超高層建筑風(fēng)致效應(yīng)和氣動干擾效應(yīng)的理論與實驗研究.pdf

1、隨著輕質(zhì)高強(qiáng)材料的發(fā)展、建造技術(shù)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)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(xiàn)出建設(shè)集中化等新趨勢，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)問題是其實現(xiàn)更大“飛躍”而厄待解決的關(guān)鍵問題之一。根據(jù)超高層建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，抗風(fēng)計算所涉及的問題主要有三個方面：風(fēng)荷載的確定、風(fēng)振響應(yīng)的計算和周邊建筑的干擾效應(yīng)。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(nèi)容：
　　 1.在模擬的大氣邊界層風(fēng)場中進(jìn)行了上海

2、環(huán)球金融中心的氣彈模型風(fēng)洞試驗和剛體模型測壓風(fēng)洞試驗；對風(fēng)速的順風(fēng)向和橫風(fēng)向的豎向相干函數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的討論，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速豎向相干函數(shù)存在低頻“掉頭”現(xiàn)象，用傳統(tǒng)的指數(shù)衰減函數(shù)擬合時，會在低頻處有誤差，而用給出修正指數(shù)衰減函數(shù)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(shù)獲得了各測點層非定常風(fēng)荷載時程，分析了主要風(fēng)向角下各測點層的風(fēng)力系數(shù)幅值和頻譜特性，給出了能考慮來流紊流和漩渦脫落效應(yīng)的各方向?qū)语L(fēng)力系數(shù)功率

3、譜函數(shù)和豎向相干函數(shù)擬合公式，并把相位角函數(shù)近似用sigmoid函數(shù)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(shù)和豎向相干函數(shù)的擬合參數(shù)進(jìn)行了分析和歸納，為隨后的風(fēng)振響應(yīng)精細(xì)化分析做了準(zhǔn)備。對各主要風(fēng)向角下的層風(fēng)力豎向相干函數(shù)進(jìn)行綜合分析，給出了一個計算方便的、適用于工程計算的經(jīng)驗相干函數(shù)計算公式。
　　 3.立足超高層建筑多模態(tài)耦合風(fēng)振響應(yīng)的計算建立了串聯(lián)層剛片質(zhì)量計算模型，在傳統(tǒng)頻域法的基礎(chǔ)上，給出了可以考慮耦

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

5、進(jìn)一步提高計算效率創(chuàng)造條件；根據(jù)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(jié)構(gòu)響應(yīng)。
　　 4.基于風(fēng)荷載數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了風(fēng)致響應(yīng)計算和參數(shù)分析，考察了相干函數(shù)漩渦峰考慮與否、相位角考慮與否、用經(jīng)驗相干函數(shù)(即指數(shù)衰減相干函數(shù))代替實際風(fēng)力相干函數(shù)、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(fēng)振響應(yīng)計算結(jié)果的影響，

6、得出一些有意義的結(jié)論；用基于風(fēng)荷載數(shù)學(xué)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(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析，然后與精確的計算方法進(jìn)行比較，給出了關(guān)于合理的響應(yīng)計算方法的建議。同時，與基于測壓風(fēng)洞實驗的計算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的比較來進(jìn)一步驗證風(fēng)荷載數(shù)學(xué)模型的正確性。
　　 5.基于剛體模型測壓結(jié)果進(jìn)行了參數(shù)分析，考察了耦合系數(shù)、高階振型、阻尼比、準(zhǔn)定常理論假定等對風(fēng)振響應(yīng)計算結(jié)果的影響，同時，對基于剛性模型測壓風(fēng)洞實驗的

7、計算結(jié)果和基于多自由度氣動彈性模型風(fēng)洞實驗的測量結(jié)果進(jìn)行了相互驗證，得出了一些有意義的結(jié)論。
　　 6.對氣動彈性模型風(fēng)洞試驗和剛性模型試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)、根方差位移響應(yīng)和加速度根方差響應(yīng)的干擾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)兩種試驗結(jié)果的相同點主要有：當(dāng)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(fēng)向的平均位移響應(yīng)，表現(xiàn)為擋風(fēng)效應(yīng)；當(dāng)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(yīng)和加速度響應(yīng)產(chǎn)生較大影響，但是情況比較復(fù)雜；當(dāng)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(yīng)。不同之處主要有：當(dāng)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(xiàn)了顯著的一階“渦激共振”現(xiàn)象，而在剛性測壓模型試驗中卻沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，對其機(jī)理進(jìn)行了初步分析，發(fā)現(xiàn)此處產(chǎn)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