超高層建筑渦激共振危險性研究

隨著超高層建筑高度的大幅增加，其在強風作用下發(fā)生渦激共振的危險性越來越大。然而結構風工程界對各種體型超高層建筑渦激共振的激發(fā)機制及其發(fā)生的危險性和發(fā)生后的危害性的研究還不夠完善。本項目針對600m以上的超高層建筑，通過氣彈模型風洞試驗系統(tǒng)地研究了典型超高層建筑渦激共振鎖定的激發(fā)機制、發(fā)生概率和響應水平，取得了一系列重要成果。主要包括：1.分析了超高層建筑單自由度和多自由度氣彈模型渦振響應和氣彈參數(shù)的差異，指出了差異的根本原因，提出了多自由度氣彈模型改進設計方法；2.通過多自由度氣彈模型風洞試驗直接測得和氣動剛度對應的頻率改變量，分析了超高層建筑橫風向氣動剛度隨結構運動變化的規(guī)律與特點，揭示了體系振動頻率與渦脫頻率在渦激共振鎖定風速范圍內(nèi)相互俘獲的現(xiàn)象；3.通過分析多因素對氣動阻尼及其產(chǎn)生的氣彈效應的影響，構建了氣動阻尼與結構阻尼、高寬比、斯科拉頓數(shù)等參數(shù)的關系，進而建立了具有普適性的考慮多因素的超高建筑橫風向氣動阻尼比經(jīng)驗評估公式；4.從頻率改變量和流固相位關系的角度，給出了渦激共振響應時程不穩(wěn)定的根本原因，解釋了長期以來風工程界早就覺察但一直無法解釋的現(xiàn)象，在此基礎上，提出了共振發(fā)生概率評估模型，劃分了共振和非共振的界限；5.針對渦激共振響應的波動性和體系頻率的漂移現(xiàn)象，在改進的范德波爾模型的基礎上，建立了考慮氣動剛度和峰值參數(shù)的渦激共振響應評估模型，該模型可用于評估各種地貌中不同高寬比、不同斯科拉頓數(shù)的超高層建筑渦激共振響應水平；6. 通過一系列氣動外形優(yōu)化的氣彈模型風洞試驗，分析了典型氣動外形的改變對渦振響應的影響，結合一擬建的838m高實際超高層建筑風洞試驗結果，提出了超高層建筑抗渦激共振體型選取方法。本項目的成果為超高建筑結構抗風設計理論與方法的完善提供了依據(jù),為保障600米以上超高層建筑的抗風安全性與可靠性提供了技術支撐。 2100433B

隨著超高層建筑高度的大幅增加，其低頻、輕質、小阻尼的結構特性越來越突出，因而在強風作用下發(fā)生渦激共振的危險性越來越大。由于超高結構的渦激共振是一種大幅度、高強度的簡諧振動，在抗風設計時必須考慮其發(fā)生的可能性和發(fā)生后的危險性。但目前結構風工程界對各種體型的超高層建筑發(fā)生渦激共振的危險性和危害性還認識不足，相關的研究不夠全面、深入。本申請項目旨在通過風洞試驗、數(shù)值模擬和理論分析系統(tǒng)地研究典型超高層建筑在各種風場中和各種風向角下渦激共振鎖定的激發(fā)機制和發(fā)生概率，研究其共振鎖定發(fā)生后的響應，包括響應水平、持時及危害性。同時研究超高層建筑體型及剛心、質心的偏心對渦激共振鎖定的發(fā)生和響應幅值的影響，并進一步研究局部氣動措施對渦激共振鎖定的發(fā)生和響應幅值的控制效果。該項研究將為超高層建筑渦激動力災變的危險性評估奠定理論與實驗基礎并提供實用分析方法。

假若構件的自振頻率與漩渦的發(fā)放頻率相接近就會使結構發(fā)生共振破壞，這種現(xiàn)象容易發(fā)生在高聳結構物上，因此這種渦激振動是極其有害的，需采取措施阻止它的發(fā)生。一般可采取兩方面措施：一是對于構件進行剛性加固，或者增大尺度提高其剛度，改變構件的自振頻率，避免它與漩渦發(fā)放頻率相接近；二是想辦法改變構件后的尾流場，破壞尾流場漩渦的規(guī)律性泄放，如在結構上安裝螺旋線立板和改變結構截面形狀等。

前言

第1章緒論

1．1橋梁的風致振動

1．1．1顫振

1．1．2抖振

1．1．3馳振

1．1．4渦激共振

1．2橋梁渦激共振的基本理論

1．3橋梁渦激共振的研究現(xiàn)狀

1．3．1氣動外形

1．3．2來流攻角

1．3．3雷諾數(shù)

