高層建筑風(fēng)致振動慣性力的試驗

從模擬振動實驗和工程實測兩方面驗證了高采樣率gps單歷元定位技術(shù)是一種監(jiān)測高層建筑風(fēng)致振動的有效手段。應(yīng)用小波對gps觀測的振動信號進(jìn)行提取,結(jié)果表明,gps能精確地觀測到建筑物2mm的風(fēng)致振動變形。

針對偏心高層建筑風(fēng)致彎扭振動問題,采用euler-bernoulli梁模型,選擇建筑截面剛度中心為參考坐標(biāo)原點,坐標(biāo)x軸平行于風(fēng)向角,按照雙向彎扭耦合振動理論,求取振型和自振頻率;然后以隨機振動理論為基礎(chǔ),發(fā)展了連續(xù)梁模型的三維風(fēng)振理論,給出了風(fēng)致彎扭耦合振動時頂層角點加速度響應(yīng)表達(dá)式。針對具體算例,結(jié)合實際風(fēng)洞試驗擬合數(shù)據(jù),運用該方法進(jìn)行計算,并與原文獻(xiàn)計算結(jié)果比較,分析了誤差來源;并研究了剛度中心、質(zhì)心偏離對建筑自振頻率、頂層角點加速度響應(yīng)的影響。

在相鄰建筑物的干擾下,受擾高層建筑的風(fēng)荷載與其在孤立狀態(tài)下相比會有較大的變化。本文采用動態(tài)測力天平技術(shù),通過模型風(fēng)洞試驗研究了方形截面高層建筑在周邊另一個同樣建筑的氣動干擾下,其平均、脈動和峰值扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載的干擾效應(yīng),分析了建筑物間距、風(fēng)場和風(fēng)向角等參數(shù)的影響。研究表明,高層建筑扭轉(zhuǎn)荷載的干擾效應(yīng)很顯著,b類風(fēng)場0°風(fēng)向角下,峰值扭矩干擾因子ifp可達(dá)2.1,45°風(fēng)向角下更可高達(dá)3.5。最后通過分析受擾模型的基底扭矩譜討論了上游建筑旋渦脫落的影響。

介紹了建筑物動態(tài)風(fēng)壓風(fēng)洞試驗的方法和結(jié)果,探討了利用試驗獲得的風(fēng)壓系數(shù)求解高層建筑風(fēng)荷載和風(fēng)載體型系數(shù)的過程和方法,并經(jīng)工程實例驗證準(zhǔn)確可行,有助于建筑設(shè)計與施工人員利用動態(tài)風(fēng)壓風(fēng)洞試驗結(jié)果較為方便地計算高層建筑整體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載。

工程力學(xué)97 0 50 100 150 200 250 300 0.02.0x1094.0x1096.0x1098.0x1091.0x1010 順風(fēng)向彎矩/(n·m) he ig ht /m 均值 背景分量 共振分量 總量 0 50 100 150 200 250 300 0.03.0x1096.0x1099.0x1091.2x1010 橫風(fēng)向彎矩/(n·m) he ig ht /m 背景分量 共振分量 總量 圖3選定建筑在d類風(fēng)場中的彎矩響應(yīng) fig.3bendingmomentofbuildinginterraincategoryd 3.2響應(yīng)和廣義陣風(fēng)效應(yīng)因子隨風(fēng)速的變化特征 本節(jié)討論響應(yīng)和ggef隨風(fēng)速的變化。計算了 不同風(fēng)速下所選建筑在b類風(fēng)場中的順、橫風(fēng)向的

第23卷第7期vol.23no.7工程力學(xué) 2006年7月july2006engineeringmechanics93 ——————————————— 收稿日期：2004-10-14；修改日期：2005-05-14 基金項目：國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(50321003)；教育部“高等學(xué)校骨干教師資助計劃”聯(lián)合資助 作者簡介：*顧明(1957)，男，江蘇興化人，教授，博導(dǎo)，長江學(xué)者，主要從事結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究(e-mail:minggu@mail.#edu.cn)； 葉豐(1977)，男，江西上饒人，博士生，主要從事結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究。 文章編號：1000-4750(2006)07-0093-06 高層建筑風(fēng)致響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載的特征 *顧明，葉豐 (同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092) 摘

詳細(xì)討論了高層建筑風(fēng)致振動和等效靜力風(fēng)荷載的計算方法及其特征。將結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)分解為平均響應(yīng)、動力響應(yīng)的背景分量和共振分量,給出了相應(yīng)的計算公式;還給出了背景和共振等效靜力風(fēng)荷載的計算公式,提出了等效靜力風(fēng)荷載組合的一種簡便方法,并討論了計算背景分量的qml法和lrc法的差異。最后,以一典型高層建筑為算例,討論了高層建筑風(fēng)致響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載的主要特征。

