強(qiáng)風(fēng)下方截面高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼比

在臺(tái)風(fēng)\"燦鴻\"、\"杜鵑\"影響期間,對(duì)溫州某矩形截面高層建筑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),得到其頂層的風(fēng)速、風(fēng)向及多個(gè)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(duì)建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)與氣動(dòng)阻尼動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)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(guò)2%,即均可以用計(jì)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(shí))與sergiolagomarsino經(jīng)驗(yàn)曲線最為接近;一階振型氣動(dòng)阻尼比均為負(fù)值,且隨著風(fēng)速的增大,其值有減小的趨勢(shì),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(tái)風(fēng)下原型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),應(yīng)用單輸入多輸出的era-next理論方法,對(duì)影響氣動(dòng)阻尼比的諸多因素進(jìn)行綜合對(duì)比分析研究。結(jié)果表明:隨著平均風(fēng)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(fēng)速范圍內(nèi)(小于1.0),氣動(dòng)阻尼比與折減風(fēng)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(gè)臺(tái)風(fēng)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(fēng)向角大小具相關(guān)性；x,y向氣動(dòng)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。

基于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和隨機(jī)振動(dòng)理論,本文提出了矩形高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)簡(jiǎn)化計(jì)算公式,這些簡(jiǎn)化公式的提出將求高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的復(fù)雜積分變?yōu)榉奖愕拇鷶?shù)運(yùn)算。本文應(yīng)用這些簡(jiǎn)化公式對(duì)大量的矩形高層建筑實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算、分析。將本文提出的簡(jiǎn)化公式計(jì)算結(jié)果與積分計(jì)算結(jié)果比較,相對(duì)誤差基本上在5%以內(nèi),因此本文提出的公式有較高的精度。用本文簡(jiǎn)化公式計(jì)算得到的高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)與日本建筑荷載規(guī)范、加拿大國(guó)家建筑規(guī)范計(jì)算得到的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)比較,總體上差異較小。由于本文提出的簡(jiǎn)化公式所依據(jù)的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)據(jù)較為精細(xì),因此本文簡(jiǎn)化公式有相當(dāng)高的可靠性與合理性。

根據(jù)湍流脈動(dòng)壓力的產(chǎn)生機(jī)理,從湍流理論的基本方程出發(fā),根據(jù)taylor關(guān)于湍流的"凍結(jié)"假定,導(dǎo)出了湍流脈動(dòng)風(fēng)壓譜密度函數(shù)的解析計(jì)算公式。在分析過(guò)程中考慮了壓力方程源項(xiàng)中全部"紊動(dòng)—剪切"項(xiàng)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(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)壓譜密度函數(shù)值與足尺觀測(cè)數(shù)據(jù)相吻合,因此對(duì)以前的研究成果有一定的改進(jìn)。由于在接近結(jié)構(gòu)第一階自振頻率時(shí),譜函數(shù)值仍處于較高的水平,因此根據(jù)湍流脈動(dòng)風(fēng)壓譜密度函數(shù)計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振動(dòng)力反應(yīng)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(yīng)值,而且推測(cè)隨結(jié)構(gòu)高度的增加這一影響也有增加的趨勢(shì)。建議對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行更深入的研究并在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮這一差別的影響。

隨著建筑高度的增加,結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng),抗側(cè)剛度相對(duì)變小,風(fēng)荷載效應(yīng)增大。本文以200m高的高層建筑為研究對(duì)象,基于風(fēng)洞試驗(yàn)所得的橫風(fēng)向風(fēng)壓時(shí)程數(shù)據(jù)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1/400。試驗(yàn)取風(fēng)向角從0°到45°,每級(jí)風(fēng)向角增量為5°,模擬了兩種地面粗糙度。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了迎風(fēng)面和背風(fēng)面氣動(dòng)效應(yīng)的分析?？紤]結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和頂點(diǎn)加速度,探討了結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值和標(biāo)準(zhǔn)差與風(fēng)向角、結(jié)構(gòu)自振基頻、地面粗糙度等因素的關(guān)系。研究表明:風(fēng)荷載效應(yīng)與風(fēng)向角有密切的聯(lián)系,結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)一般發(fā)生在0°。

