高聳機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)洞及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究與應(yīng)用.pdf

1、首都機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)是國(guó)內(nèi)新建的最高的航空控制塔臺(tái)。本文以首都機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)為背景，對(duì)塔形高聳結(jié)構(gòu)在地震作用及風(fēng)荷載作用下的抗震及抗風(fēng)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下： 1、北京機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)結(jié)構(gòu)氣彈模型測(cè)振試驗(yàn)及若干問(wèn)題研究本文利用相似理論分析了首都機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則，得到了高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)彈性模型的相似參數(shù)及模型參數(shù)的縮尺率。在利用相似理論得出相似比的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诮茲M足相似關(guān)系時(shí)

2、的處理方法。由于本文研究的塔臺(tái)結(jié)構(gòu)原型是采用兩種結(jié)構(gòu)體系，上部采用鋼框架結(jié)構(gòu)，下部采用砼簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)，造成剛度模擬上的困難。本文從力學(xué)的觀點(diǎn)對(duì)相似條件進(jìn)行了分析，由風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象的相似引出材料相似。即對(duì)模型材料的容重和彈性模量等物理參數(shù)可通過(guò)等效抗彎剛度來(lái)模擬。進(jìn)行塔臺(tái)模型的設(shè)計(jì)時(shí)，將剛度相似和外形相似統(tǒng)一模擬，將彈性參數(shù)相似融和于剛度分布相似中。這一新方法克服了剛度和外形分別模擬的一些不足，這樣既完全模擬了結(jié)構(gòu)的彈性參數(shù)，又簡(jiǎn)化了模型的制作

3、?？晒┢渌呗柦Y(jié)構(gòu)的氣動(dòng)彈性模型設(shè)計(jì)時(shí)參考。 該塔臺(tái)結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)大于順風(fēng)向響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。在進(jìn)行大量資料調(diào)研基礎(chǔ)上，根據(jù)本文提供的側(cè)力系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了低紊流度下的側(cè)力系數(shù)隨攻角變化曲線，在忽略紊流度沿高度變化對(duì)側(cè)力系數(shù)的影響及準(zhǔn)穩(wěn)定假設(shè)成立的情況下，提出分析八邊形截面高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)馳振的半解析方法。 2、北京機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)結(jié)構(gòu)剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)及橫風(fēng)響應(yīng)研究首都機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)結(jié)構(gòu)，建筑外形發(fā)生較大變

4、化，對(duì)其在風(fēng)荷載作用的風(fēng)壓設(shè)計(jì)值不易通過(guò)高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范確定。為了研究首都機(jī)場(chǎng)這一高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，本文進(jìn)行了塔臺(tái)模型風(fēng)洞試驗(yàn)的系統(tǒng)研究，包括1/80剛性模型測(cè)壓和1/60氣動(dòng)彈性模型測(cè)振試驗(yàn)，獲得了塔臺(tái)結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)壓分布規(guī)律及氣動(dòng)壓力的相關(guān)特性，研究表明，現(xiàn)行規(guī)范給出的體形系數(shù)過(guò)于保守。為高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了風(fēng)荷載。 在對(duì)具有正八邊形橫截面塔形高聳結(jié)構(gòu)模型所做模擬邊界層風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)相關(guān)長(zhǎng)度及升力系數(shù)進(jìn)行了研

5、究，獲得了正八邊形截面高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)表面的壓力分布及相關(guān)長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果。采用將寬帶背景分量與窄帶共振分量的平方和求塔形高聳結(jié)構(gòu)任一橫截面順風(fēng)響應(yīng)總方差的思路，將局部升力系數(shù)rms值分解成由橫向湍流和渦激脫落兩部分，得出局部升力系數(shù)的變化規(guī)律，從而得到確定正八邊形橫截面塔形高聳結(jié)構(gòu)渦激致振動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算方法，可供工程設(shè)計(jì)人員參考。 3、北京機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及若干問(wèn)題研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)一般應(yīng)滿足幾何相似、物理相似和物理過(guò)程

6、相似。但這對(duì)于高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)較難實(shí)現(xiàn)，主要是高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)高寬比較大，且采用兩種不同結(jié)構(gòu)體系。因此，針對(duì)高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)上重點(diǎn)考慮了以下幾點(diǎn)：1)針對(duì)北京機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了兩種不同結(jié)構(gòu)體系，模型設(shè)計(jì)中將彈性參數(shù)相似轉(zhuǎn)化為剛度相似。這樣，即完全模擬了結(jié)構(gòu)的彈性參數(shù)，又簡(jiǎn)化了模擬的條件。2)由于北京機(jī)場(chǎng)高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)高寬比很大，各種規(guī)格的桿件難于同時(shí)滿足幾何相似關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)中依結(jié)構(gòu)物理過(guò)程相似的原則進(jìn)行了構(gòu)件

7、歸并，達(dá)到模型整體結(jié)構(gòu)與原型整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、質(zhì)量相似。3)本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部空間有限，試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以滿足對(duì)配重的要求，造成因Sε≠1而使模型失真。因此，應(yīng)改變相似關(guān)系中的加速度相似系數(shù)，即通過(guò)加大輸入的加速度峰值的方法來(lái)滿足地震加速度的需要。這些措施可供同類結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)時(shí)參考。 以北京機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)為原形，進(jìn)行了縮尺比為1/30的模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了塔臺(tái)結(jié)構(gòu)的自振周期、振型以及各個(gè)振型的阻尼比等各項(xiàng)動(dòng)力特性和塔臺(tái)結(jié)構(gòu)

8、的地震響應(yīng)，進(jìn)一步掌握了塔形高聳結(jié)構(gòu)在地震作用下的工作性能。試驗(yàn)研究表明，該塔臺(tái)上部的明室及其以上部分存在鞭梢效應(yīng)。結(jié)構(gòu)主頻遠(yuǎn)離地震波的主頻，該塔臺(tái)的水平地震為低頻振動(dòng)，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)較小。塔臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的豎向自振周期遠(yuǎn)離地面運(yùn)動(dòng)卓越周期，故頂部鋼框架不會(huì)在豎向地震作用下發(fā)生豎向的鞭梢效應(yīng)。豎向一階自振頻率為水平一階自振頻率的15倍，接近于高頻振動(dòng)。高聳結(jié)構(gòu)在地震作用下，隨著地震烈度的提高，加速度動(dòng)力放大系數(shù)降低，位移反應(yīng)加大，說(shuō)明模型剛度

9、下降，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性。雖然結(jié)構(gòu)在彈性階段的剛度較大，位移較小，但在多遇烈度和罕遇烈度的地震作用下，塔臺(tái)結(jié)構(gòu)頂部明室晃動(dòng)較大，振動(dòng)加速度較大，應(yīng)采取減少振動(dòng)的措施，以保證塔臺(tái)航空控制室正常工作。 以首都機(jī)場(chǎng)新塔臺(tái)結(jié)構(gòu)縮尺模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繉?duì)象，采用時(shí)程分析法分析了高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)各振型的地震響應(yīng)，并對(duì)這種上下部由不同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)(下部為鋼筋砼筒體，上部為鋼框架結(jié)構(gòu))的非經(jīng)典振型阻尼比進(jìn)行了探討。研究結(jié)果表明，該塔臺(tái)結(jié)構(gòu)