大学毕业论文---高层建筑气动弹性的初步研究.doc
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1、摘要摘要随着科学技术的进步、社会的发展和城市化进程的加快,300米以上的高层建筑得到了迅猛地发展。由使用新材料、新工艺和新的施工技术建造起来的超高层建筑通常是轻质高揉结构,这类建筑对于风环境特别敏感,风荷载已成为超高层建筑的重要控制荷载。大量实验表明,超高层建筑的横风向动力响应通常要比顺风向的大。在工程应用中,横风向的等效静态风荷载有时甚至起到了决定性的作用。对于一些结构平面不规则的建筑,由于结构与风之间会相互影响,有时会使结构响应急剧放大而导致结构不稳定乃至破坏,影响结构使用和安全。因此,需要对一些超高层建筑进行气动弹性效应影响的研究。本文根据在建或已建成的众多超高层建筑为考虑对象,设计制作
2、了具有一定通用性的方形截面气动弹性模型。该模型对应的原型为455m高,宽51米,高宽比为9:1。通过一系列的加速度风洞试验,运用随机减量技术(RDT)结合ERA特征模态分析法识别出了结构的动力响应参数。同时根据高层建筑结构振动控制原理,设计了倒悬质量块的减振装置(TMD)。通过可调质量块来改变减振装置的参数,使其达到最好的减振结果。结果发现,减振参数的选取对减振效果起着重要的关系。在00时对x方向(顺风向),降低了振动响应;由于减振装置的安装使结构的固有特性发生了改变,使得其对y方向(横风向)振动响应的控制非常有限,没有达到预期的效果。最后,通过和刚体模型数据进行了对比,发现在正常情况下,结构
3、是很安全的,刚体模型试验数据是可靠的。虽然达到一定风速时,会有负的气动阻尼产生,但这只是短暂的且数值很小,可以忽略其影响。关键词:风洞实验;气弹模型;高层建筑;气动阻尼;随机减量技术;TMD减振控制;61AbstractAbstractAlong with societys development、improvement of technology and city-lized proceeding, many tall buildings are being constructed rapidly. For the use of new material、new craft and new
4、construction technique, constructions are turning softer and lighter. To this kind of construction, the structure is especially sensitive to wind load. The wind load has become the extra-high buildings important controlling load.Massive experiments indicate that extra-high buildings dynamic response
5、 in crosswind is usually greater than that in along wind. In projects application, the equivalent crosswinds static wind load may play a decisive role. To some irregular structures, because of mutual influence between the structure and wind load, sometimes the dynamic response may be made to enlarge
6、 suddenly and cause the structure unstable. This will affect the structures use and security. Therefore, we need to do some aerodynamic research about the extra-high buildings.In this articles 3rd chapter, we design and manufacture a elastic model based on Guangzhou west tower which is 432m high, 3r
7、d high in china and 6th in the world. The building selects triangle round arc plane and uses core barrel encryption rib column structure. Through a series of acceleration wind tunnel test, use Random Decrement Technology (RDT) and Eigensystem Realization Algorithm (ERA) method to analyze the structu
8、res dynamic response and characteristic parameter. By comparing with the rigid body model data, we discover that in normal conditions, the structure is very safe and the rigid body experiment data is reliable. Although at some certain wind-speed, it will appear negative aerodynamic damping, it is sl
9、ight and short, and it will not result in the structures damage. Its negative influence can be neglected.In the 4th chapter, according to the high-rise constructions vibration control principle, we design a TMD device. Change the anti-vibrations device character to achieve its great effect. The resu