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得到典型超高層建筑的橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載分布,將橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)荷載作用分解為橫向紊流及旋渦脫落2種作用機(jī)理的共同作用,分析了橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的構(gòu)成成分,并將分析結(jié)果與高頻動(dòng)態(tài)測(cè)力天平的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究．結(jié)果表明:橫向紊流對(duì)橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的貢獻(xiàn)較小,而旋渦脫落激勵(lì)對(duì)總橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的貢獻(xiàn)較大;在不同風(fēng)場(chǎng)中這些貢獻(xiàn)量會(huì)發(fā)生改變．根據(jù)同步測(cè)壓試驗(yàn)分解橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的方法可以清楚地解釋超高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜的構(gòu)成成分．

用由風(fēng)洞試驗(yàn)得出的橫風(fēng)向荷載功率譜密度公式,推導(dǎo)出考慮結(jié)構(gòu)-土相互作用(ssi)的橫風(fēng)向荷載功率譜密度和結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣公式,得到結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算公式。對(duì)超高層建筑橫風(fēng)向振動(dòng)算例說(shuō)明,考慮ssi后,房屋高度、土層的剪切波速和結(jié)構(gòu)阻尼比的變化,對(duì)結(jié)構(gòu)頂層的彈性位移、總位移和總加速度響應(yīng)有不同影響,并指出不考慮ssi,高層建筑的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)可能偏于不安全,因而對(duì)不同的響應(yīng)類型,給出了不需考慮ssi的結(jié)構(gòu)阻尼比取值范圍的建議值。

基于計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬方法,研究了矩形截面鈍體高柔結(jié)構(gòu)風(fēng)致橫風(fēng)向失穩(wěn)式振動(dòng)(馳振).為反映結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)流動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的影響,除建立固定不動(dòng)的計(jì)算區(qū)域外,還建立了隨結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的物理區(qū)域,在計(jì)算區(qū)域中修正了流動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的控制方程,采用標(biāo)準(zhǔn)sgs大渦模型,開發(fā)出wssg建筑風(fēng)場(chǎng)模擬程序,捕捉到結(jié)構(gòu)在風(fēng)場(chǎng)作用下的馳振現(xiàn)象,并從流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等方面分析了引發(fā)機(jī)理.

在tj-1風(fēng)洞中采用高頻動(dòng)態(tài)天平技術(shù)對(duì)兩個(gè)形狀相同的方形截面高層建筑模型間的橫風(fēng)向動(dòng)力干擾效應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí),對(duì)主模型采用氣動(dòng)彈性模型,在相同的配置下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。兩種實(shí)驗(yàn)方法所得的結(jié)果比較一致。最后應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬和推廣,給出了橫風(fēng)向動(dòng)力干擾因子的等值線圖,可供規(guī)范參考。

超高層建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)荷載研究——對(duì)于超高層建筑結(jié)構(gòu)，我國(guó)荷載規(guī)范只給出了順風(fēng)向的抗風(fēng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)于橫風(fēng)向風(fēng)荷載則并沒(méi)有給出規(guī)定。而在實(shí)際工程中的超高層建筑，有時(shí)橫風(fēng)向風(fēng)荷載遠(yuǎn)大于順風(fēng)項(xiàng)，為控制荷載，因此目前我國(guó)荷載規(guī)范在超結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向抗風(fēng)設(shè)...