以重慶賓館為工程背景,制作了縮尺比為1∶300的試驗?zāi)Ｐ?并進(jìn)行了剛性模型同步測壓風(fēng)洞試驗,采集了重慶賓館建筑表面的脈動風(fēng)壓時程。風(fēng)洞試驗包括有周邊建筑和無周邊建筑兩類工況。采用風(fēng)洞試驗的脈動風(fēng)壓時程數(shù)據(jù),考慮該高層建筑2個主軸方向的前4階彎曲模態(tài),進(jìn)行了其風(fēng)致響應(yīng)研究,得到了建筑頂部的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng),并進(jìn)行了人體舒適度驗算。采用慣性風(fēng)荷載法,研究了建筑主軸方向的等效靜力風(fēng)荷載。結(jié)果表明:對于高度為300m的混凝土高層建筑,僅考慮1階模態(tài)進(jìn)行風(fēng)致響應(yīng)分析,位移響應(yīng)能滿足工程精度的要求,但加速度響應(yīng)誤差較大,至少應(yīng)考慮前4階模態(tài);重慶賓館10年重現(xiàn)期下建筑頂部的峰值加速度為0.144m/s2,滿足舒適度限制要求;橫風(fēng)向平均風(fēng)荷載較小,但慣性風(fēng)荷載較大。

利用剛性模型的同步測壓風(fēng)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(nèi)容包括扭矩系數(shù)的根方差、功率譜密度、豎向相關(guān)性以及橫風(fēng)向脈動風(fēng)力-扭矩相干函數(shù),另外還考察了厚寬比和風(fēng)場類別這兩個參數(shù)對脈動扭矩的影響。研究結(jié)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(fēng)向風(fēng)力,扭矩的豎向相關(guān)系數(shù)隨距離衰減更快;脈動扭矩與橫風(fēng)向風(fēng)力具有較強的相關(guān)性。

利用風(fēng)洞試驗結(jié)果,對矩形截面超高層建筑風(fēng)致脈動扭矩數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。以厚寬比和風(fēng)場類別為基本變量,采用最小二乘法得到了風(fēng)致脈動扭矩系數(shù)根方差、功率譜密度、豎向相關(guān)性系數(shù)以及橫風(fēng)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(jié)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(jié)構(gòu)隨機振動方法,用提出的公式以及直接采用試驗風(fēng)壓數(shù)據(jù)計算一棟實際超高層建筑的扭轉(zhuǎn)動力響應(yīng),對比了扭轉(zhuǎn)廣義力譜、頂層扭轉(zhuǎn)響應(yīng)譜以及扭轉(zhuǎn)響應(yīng)根方差等計算結(jié)果,對比結(jié)果表明兩者吻合較好,從而驗證了公式的適用性。

對開洞高層建筑模型進(jìn)行風(fēng)速測試的風(fēng)洞試驗,采用風(fēng)速比來衡量開洞高層建筑的風(fēng)能利用效能,根據(jù)試驗結(jié)果分析一些因素對風(fēng)速比的影響,研究洞口中心處風(fēng)速的湍流度。結(jié)果表明:洞口對風(fēng)速的放大效果存在額定風(fēng)速比;單洞口情況下,上洞口最大風(fēng)速比為1.28~1.35,下洞口最大風(fēng)速比為1.31~1.39;風(fēng)向角較小時,洞口中心處的湍流度比來流湍流度小,有利于風(fēng)機穩(wěn)定地進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電,風(fēng)向角較大時,洞口中心處的湍流度迅速增大。最后結(jié)合工程實例給出提高風(fēng)能利用效能的途徑。

以一棟大高寬比高層建筑為背景,通過多點同步測壓風(fēng)洞試驗,結(jié)合時域和頻域分析方法對其進(jìn)行風(fēng)效應(yīng)分析。首先計算了慣性力法得到的各層等效靜風(fēng)荷載和風(fēng)荷載時程分別作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng),并分析了典型風(fēng)向的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性;同時以330°風(fēng)向角下的風(fēng)洞試驗時程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),進(jìn)行了氣動力功率譜密度分析;最后分析了阻尼比參數(shù)的選取對結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)的影響。結(jié)果顯示:對于該高層建筑的風(fēng)致響應(yīng)計算,僅考慮基階振型的貢獻(xiàn)可以近似滿足工程精度要求;加速度計算對應(yīng)的橫風(fēng)向廣義力與位移計算的相比較大,但數(shù)值表現(xiàn)均不明顯。最后給出了結(jié)構(gòu)阻尼比與控制性風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)的定量關(guān)系。

