明置基礎(chǔ)高層建筑風振時層狀半空間地基材料阻尼比的研究

某沿海超高層建筑高度達350m,高寬比達7.6,又處于浙江沿海地區(qū),風荷載是其結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載.數(shù)值模擬了不同風向下超高層建筑底部平均風合力和合力矩,與風洞試驗結(jié)果相近,一般情況兩者差別不大于15%;同時擬合了該建筑表面的脈動風壓自譜密度和相干函數(shù)經(jīng)驗表達式,采用空間隨機風振的cqc方法對塔樓進行了風致動力響應(yīng)分析,并通過塔樓頂層峰值加速度響應(yīng)和底部靜力等效風荷載合力和合力矩的比較與分析,表明高層建筑專用風振分析方法在實際工程中應(yīng)用的可行性.

本文通過對在新上海國際大廈樓頂對\"云娜臺風\"測得的風資料進行的統(tǒng)計和分析,提出了此次臺風的主要影響指標,與理論計算進行了對比,指出了平均風壓與平均風速的二次指數(shù)關(guān)系造成了風荷載的過高估計。

本文提出了用斜拉彈簧阻尼器模型裝置控制高層建筑結(jié)構(gòu)的順風向隨機風振反應(yīng)，基于傳統(tǒng)的隨機線性最優(yōu)控制理論，文中發(fā)發(fā)展了一種實用的等效準是優(yōu)控制算法，優(yōu)化了控制裝置的各參數(shù)和設(shè)置位置，從而使與相應(yīng)主動拉索控制基本等效的被動斜拉彈簧阻尼控制得以實現(xiàn)，實例模擬計算以及主動和被動拉索控制的結(jié)果比較表明，采用文中的控制方式和等效算法是行之有較的。

本文提出了用斜拉彈簧阻尼器模型裝置控制高層建筑結(jié)構(gòu)的順風向隨機風振反應(yīng)，基于傳統(tǒng)的隨機線性最優(yōu)控制理論，文中發(fā)發(fā)展了一種實用的等效準是優(yōu)控制算法，優(yōu)化了控制裝置的各參數(shù)和設(shè)置位置，從而使與相應(yīng)主動拉索控制基本等效的被動斜拉彈簧阻尼控制得以實現(xiàn)，實例模擬計算以及主動和被動拉索控制的結(jié)果比較表明，采用文中的控制方式和等效算法是行之有較的。

科技的發(fā)展與應(yīng)用，使高層建筑被普遍應(yīng)用，在設(shè)計高層建筑的時候，需要注意風效應(yīng)對其的影響。既要滿足居住需求，又要滿足減少振動的要求，一般高層建筑風振控制有耗能減振系統(tǒng)、吸振減振系統(tǒng)、錨索控制、主動控制與混合控制系統(tǒng)等。

該文設(shè)計了一種質(zhì)量和結(jié)構(gòu)阻尼比可調(diào)的底部彈性支撐剛性體的雙向擺式氣彈模型,并通過氣彈模型風洞試驗獲得模型頂部加速度響應(yīng)時程。運用改進的隨機減量技術(shù),識別了湍流場中強風下方截面高層建筑橫風向氣動阻尼比。分析了風場類別、結(jié)構(gòu)阻尼比、均勻當量質(zhì)量以及模型高寬比對橫風向氣動阻尼比隨折算風速變化規(guī)律的影響。最后提出了橫風向氣動阻尼比的經(jīng)驗公式,并將引入氣動阻尼比后的橫風向響應(yīng)計算值與氣彈模型風洞試驗測量值比較,證明了該氣動阻尼比經(jīng)驗公式的正確性和實用性。

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)

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(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行了計算分析,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。

