高層建筑風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)測高層建筑風致振動的有效手段。應用小波對gps觀測的振動信號進行提取,結(jié)果表明,gps能精確地觀測到建筑物2mm的風致振動變形。

針對偏心高層建筑風致彎扭振動問題,采用euler-bernoulli梁模型,選擇建筑截面剛度中心為參考坐標原點,坐標x軸平行于風向角,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,發(fā)展了連續(xù)梁模型的三維風振理論,給出了風致彎扭耦合振動時頂層角點加速度響應表達式。針對具體算例,結(jié)合實際風洞試驗擬合數(shù)據(jù),運用該方法進行計算,并與原文獻計算結(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的影響。

在相鄰建筑物的干擾下,受擾高層建筑的風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)風荷載的干擾效應,分析了建筑物間距、風場和風向角等參數(shù)的影響。研究表明,高層建筑扭轉(zhuǎn)荷載的干擾效應很顯著,b類風場0°風向角下,峰值扭矩干擾因子ifp可達2.1,45°風向角下更可高達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)風壓風洞試驗的方法和結(jié)果,探討了利用試驗獲得的風壓系數(shù)求解高層建筑風荷載和風載體型系數(shù)的過程和方法,并經(jīng)工程實例驗證準確可行,有助于建筑設計與施工人員利用動態(tài)風壓風洞試驗結(jié)果較為方便地計算高層建筑整體結(jié)構(gòu)風荷載。

工程力學97 0 50 100 150 200 250 300 0.02.0x1094.0x1096.0x1098.0x1091.0x1010 順風向彎矩/(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類風場中的彎矩響應 fig.3bendingmomentofbuildinginterraincategoryd 3.2響應和廣義陣風效應因子隨風速的變化特征 本節(jié)討論響應和ggef隨風速的變化。計算了 不同風速下所選建筑在b類風場中的順、橫風向的

第23卷第7期vol.23no.7工程力學 2006年7月july2006engineeringmechanics93 ——————————————— 收稿日期：2004-10-14；修改日期：2005-05-14 基金項目：國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體科學基金(50321003)；教育部“高等學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，長江學者，主要從事結(jié)構(gòu)抗風研究(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)抗風研究。 文章編號：1000-4750(2006)07-0093-06 高層建筑風致響應和等效靜力風荷載的特征 *顧明，葉豐 (同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092) 摘

詳細討論了高層建筑風致振動和等效靜力風荷載的計算方法及其特征。將結(jié)構(gòu)風致響應分解為平均響應、動力響應的背景分量和共振分量,給出了相應的計算公式;還給出了背景和共振等效靜力風荷載的計算公式,提出了等效靜力風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,討論了高層建筑風致響應和等效靜力風荷載的主要特征。

以重慶賓館為工程背景,制作了縮尺比為1∶300的試驗模型,并進行了剛性模型同步測壓風洞試驗,采集了重慶賓館建筑表面的脈動風壓時程。風洞試驗包括有周邊建筑和無周邊建筑兩類工況。采用風洞試驗的脈動風壓時程數(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),進行了其風致響應研究,得到了建筑頂部的位移響應和加速度響應,并進行了人體舒適度驗算。采用慣性風荷載法,研究了建筑主軸方向的等效靜力風荷載。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)進行風致響應分析,位移響應能滿足工程精度的要求,但加速度響應誤差較大,至少應考慮前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;橫風向平均風荷載較小,但慣性風荷載較大。

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(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(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;相對橫風向風力,扭矩的豎向相關(guān)系數(shù)隨距離衰減更快;脈動扭矩與橫風向風力具有較強的相關(guān)性。

