0.03,據(jù)此計算出相應的結構最大層間位移和結構頂層的最大加速度比將地基視為剛性的結構有較大增長;因此,在高層結構風振響應分析中應考慮土-結構相互作用的影響。文章通過實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算提供了借鑒。

利用層狀半空間地基上明置基礎阻抗函數(shù)的簡化計算公式,研究了明置基礎高層建筑在動力風荷載作用下地基土材料阻尼比的取值范圍。計算分析表明風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-結構相互作用對高層建筑風振響應并不一定有利。對有明置基礎的彎剪型鋼筋混凝土框架剪力墻高層建筑結構,分別采用粘彈性均質半空間地基模型和層狀半空間錐體地基模型,進行了風振響應分析,并將結果進行了對比。結果表明: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,結果較精確,但計算量大,而選用粘彈性均質半空間地基模型,偏于保守,但計算簡便,精度可以滿足工程實際的需要。

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

推導設置出mtld高層建筑結構的等效阻尼比,討論了影響mtld系統(tǒng)等效阻尼比的基本參數(shù)

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

介紹了第3代結構風振控制基準問題的定義。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)估計的困難;利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡預測結構的控制行為,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)絡控制器的學習功能,解決了土木工程復雜結構模糊控制中難以依據(jù)專家的主觀經(jīng)驗來確定模糊控制規(guī)則和語言變量隸屬函數(shù)等困難。以風振控制的基準問題為研究對象,編制了程序對受控系統(tǒng)進行數(shù)值仿真分析。分析表明,模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制策略能有效地抑制高層建筑的風振反應。

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

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洞試驗結果,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壓系數(shù)和最不利風壓系數(shù)的變化規(guī)律。試驗結果表明:當建筑長邊迎風時,開洞使得背風面洞口附近的平均風壓系數(shù)絕對值增大,但迎風面上的平均風壓系數(shù)變化很小;當建筑短邊迎風時,開洞對洞口附近的平均風壓系數(shù)和最不利正風壓系數(shù)均只有微弱影響,但對其最不利負風壓系數(shù)卻有很大影響,特別是中部開洞,將使其周圍的最不利負風壓系數(shù)增大一倍以上;開洞對短邊立面上的最不利風壓系數(shù)不產生明顯的影響。為有結構開洞的高層建筑洞口附近的圍護結構設計提供了參考數(shù)據(jù)。

通過高層建筑氣動彈性模型的風洞試驗,測得模型的順風向、橫風向和扭轉風向加速度響應時程曲線,并用隨機減量技術(rdt)分析、計算得到其氣動阻尼,為高層建筑風振計算中氣動阻尼的確定提供了方法和依據(jù)

利用剛性模型的同步測壓風洞試驗,研究了矩形截面超高層建筑脈動扭矩的基本特征。研究內容包括扭矩系數(shù)的根方差、功率譜密度、豎向相關性以及橫風向脈動風力-扭矩相干函數(shù),另外還考察了厚寬比和風場類別這兩個參數(shù)對脈動扭矩的影響。研究結果表明,脈動扭矩系數(shù)隨高度增加遞減,隨厚寬比增加而增加;脈動扭矩譜具有兩個譜峰,譜峰形狀隨厚寬比改變發(fā)生很大變化;相對橫風向風力,扭矩的豎向相關系數(shù)隨距離衰減更快;脈動扭矩與橫風向風力具有較強的相關性。

利用風洞試驗結果,對矩形截面超高層建筑風致脈動扭矩數(shù)學模型進行研究。以厚寬比和風場類別為基本變量,采用最小二乘法得到了風致脈動扭矩系數(shù)根方差、功率譜密度、豎向相關性系數(shù)以及橫風向基底彎矩-基底扭矩相干函數(shù)閉合計算公式。這些公式的計算結果與原始試驗數(shù)據(jù)吻合較好,說明計算公式具有較高精度。此外,利用結構隨機振動方法,用提出的公式以及直接采用試驗風壓數(shù)據(jù)計算一棟實際超高層建筑的扭轉動力響應,對比了扭轉廣義力譜、頂層扭轉響應譜以及扭轉響應根方差等計算結果,對比結果表明兩者吻合較好,從而驗證了公式的適用性。