對開洞高層建筑剛性模型進(jìn)行了風(fēng)洞測壓試驗。基于試驗結(jié)果,分析了立面和洞口表面的風(fēng)壓分布規(guī)律,研究了洞口表面脈動風(fēng)壓的功率譜。結(jié)果表明:當(dāng)洞口軸線方向與來流方向一致時,迎風(fēng)面洞口附近區(qū)域的平均風(fēng)壓系數(shù)總體上比立面不開洞時減小,少數(shù)測點的平均風(fēng)壓系數(shù)增大,脈動風(fēng)壓系數(shù)變化較小;背風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)總體上比立面不開洞時減小,但洞口附近局部平均風(fēng)壓系數(shù)增大可達(dá)40%,脈動風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律與平均風(fēng)壓系數(shù)類似;側(cè)風(fēng)面平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓系數(shù)比立面不開洞時均有不同程度的減小;洞口內(nèi)部為負(fù)風(fēng)壓,脈動風(fēng)壓的功率譜與一般高層建筑側(cè)風(fēng)面氣流分離區(qū)域脈動風(fēng)壓的功率譜有明顯差異。最后,給出了設(shè)置兩個洞口時,立面極值風(fēng)壓系數(shù)的影響系數(shù)以及洞口表面極值風(fēng)壓系數(shù)的分布圖。

依據(jù)某超高層建筑,著重介紹了風(fēng)洞試驗的方法,描述了在考慮有、無環(huán)境建筑影響下,該高層建筑一些典型的表面風(fēng)壓特性以及一些測點風(fēng)壓隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。結(jié)果表明:迎風(fēng)面中上部風(fēng)壓系數(shù)較大,接近1.0;底部部分風(fēng)壓系數(shù)達(dá)到1.0;側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)大多為負(fù)值,特別是靠近角落處由于渦旋脫落,其值可達(dá)到-2。環(huán)境建筑對該高層建筑表面風(fēng)壓的影響較大,特別在建筑中下部。為其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計提出一些參考。

在較高湍流度流場用高頻測力天平方法對金茂大廈模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗,分析了周圍建筑以及待建的環(huán)球金融中心對金茂大廈的基礎(chǔ)平均風(fēng)荷載、氣動風(fēng)荷載和風(fēng)振響應(yīng)的影響和干擾效應(yīng)。結(jié)果表明:湍流度對靜風(fēng)荷載影響甚少,但對動力風(fēng)荷載以及風(fēng)振響應(yīng)影響很大;總的來說,d類流場下的結(jié)構(gòu)抖振效應(yīng)要明顯高于b類地貌情況。環(huán)球金融中心對金茂大廈有很大的靜力遮擋影響,同時也增大了其風(fēng)振響應(yīng)和總的風(fēng)振荷載,其中對總風(fēng)振荷載的干擾效應(yīng)隨著湍流度的增加而降低,但在d類地貌下且梯度風(fēng)高度處的湍流度為15.8%時的干擾因子依然較為明顯,干擾效應(yīng)并沒有消失。

為研究超高層建筑風(fēng)致內(nèi)壓的干擾效應(yīng),在不同干擾工況下對一典型開洞超高層建筑進(jìn)行了內(nèi)壓風(fēng)洞試驗.分析了不同截面寬度、不同高度施擾建筑干擾下的平均與峰值內(nèi)壓干擾因子的分布規(guī)律,并通過功率譜分析,研究了有、無干擾建筑時脈動內(nèi)壓的能量分布.結(jié)果表明:有、無干擾下的超高層建筑風(fēng)致內(nèi)壓近似服從高斯分布;串列布置時,隨著施擾建筑與受擾建筑的截面寬度比的增大,內(nèi)壓干擾因子逐漸減小;在并列布置且側(cè)面開洞時,平均與峰值內(nèi)壓均呈放大效應(yīng),且干擾因子隨著寬度比的增大而隨之增加,峰值內(nèi)壓干擾因子最大值為1.33,此時若并列間距較小時,旋渦脫落共振峰值消失,但helmhohz共振峰值能量會被大幅提高;當(dāng)串列布置且施擾建筑高度與開洞所在高度相近時,側(cè)面開洞受擾建筑的峰值內(nèi)壓始終被放大,峰值內(nèi)壓干擾因子最大值為1.12.