對(duì)于某些超高層建筑,其橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)甚至超過(guò)順風(fēng)向而成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素。為研究橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)的時(shí)程特性及變化規(guī)律,基于橫風(fēng)向脈動(dòng)力譜,考慮風(fēng)力的豎向相干性,通過(guò)諧波合成法模擬橫風(fēng)力時(shí)程,在時(shí)域內(nèi)求解分析某超高層鋼筋混凝土建筑橫風(fēng)向的風(fēng)振響應(yīng)。分析時(shí)考慮地貌、來(lái)流風(fēng)速以及結(jié)構(gòu)基頻的變化,探討各因素對(duì)風(fēng)振響應(yīng)的影響規(guī)律,為超高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

高層建筑風(fēng)振響應(yīng)分析中考慮土與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相互作用對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)有利還是不利的關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)對(duì)無(wú)樁基樁架-剪力墻結(jié)構(gòu)的順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)分析,發(fā)現(xiàn)考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底面土體的動(dòng)剪應(yīng)變幅值處于彈性應(yīng)變范圍,根據(jù)土動(dòng)力學(xué)中土的動(dòng)剪應(yīng)變與土的阻尼比的關(guān)系,土體的材料阻尼比較小,其值不超過(guò)0.03,據(jù)此計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大層間位移和結(jié)構(gòu)頂層的最大加速度比將地基視為剛性的結(jié)構(gòu)有較大增長(zhǎng);因此,在高層結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)分析中應(yīng)考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響。文章通過(guò)實(shí)例分析給出無(wú)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(jì)算提供了借鑒。

利用層狀半空間地基上明置基礎(chǔ)阻抗函數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式,研究了明置基礎(chǔ)高層建筑在動(dòng)力風(fēng)荷載作用下地基土材料阻尼比的取值范圍。計(jì)算分析表明風(fēng)振時(shí)層狀場(chǎng)地地基土的材料阻尼比很小,一般不超過(guò)3%。因此,土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)高層建筑風(fēng)振響應(yīng)并不一定有利。對(duì)有明置基礎(chǔ)的彎剪型鋼筋混凝土框架剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu),分別采用粘彈性均質(zhì)半空間地基模型和層狀半空間錐體地基模型,進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)分析,并將結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:采用層狀半空間錐體地基模型時(shí),一般考慮7層土介質(zhì)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(jié)果較精確,但計(jì)算量大,而選用粘彈性均質(zhì)半空間地基模型,偏于保守,但計(jì)算簡(jiǎn)便,精度可以滿足工程實(shí)際的需要。

采用了諧波疊加法模擬作用在結(jié)構(gòu)上的順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)壓,同時(shí)為了能反映作用在迎風(fēng)面不同點(diǎn)上脈動(dòng)風(fēng)壓的相關(guān)特性,首先生成脈動(dòng)風(fēng)速互譜密度矩陣,然后采用三角分解法進(jìn)行分解,再以此生成脈動(dòng)風(fēng)壓作為輸入脈動(dòng)風(fēng)荷載,采用newmark方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)時(shí)程.對(duì)兩棟高層建筑的風(fēng)振反應(yīng)時(shí)程計(jì)算結(jié)果表明,本方法得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)均方根值與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中采用的譜分析結(jié)果有較好的吻合性;風(fēng)振反應(yīng)以共振反應(yīng)為主,非共振反應(yīng)值占次要的部分.這與譜分析法得出的結(jié)論也是一致的,說(shuō)明了利用諧波疊加法模擬脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程的準(zhǔn)確性.這對(duì)于正確估算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)值,為高層建筑風(fēng)振控制措施設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)是有一定意義的.

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)

研究了高層建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向的彎曲和扭轉(zhuǎn)的耦合弛振。通過(guò)微元法建立了高聳結(jié)構(gòu)的橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合弛振的方程式,并進(jìn)行了解耦和分析?；跉饬髋c結(jié)構(gòu)間夾角的關(guān)系,對(duì)引起結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)的氣動(dòng)力進(jìn)行了分析。對(duì)固結(jié)于地面或是基巖之上的高聳結(jié)構(gòu)彎扭耦合弛振的穩(wěn)定性條件進(jìn)行了研究。提出了一個(gè)新的求弛振的臨界風(fēng)速計(jì)算的簡(jiǎn)便公式,并給出了算例。算例表明:所提出的公式和對(duì)結(jié)果的分析是有效的,可以很方便地應(yīng)用到工程實(shí)際中。

