超高層建筑風致效應和氣動干擾效應的理論與實驗研究.pdf

1、隨著輕質高強材料的發(fā)展、建造技術的進步以及經濟文化生活的繁榮，一批體型獨特的摩天大樓相繼建成或開工，并且還呈現出建設集中化等新趨勢，結構的抗風問題是其實現更大“飛躍”而厄待解決的關鍵問題之一。根據超高層建筑的發(fā)展現狀，抗風計算所涉及的問題主要有三個方面：風荷載的確定、風振響應的計算和周邊建筑的干擾效應。圍繞這三個問題，本文以上海陸家嘴地區(qū)的上海環(huán)球金融中心為研究背景，完成了以下內容：
　　 1.在模擬的大氣邊界層風場中進行了上海

2、環(huán)球金融中心的氣彈模型風洞試驗和剛體模型測壓風洞試驗；對風速的順風向和橫風向的豎向相干函數進行了詳細的討論，發(fā)現風速豎向相干函數存在低頻“掉頭”現象，用傳統的指數衰減函數擬合時，會在低頻處有誤差，而用給出修正指數衰減函數則可以較好地擬合。
　　 2.利用分組同步剛體測壓模型試驗和壓力積分技術獲得了各測點層非定常風荷載時程，分析了主要風向角下各測點層的風力系數幅值和頻譜特性，給出了能考慮來流紊流和漩渦脫落效應的各方向層風力系數功率

3、譜函數和豎向相干函數擬合公式，并把相位角函數近似用sigmoid函數來表示。針對環(huán)球金融中心體型沿高度變化的特點，對功率譜函數和豎向相干函數的擬合參數進行了分析和歸納，為隨后的風振響應精細化分析做了準備。對各主要風向角下的層風力豎向相干函數進行綜合分析，給出了一個計算方便的、適用于工程計算的經驗相干函數計算公式。
　　 3.立足超高層建筑多模態(tài)耦合風振響應的計算建立了串聯層剛片質量計算模型，在傳統頻域法的基礎上，給出了可以考慮耦

4、合系數的振型等效靜風荷載計算方法，并給出了結構最終的風致響應的多振型組合公式，為了減少計算量，推導了一個計算耦合系數的簡化公式；根據虛擬廣義坐標法和懸臂梁靜力平衡法，分析了總位移等效靜力風荷載和總內力等效靜力風荷載；提出了把脫落的旋渦從風力中分離，分別計算紊流力引起的響應和渦激力引起的響應，然后采取不同的峰值因子進行疊加的方法；提出了一種高效的基于協方差本征正交分解的雙模態(tài)轉換一虛擬激勵法，并給出了一種選取主要貢獻荷載模態(tài)的方法，從而為

5、進一步提高計算效率創(chuàng)造條件；根據工程計算和實驗條件的具體情況，給出了基于多組同步剛性模型測壓實驗的多組荷載分別作用下的根方疊加和直接疊加近似組合計算方法，該方法可以近似計算結構響應。
　　 4.基于風荷載數學模型進行了風致響應計算和參數分析，考察了相干函數漩渦峰考慮與否、相位角考慮與否、用經驗相干函數(即指數衰減相干函數)代替實際風力相干函數、紊流力和渦激力是否先分離后疊加(取不同的峰值因子)等處理方法對風振響應計算結果的影響，

6、得出一些有意義的結論；用基于風荷載數學模型的兩組或四組荷載分別作用下的根方疊加和直接疊加近似組合計算方法來進行風振響應分析，然后與精確的計算方法進行比較，給出了關于合理的響應計算方法的建議。同時，與基于測壓風洞實驗的計算結果進行相應的比較來進一步驗證風荷載數學模型的正確性。
　　 5.基于剛體模型測壓結果進行了參數分析，考察了耦合系數、高階振型、阻尼比、準定常理論假定等對風振響應計算結果的影響，同時，對基于剛性模型測壓風洞實驗的

7、計算結果和基于多自由度氣動彈性模型風洞實驗的測量結果進行了相互驗證，得出了一些有意義的結論。
　　 6.對氣動彈性模型風洞試驗和剛性模型試驗的結果數據進行整理，分析了周邊建筑對上海環(huán)球金融中心頂部平均位移響應、根方差位移響應和加速度根方差響應的干擾效應，發(fā)現兩種試驗結果的相同點主要有：當密集建筑群或金茂大廈位于上游時，會減小環(huán)球金融中心沿順風向的平均位移響應，表現為擋風效應；當密集建筑群集中在環(huán)球金融中心的上游時，可能會對各軸向

8、的根方差位移響應和加速度響應產生較大影響，但是情況比較復雜；當金茂大廈位于上游時，會增大環(huán)球金融中心各軸向的根方差響應。不同之處主要有：當金茂大廈位于環(huán)球金融中心的偏下游時，在氣彈模型試驗中出現了顯著的一階“渦激共振”現象，而在剛性測壓模型試驗中卻沒有出現這種現象，對其機理進行了初步分析，發(fā)現此處產生的一階“渦激共振”主要是由兩個方面共同引起的：下游的金茂大廈的存在使上海環(huán)球金融中心的尾流旋渦“受阻”，氣彈模型的大幅振動使“受阻”的尾流