在建立了設(shè)置被動減振裝置的高層建筑風振控制效果結(jié)構(gòu)等效阻尼比計算公式的基礎(chǔ)上，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程提出了設(shè)置被動減振裝置高層建筑風振控制基于規(guī)范的實用設(shè)計方法。應(yīng)用本文方法對設(shè)置矩形ｔｌｄ的上海中環(huán)廣場超高層建筑的計算結(jié)果表明：本文方法具有簡單、直觀，且可與常規(guī)的結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計結(jié)果進行直接比較的特點，是風振控制規(guī)范化的一種設(shè)計方法，完全可為廣大結(jié)構(gòu)工程師所接受。

推導(dǎo)了脈動風荷載作用下考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時高層建筑結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的計算公式.算例表明土-結(jié)構(gòu)相互作用對高層建筑風振加速度響應(yīng)有明顯影響.一般而言,在軟土地基上土-結(jié)構(gòu)相互作用使高層建筑風振時加速度增加,從而增加了人體的不舒適感,甚至有可能影響到高層建筑的使用功能,故在設(shè)計時應(yīng)引起重視.

建立了高層建筑風振控制的離散時間狀態(tài)差分方程．利用離散隨機最優(yōu)控制理論，基于順向脈動風荷載的豎向相關(guān)性，設(shè)計了具有離散卡爾曼濾波器結(jié)構(gòu)的輸出反饋控制器．通過具體算例說明在狀態(tài)不完全可知的情況下，隨機離散輸出反饋控制能有效的減少結(jié)構(gòu)的順向脈動風振反應(yīng)．

本文針對高層建筑風振控制問題,應(yīng)用基于遺傳算法優(yōu)化模糊規(guī)則庫的模糊控制方法,通過mr阻尼器實現(xiàn)減小高層建筑風振反應(yīng)。采用雙輸入、單輸出的模糊控制策略,即以風荷載和其變化率為輸入量,以mr阻尼器所提供的控制力為輸出量。利用基于遺傳算法的優(yōu)化的模糊規(guī)則庫,根據(jù)作用模糊子集的推理方法進行模糊推理運算,并采用常用的重心法進行解模糊處理。以某12層框架結(jié)構(gòu)為例,進行數(shù)值模擬分析,并與優(yōu)化前的模糊控制策略和lqr最優(yōu)控制策略進行比較。數(shù)值分析結(jié)果表明,利用遺傳算法使優(yōu)化模糊規(guī)則庫得以優(yōu)化,改善了模糊控制的效果,有效地減小了結(jié)構(gòu)的風振反應(yīng)。

以天津某超高層結(jié)構(gòu)的風振控制為研究對象,分析了風荷載的動力特性.針對該工程的自身特點提出了設(shè)置粘滯阻尼器(a)、設(shè)置雙向調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(b)、設(shè)置粘滯阻尼器和雙向調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(c)的三種減振控制方案,采用具有三維空間相關(guān)性的自回歸過濾技術(shù),進行了不同控制方案下的風振控制動力分析,對比分析了不同方案下的控制效果.結(jié)果表明:在特定的加強層處設(shè)置粘滯阻尼器及在頂層設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼設(shè)備均能夠耗散風振作用輸入能量的30％以上,進而有效衰減結(jié)構(gòu)的風致振動響應(yīng),保證主體結(jié)構(gòu)的正常使用工作狀態(tài).依據(jù)分析結(jié)果對超高層結(jié)構(gòu)體系風振控制的分析與設(shè)計提出了建議.

本文對以最小化頂層位移方差為設(shè)計目標，在頻域內(nèi)進行增益優(yōu)化的兩種ａｔｍｄ完整反饋設(shè)計方法進行了對比分析。針對受ｄａｖｅｎｐｏｒｔ譜風激勵作用的ｓｄｏｆ結(jié)構(gòu)情形，對一超高層建筑進行數(shù)值分析以量化和評價控制性能。分析表明，完整反饋控制ⅱ總體性能優(yōu)于完整反饋控制ⅰ，所設(shè)計的ａｔｍｄ能更有效地抑制高層建筑的風振響應(yīng)。此外，完整反饋控制ⅱ具有明確的物理意義和靈活的形式，便于針對不同的激勵和響應(yīng)狀況設(shè)計變增益控制，提高控制效率及滿足控制力和行程的實際限制。