利用風洞試驗結(jié)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(guān)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(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壓數(shù)據(jù)計算一棟實際超高層建筑的扭轉(zhuǎn)動力響應,對比了扭轉(zhuǎn)廣義力譜、頂層扭轉(zhuǎn)響應譜以及扭轉(zhuǎn)響應根方差等計算結(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行風速測試的風洞試驗,采用風速比來衡量開洞高層建筑的風能利用效能,根據(jù)試驗結(jié)果分析一些因素對風速比的影響,研究洞口中心處風速的湍流度。結(jié)果表明:洞口對風速的放大效果存在額定風速比;單洞口情況下,上洞口最大風速比為1.28~1.35,下洞口最大風速比為1.31~1.39;風向角較小時,洞口中心處的湍流度比來流湍流度小,有利于風機穩(wěn)定地進行風能發(fā)電,風向角較大時,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洞試驗,結(jié)合時域和頻域分析方法對其進行風效應分析。首先計算了慣性力法得到的各層等效靜風荷載和風荷載時程分別作用下結(jié)構(gòu)的位移響應,并分析了典型風向的結(jié)構(gòu)響應特性;同時以330°風向角下的風洞試驗時程數(shù)據(jù)為基礎,進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)風致響應的影響。結(jié)果顯示:對于該高層建筑的風致響應計算,僅考慮基階振型的貢獻可以近似滿足工程精度要求;加速度計算對應的橫風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)阻尼比與控制性風向風致響應的定量關(guān)系。

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

依據(jù)某超高層建筑,著重介紹了風洞試驗的方法,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壓特性以及一些測點風壓隨風向角的變化規(guī)律。結(jié)果表明:迎風面中上部風壓系數(shù)較大,接近1.0;底部部分風壓系數(shù)達到1.0;側(cè)風面和背風面風壓系數(shù)大多為負值,特別是靠近角落處由于渦旋脫落,其值可達到-2。環(huán)境建筑對該高層建筑表面風壓的影響較大,特別在建筑中下部。為其進行結(jié)構(gòu)設計提出一些參考。

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行了風洞試驗,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平均風荷載、氣動風荷載和風振響應的影響和干擾效應。結(jié)果表明:湍流度對靜風荷載影響甚少,但對動力風荷載以及風振響應影響很大;總的來說,d類流場下的結(jié)構(gòu)抖振效應要明顯高于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,同時也增大了其風振響應和總的風振荷載,其中對總風振荷載的干擾效應隨著湍流度的增加而降低,但在d類地貌下且梯度風高度處的湍流度為15.8%時的干擾因子依然較為明顯,干擾效應并沒有消失。

為研究超高層建筑風致內(nèi)壓的干擾效應,在不同干擾工況下對一典型開洞超高層建筑進行了內(nèi)壓風洞試驗.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,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.

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

建筑結(jié)構(gòu)學報　journalofbuildingstructures第31卷第6期2010年6月vol131no16june2010020 文章編號:100026869(2010)0620171208 山地風場中超高層建筑風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.重慶大學土木工程學院,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:針對山地風場中超高層建筑風荷載特點,在114m×114m風洞中進行了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

針對山地風場中超高層建筑風荷載特點,在1.4m×1.4m風洞中進行了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)風洞試驗結(jié)果,建立了正方形截面和圓形截面風荷載幅值特性的數(shù)學模型,通過比較說明與風洞試驗結(jié)果吻合較好,可為山地風場中的超高層建筑風致響應計算提供依據(jù)。

第07卷第10期中國水運vol.7no.10 2007年10月chinawatertransportoctober2007 收稿日期：2007-7-11 作者簡介：蔡志波男（1973—）江漢油田設計院勘察室工程師（433123） 研究方向：巖土工程 高層建筑風荷載及抗風設計 蔡志波 摘要：隨著輕質(zhì)高強新型建筑材料的不斷涌現(xiàn)，高層建筑不但建筑形式變化多樣，而且結(jié)構(gòu)體型也朝著高大、輕 柔的方向發(fā)展。故風對高層建筑的影響越來越大。所以必須認真對待高層建筑中風荷載。本文通過簡述風的起因、 風的特征、風壓及

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基于剛性模型測壓風洞試驗數(shù)據(jù)，采用時程分析法對高層建筑屋頂廣告牌的風致響應進行了研究，并分析了單邊布置、鄰邊布置、三邊布置及四邊布置廣告牌對風致響應的影響。結(jié)果顯示，高層屋頂廣告牌單邊布置時面板受力最大，而三邊布置廣告牌時面板受力最??；面板中間位置的斜撐單元對風荷載最為敏感，靠近面板迎風側(cè)的立柱單元內(nèi)力響應相對較大，面板中心位置的橫向單元內(nèi)力響應最大；不同的廣告牌布置方式下，各類單元的陣風響應因子差別都不超過0．1。而同一種廣告牌布置方式下各類單元之間的陣風響應因子差別最大為0．3；建議計算高層屋頂廣告牌等效靜力風荷載時，可偏保守地將陣風響應因子統(tǒng)一取為1．6。