在大氣邊界層風(fēng)洞中模擬了b、c、d三類地貌的風(fēng)場,對矩形和方形模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗,分析了不同風(fēng)場下矩形和方形模型的風(fēng)壓分布、順風(fēng)向脈動風(fēng)壓功率譜和風(fēng)壓空間相關(guān)性。結(jié)果表明：b、c、d三類風(fēng)場下,平均風(fēng)壓系數(shù)逐步減小,脈動風(fēng)壓系數(shù)逐步增大,順風(fēng)向脈動風(fēng)壓功率譜峰值對應(yīng)頻率基本一致;順風(fēng)向脈動風(fēng)壓功率譜分布特征隨高度變化不大;風(fēng)壓水平和豎向相關(guān)性隨距離增加而減小;湍流度的增大使得迎風(fēng)面水平和豎向風(fēng)壓相關(guān)性增大。

風(fēng)荷載是高層建筑物的主要側(cè)向控制荷載,準(zhǔn)確地測量作用于建筑物上的靜態(tài)和動態(tài)風(fēng)荷載并預(yù)測建筑物的動態(tài)響應(yīng)具有重要的工程意義.為此,采用目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的高頻動態(tài)天平技術(shù)對重慶某高層建筑的模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗,研究了風(fēng)荷載及其特性,給出了該建筑物在不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的基底力與力矩系數(shù),為該建筑物的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供了依據(jù).

以中華城商業(yè)社區(qū)高層建筑群為工程背景,采用rngk-ε湍流模型模擬了建筑群中超高層建筑的表面平均風(fēng)壓分布及周圍風(fēng)環(huán)境,計算了與風(fēng)洞試驗等雷諾數(shù)及增大來流風(fēng)速和模型尺寸提高雷諾數(shù)后的兩類雷諾數(shù)工況,并同風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明,在等雷諾數(shù)情況下,風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬得到的超高層建筑表面風(fēng)壓分布較為一致,數(shù)值差別在15%以內(nèi);數(shù)值模擬與試驗雷諾數(shù)相差25倍的工況中,當(dāng)多數(shù)建筑主軸向與來流風(fēng)速成一定角度時,超高層建筑的風(fēng)壓分布及周圍流場的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗較一致;當(dāng)多數(shù)建筑主軸向與來流風(fēng)速平行時,尾流中旋渦分布的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗差異明顯,但平均風(fēng)壓分布的數(shù)值模擬與試驗結(jié)果略顯差別。

某鋼管混凝土框架混凝土核心筒超高層建筑,結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載十分敏感,風(fēng)環(huán)境較為復(fù)雜。通過風(fēng)洞試驗研究了凹角矩形超高層建筑的風(fēng)荷載特性;針對順風(fēng)荷載、橫向風(fēng)荷載以及扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載,對比了基于風(fēng)洞數(shù)據(jù)和規(guī)范公式得到的結(jié)構(gòu)反應(yīng),明確本工程規(guī)范公式的適用性;分析了采用風(fēng)洞數(shù)據(jù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載組合,同時利用風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)振時程分析,得到結(jié)構(gòu)的舒適度評價,并與公式結(jié)果進(jìn)行對比,為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報　journalofbuildingstructures第31卷第6期2010年6月vol131no16june2010020 文章編號:100026869(2010)0620171208 山地風(fēng)場中超高層建筑風(fēng)荷載幅值特性試驗研究 李正良 1 ,孫　毅 1 ,黃漢杰 2 ,陳朝暉 1 ,魏奇科 1 (1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶400045;2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心,四川綿陽621000) 摘要:針對山地風(fēng)場中超高層建筑風(fēng)荷載特點,在114m×114m風(fēng)洞中進(jìn)行了11個不同高寬比、厚寬比矩形截面和圓形截 面超高層建筑表面測壓風(fēng)洞試驗,分析了阻力系數(shù)平均值、均方根值和升力、扭矩系數(shù)均方根值受來流風(fēng)湍流度、建筑高寬 比、厚寬比和層相對高度等因素的影響。結(jié)果表明:矩形截面建筑各

針對山地風(fēng)場中超高層建筑風(fēng)荷載特點,在1.4m×1.4m風(fēng)洞中進(jìn)行了11個不同高寬比、厚寬比矩形截面和圓形截面超高層建筑表面測壓風(fēng)洞試驗,分析了阻力系數(shù)平均值、均方根值和升力、扭矩系數(shù)均方根值受來流風(fēng)湍流度、建筑高寬比、厚寬比和層相對高度等因素的影響。結(jié)果表明:矩形截面建筑各氣動力幅值特性明顯隨湍流度、建筑高寬比、厚寬比、層相對高度的改變而變化,而圓形截面建筑各氣動力幅值特性僅隨湍流度、層相對高度的改變而變化。根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果,建立了正方形截面和圓形截面風(fēng)荷載幅值特性的數(shù)學(xué)模型,通過比較說明與風(fēng)洞試驗結(jié)果吻合較好,可為山地風(fēng)場中的超高層建筑風(fēng)致響應(yīng)計算提供依據(jù)。