超高層建筑風(fēng)致效應(yīng)和氣動(dòng)干擾效應(yīng)的理論與實(shí)驗(yàn)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(dú)特的摩天大樓相繼建成或開(kāi)工，并且還呈現(xiàn)出建設(shè)集中化等新趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)問(wèn)題是其實(shí)現(xiàn)更大“飛躍”而厄待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。根據(jù)超高層建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，抗風(fēng)計(jì)算所涉及的問(wèn)題主要有三個(gè)方面：風(fēng)荷載的確定、風(fēng)振響應(yīng)的計(jì)算和周邊建筑的干擾效應(yīng)。圍繞這三個(gè)問(wèn)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(chǎng)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(yàn)和剛體模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)；對(duì)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(shí)，會(huì)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?cái)M合。
　　 2.利用分組同步剛體測(cè)壓模型試驗(yàn)和壓力積分技術(shù)獲得了各測(cè)點(diǎn)層非定常風(fēng)荷載時(shí)程，分析了主要風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)層的風(fēng)力系數(shù)幅值和頻譜特性，給出了能考慮來(lái)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(lái)表示。針對(duì)環(huán)球金融中心體型沿高度變化的特點(diǎn)，對(duì)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(duì)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(gè)計(jì)算方便的、適用于工程計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)相干函數(shù)計(jì)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(jì)算建立了串聯(lián)層剛片質(zhì)量計(jì)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(jì)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(jì)算量，推導(dǎo)了一個(gè)計(jì)算耦合系數(shù)的簡(jiǎn)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(jì)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(lì)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(jì)算效率創(chuàng)造條件；根據(jù)工程計(jì)算和實(shí)驗(yàn)條件的具體情況，給出了基于多組同步剛性模型測(cè)壓實(shí)驗(yàn)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(jì)算方法，該方法可以近似計(jì)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(jì)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(yàn)相干函數(shù)(即指數(shù)衰減相干函數(shù))代替實(shí)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(duì)風(fēng)振響應(yīng)計(jì)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(jì)算方法來(lái)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析，然后與精確的計(jì)算方法進(jìn)行比較，給出了關(guān)于合理的響應(yīng)計(jì)算方法的建議。同時(shí)，與基于測(cè)壓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的比較來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)荷載數(shù)學(xué)模型的正確性。
　　 5.基于剛體模型測(cè)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(duì)風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的影響，同時(shí)，對(duì)基于剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的

7、計(jì)算結(jié)果和基于多自由度氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了相互驗(yàn)證，得出了一些有意義的結(jié)論。
　　 6.對(duì)氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)和剛性模型試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析了周邊建筑對(duì)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(yàn)結(jié)果的相同點(diǎn)主要有：當(dāng)密集建筑群或金茂大廈位于上游時(shí)，會(huì)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(shí)，可能會(huì)對(duì)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(shí)，會(huì)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(shí)，在氣彈模型試驗(yàn)中出現(xiàn)了顯著的一階“渦激共振”現(xiàn)象，而在剛性測(cè)壓模型試驗(yàn)中卻沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，對(duì)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(gè)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(dòng)使“受阻”的尾流