介紹了第3代結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制基準(zhǔn)問(wèn)題的定義。通過(guò)觀測(cè)部分樓層加速度和控制力輸出,建立了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器,解決了傳統(tǒng)控制中有限的傳感器數(shù)目對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)估計(jì)的困難;利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的控制行為,消除了閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在的時(shí)滯;通過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的學(xué)習(xí)功能,解決了土木工程復(fù)雜結(jié)構(gòu)模糊控制中難以依據(jù)專家的主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定模糊控制規(guī)則和語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)等困難。以風(fēng)振控制的基準(zhǔn)問(wèn)題為研究對(duì)象,編制了程序?qū)κ芸叵到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真分析。分析表明,模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略能有效地抑制高層建筑的風(fēng)振反應(yīng)。

按通常的方法將高層建筑順風(fēng)向風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)分解為平均、背景和共振三部分。在合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上提出了形式簡(jiǎn)單、與響應(yīng)類型無(wú)關(guān)的背景和共振等效風(fēng)荷載和響應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。兩個(gè)典型數(shù)值算例的計(jì)算表明,該法精度很高,是一種很好的實(shí)用計(jì)算方法。

基于一棟立面上有多個(gè)開洞的矩形截面超高層建筑的剛性模型表面壓力測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,分析了矩形截面超高層建筑在長(zhǎng)邊立面上不同開洞工況下建筑各表面平均風(fēng)壓系數(shù)和最不利風(fēng)壓系數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)建筑長(zhǎng)邊迎風(fēng)時(shí),開洞使得背風(fēng)面洞口附近的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值增大,但迎風(fēng)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)變化很小;當(dāng)建筑短邊迎風(fēng)時(shí),開洞對(duì)洞口附近的平均風(fēng)壓系數(shù)和最不利正風(fēng)壓系數(shù)均只有微弱影響,但對(duì)其最不利負(fù)風(fēng)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(fù)風(fēng)壓系數(shù)增大一倍以上;開洞對(duì)短邊立面上的最不利風(fēng)壓系數(shù)不產(chǎn)生明顯的影響。為有結(jié)構(gòu)開洞的高層建筑洞口附近的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考數(shù)據(jù)。

通過(guò)高層建筑氣動(dòng)彈性模型的風(fēng)洞試驗(yàn),測(cè)得模型的順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)向加速度響應(yīng)時(shí)程曲線,并用隨機(jī)減量技術(shù)(rdt)分析、計(jì)算得到其氣動(dòng)阻尼,為高層建筑風(fēng)振計(jì)算中氣動(dòng)阻尼的確定提供了方法和依據(jù)

利用剛性模型的同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn),研究了矩形截面超高層建筑脈動(dòng)扭矩的基本特征。研究?jī)?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(dòng)風(fēng)力-扭矩相干函數(shù),另外還考察了厚寬比和風(fēng)場(chǎng)類別這兩個(gè)參數(shù)對(duì)脈動(dòng)扭矩的影響。研究結(jié)果表明,脈動(dòng)扭矩系數(shù)隨高度增加遞減,隨厚寬比增加而增加;脈動(dòng)扭矩譜具有兩個(gè)譜峰,譜峰形狀隨厚寬比改變發(fā)生很大變化;相對(duì)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(dòng)扭矩與橫風(fēng)向風(fēng)力具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

利用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)矩形截面超高層建筑風(fēng)致脈動(dòng)扭矩?cái)?shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。以厚寬比和風(fēng)場(chǎng)類別為基本變量,采用最小二乘法得到了風(fēng)致脈動(dòng)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(jì)算公式。這些公式的計(jì)算結(jié)果與原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,說(shuō)明計(jì)算公式具有較高精度。此外,利用結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)方法,用提出的公式以及直接采用試驗(yàn)風(fēng)壓數(shù)據(jù)計(jì)算一棟實(shí)際超高層建筑的扭轉(zhuǎn)動(dòng)力響應(yīng),對(duì)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(jì)算結(jié)果,對(duì)比結(jié)果表明兩者吻合較好,從而驗(yàn)證了公式的適用性。