1．3．4紊流強度

1．4本書的研究意義及主要工作

1．4．1研究意義

1．4．2主要工作

1．5本書的技術路線及主要創(chuàng)新點

i．5．1技術路線

1．5．2主要創(chuàng)新點

第2章試驗研究

2．1風洞試驗

2．1．i風洞試驗內(nèi)容

2．1．2風洞試驗中的相似準則

2．2試驗目的

2．2．1渦激共振的攻角效應

2．2．2渦激共振的雷諾數(shù)效應

2．2．3渦激共振的跨向相關

2．2．4渦激共振的風場效應

2．3試驗模型

2．3．1試驗模型一

2．3．2試驗模型二

2．4試驗內(nèi)容

2．4．1試驗工況

2．4．2試驗內(nèi)容

2．5本章小結

第3章 渦激共振的攻角效應

3．1概述

3．2振幅與風速關系

3．3扭矩時程

3．4扭矩相關系數(shù)

3．5表面壓力分布

3．5．1邊界層與邊界層分離

3．5．2表面壓力分布特性

3．6頻譜

3．6．1振動頻譜

3．6．2壓力功率譜

3．7斯脫羅哈數(shù)

3．8本章小結

第4章 渦激共振的雷諾數(shù)效應

4．1概述

4．2雷諾數(shù)效應的定義

4．3扭轉渦激共振的雷諾數(shù)效應

4．3．1振幅與風速關系

4．3．2振動頻譜

4．3。3扭矩時程

4．3．4點扭矩與總扭矩的相關性

4．3．5測點脈動壓力功率譜

4．3．6表面眶力分布

4．4豎彎渦激共振的雷諾數(shù)效應

4．4．1振幅與風速關系

4．4．2振動頻譜

4．4．3升力時程

4．4．4點升力與總升力的相關性

4．4．5測點脈動壓力功率譜

4．4．6表面壓力分布

4．5本章小結

……

第5章渦激共振的跨向相關

第6章渦激共振的風場效應

第7章結論與展望

參考文獻

本項目主要針對橋梁結構有關的風致渦激共振響應及渦激力特性進行了研究，屬于土木工程領域的應用基礎研究。研究過程綜合應用了節(jié)段模型自由振動試驗、強迫振動試驗、氣動彈性模型風洞試驗等試驗技術和CFD數(shù)值模擬手段，取得了如下主要成果： （1）通過節(jié)段模型自由振動風洞試驗研究了矩形斷面、H型斷面、邊主梁斷面等多種橋梁構件截面的渦激振動性能，研究了氣動外形、雷諾數(shù)、Scruton數(shù)、頻率比等參數(shù)對渦激振動特性的影響，并選取矩形斷面進行了節(jié)段模型強迫振動和氣動彈性模型試驗研究，比較了不同試驗方式對應的渦激振動響應特性的差異。 （2）選擇了矩形和邊主梁截面的四種典型斷面進行了CFD分析，從微觀上研究了氣流經(jīng)過斷面之后的旋渦脫落特性，并通過模型在靜止狀態(tài)、自由振動狀態(tài)和強迫振動狀態(tài)的試驗結果對比研究了渦激振動產(chǎn)生的渦脫力、包含自激力的渦激力、運動位移的頻率特性以及力和位移之間的相位關系。 （3）研究了尾流振子模型和經(jīng)驗模型兩類渦激力模型，通過實例1/6矩形斷面的試驗數(shù)據(jù)考察了常用的Scanlan非線性經(jīng)驗渦激力模型，發(fā)現(xiàn)識別參數(shù)對模型系統(tǒng)的依賴性很強，很難把識別結果推廣應用； （4）通過拉條模型研究了渦激振動的相關性，發(fā)現(xiàn)渦激共振發(fā)生后渦激力沿跨向的相關性顯著增強，并提出了多點支撐彈性連續(xù)梁模型進行渦激振動特性的研究； （5）基于Tamura渦激力模型提出了橋梁矩形構件的三維渦振響應分析方法并與試驗結果進行了對比，驗證了其可行性； （6）通過實例對比研究了5種主要的渦激力模型對應的渦激共振幅值估算方法，發(fā)現(xiàn)對于簡單的橋梁構件Ruscheweyh估算方法的精度最高，但是用于估算橋梁結構的渦振響應偏差很大； （7）基于26組試驗數(shù)據(jù)擬合得到了寬高比0.5 2100433B