引入橫風力譜模型,分析了某高寬比為6的方形截面高層建筑在不同地貌和風速條件下的橫風向風振響應(yīng).同時考慮正氣動阻尼的影響,獲得該建筑在不同自振基頻下的風振響應(yīng)及氣動阻尼影響的規(guī)律.分析結(jié)果表明,對于處于低粗糙度地貌并受較高風速作用的低頻建筑物,當計算其橫風向風振響應(yīng)時,應(yīng)適當考慮正氣動阻尼的影響,使計算結(jié)果更具真實性.

采用經(jīng)過fft算法改進的諧波疊加法(waws)及自回歸(ar)模型的線性濾波法對實際工程進行脈動風速時程模擬.對2種算法所模擬的風速時程進行分析,結(jié)果顯示了風速功率譜及相關(guān)函數(shù)的特性,分析結(jié)果說明ar模型中模型階次及時間步長對風速時程產(chǎn)生較大影響.根據(jù)結(jié)構(gòu)的有限元動力分析,采用能量相等的原則,即使結(jié)構(gòu)固有頻率段內(nèi)的目標譜和模擬譜能量相等,對風速時程進行修正,使模擬風速時程更趨合理.

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(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行綜合對比分析研究。結(jié)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(nèi)(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(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(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。

對板片空間結(jié)構(gòu)體系用于高層建筑結(jié)構(gòu)情況下結(jié)構(gòu)的力學性能,動力及抗震,風載反應(yīng)等進行了研究,并與一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行了比較,分析結(jié)果表明板片空間結(jié)構(gòu)高層建筑具有受力合理,自重輕,抗震性能較好和基礎(chǔ)工程的費用較少的優(yōu)點。

高層建筑風振舒適度已受到普遍關(guān)注,目前常采用規(guī)范的經(jīng)驗公式和風洞模型試驗實測計算。但隨著結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜化及采用附加阻尼器減振技術(shù)的日益廣泛化,進行結(jié)構(gòu)的風振時程分析是更為簡單直接和準確的分析方法。本文采用自回歸濾波法技術(shù),考慮三維空間相關(guān)性,對具有隨機性的脈動風荷載進行有效的模擬;通過編制軟件生成風壓時程數(shù)據(jù)并自動輸出至結(jié)構(gòu)有限元軟件進行風振時程分析,為高層建筑的風振控制分析提供了可行的方法;最后,將該風動力荷載數(shù)值模擬技術(shù)與動力時程分析技術(shù)相結(jié)合進行算例分析驗證,經(jīng)過對比研究表明該風振時程分析方法可應(yīng)用于工程分析與設(shè)計。

隨著城市人口的逐漸增多，給我國城市帶來了許多影響，為了解決人口密集而住宅土地少的矛盾問題，在城市規(guī)劃中有越來越多的高層建筑出現(xiàn)。本文以高層建筑設(shè)計為研究對象，研究了高層建筑與城市空間相契合的相關(guān)問題。先分析了城市空間與高層建筑設(shè)計之間的關(guān)聯(lián)性，之后從高層建筑設(shè)計的角度出發(fā)，研究了建筑設(shè)計與城市空間相契合的基本路徑，希望能對相關(guān)人員工作有所幫助

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采用動態(tài)子結(jié)構(gòu)法和有限元與無界元耦合分析高層建筑地基空間體系的地震響應(yīng)。分析和模擬計算表明，無界元在模擬地基問題上具有很大優(yōu)越性，不但具有較高的計算精度，而且節(jié)省機時，在柔性地基上設(shè)計高層建筑考慮結(jié)構(gòu)與地基的相互作用更經(jīng)濟合理。