10、lt appeared that in 0 angle x-direction (along wind), the acceleration response was decreased. While in 0 angle y-direction (crosswind), for the device changes the structures character and makes the first prime frequency move ahead, the vibration in this direction turns bigger. To some extent, this
11、makes the structure unstable.Key words: wind tunnel test; aero-elastic model; tall building; aerodynamic damping; Random Decrement Technology; TMD anti-vibration control;目录目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1引言11.2超高层建筑抗风试验概述11.2.1风的特性11.2.2风对建筑结构的作用21.2.3超高层建筑风洞试验31.3国内外在本方向的研究现状51.4本文的主要工作7第2章风洞实验技术及试验方案
12、92.1实验设备92.1.1风洞92.1.2振动测试分析仪器102.1.3加速度计量设备112.1.4风速测量设备112.2风场模拟112.2.1风速剖面112.2.2湍流度122.2.3湍流积分尺度132.2.4脉动风空间相干函数132.2.5脉动风速谱132.2.6C类风场风速模拟142.3实验模型设计原理162.4工程概述和模型参数确定182.4.1工程概述182.4.2材料和试验参数192.4.3模型尺寸20第3章广州珠江新城西塔气动弹性效应283.1概述283.2试验数据分析方法与试验工况错误!未定义书签。3.2.1数据预处理错误!未定义书签。3.2.2随机减量(RDT)原理错误!未
13、定义书签。3.2.3试验工况错误!未定义书签。3.3风致加速度响应313.3.1滤波前后对比313.3.2加速度随风速变化323.3.310年重现期加速度333.4阻尼识别结果353.4.1模型总阻尼353.4.2模型结构阻尼393.4.3气动阻尼413.5与刚性模型试验结果进行对比423.6东塔的干扰效应433.7本章小结45第4章广州西塔模型减振控制的初步研究464.1概述464.2减振原理介绍464.2.1几种常见的减振措施464.2.2TMD可调质量减振原理484.3西塔气弹模型减振装置的实现504.4减振实验结果及分析514.5本章小节55第5章结论和展望565.1本文的工作总结56
14、5.2未来研究工作展望57参考文献58致谢61个人简历与发表论文情况62第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言规范中对超过一定高度的超高层建筑横风向风荷载还没有明细的条文,仅有一些资料文献123和一些学术研究成果4,但大多不具有工程背景。对一些体型稍微复杂的,规范上建议进行风洞试验。虽然目前通过一些大型商业软件,也能对一些超高层建筑进行模拟试算,但对一些重要且结构平面不大规则的超高建筑仍需进行风洞试验。考虑到一般结构的基阶或前几阶响应对结果贡献很大,也为了模型制作的方便,常常使用刚体模型测压和力天平试验。虽然通过计算修正,考虑了实际风与结构的影响,但由于超高层建筑总体结构偏柔,仅由刚体模型数据进
15、行修正,还不足以完全反映结构与风的作用机理。况且,横风向的几种激励相互影响,气流分离,再附,结构与风的周期性脉动,等等都会显著地放大结构的动力响应。所以,对一些截面形体不大规则的超高层建筑,要比较准确地进行响应分析,就需要进行气动弹性风洞试验。本文对在建的广州西塔工程项目进行了气动弹性模型风洞试验研究,并根据振动控制理论设置了减振措施。对气动弹性模型试验结果和刚性模型试验结果进行比较,能检验刚体模型实验的可靠与安全,对容易引起结构破坏的机理进行了试验研究。最后设置的减振装置可以考察其减振的效果,对改善结构响应、节约工程造价具有重要意义。本文的实验结果可以作为荷载复核的依据,也可作为相近工程的一
16、些参考。通过卓有成效的研究,能对后续研究产生积极的影响,为本方向的研究积累一些数据。本文的工作的意义在于:(1)验证刚性模型试验的结果。(2)分析结构阻尼随变化而变化的规律,为同类重大土木工程的抗风设计提供一些依据。(3)安装减振装置有助于改善使用条件、节约工程造价。1.2 超高层建筑抗风试验概述1.2.1 风的特性我国自然灾害频繁,每年因地质气候灾害造成的损失高达数百亿元。对于城市中的建筑来说,地震和强风是造成损失的主要因素,其中以强风发生最为频繁。经过几十年的研究,人类对强风有了长足的认识,但对一些作用机理的研究仍然不够,还不能很好地解决和预测一些结构的风致破坏情况。风是空气相对于地面的运
17、动。由于太阳对地球上大气加热和温度上升的不均匀性,从而在地球相同高度的两点之间产生压力差,这样不同压力差的地区产生了趋于平衡的空气流动,便形成了风。常见的有热带气旋、台风、飓风、季风和龙卷风等。风是一种随机过程,随着离地面高度的增加而增加,但当超过一顶高度后就趋于稳定。平均风速剖面是研究风速变化的一种主要方法,常用的主要有对数律和指数律两种:对数律:(11)式中大气底层内高度处的平均风速;摩擦速度;卡曼常数;地面粗糙长度(m);有效高度(m)。目前,气象学家认为用对数律表示大气底层强风风速廓线比较理想。指数律:(12)式中:,标准参考高度和标准参考高度处的平均风速;,任一高度处的平均风速;地面
18、粗糙度指数。指数律先由G.Hellman于1916年提出,后来A.G.Davenport根据多次观测资料整理出不同场地下的风剖面,提出风速沿高度的变化可由指数律来描述。1.2.2 风对建筑结构的作用风对结构的作用是一个十分复杂的现象,它受到风的自然特性、结构的动力特性及风与结构的相互作用三个方面的制约。由于近地边界层的紊流影响,风的速度、方向及其空间分布都是非定常的(即随时间变化的)和随机的。当风绕过非流线型结构时,会产生漩涡和流动的分离,产生复杂的作用力。这种作用力将引起结构的振动(风致振动),而振动起来的结构又会反过来影响流场,改变空气的作用力,引起风与结构的相互作用机制,更加深了问题的复
19、杂性。自然界的风可分为异常风和良态风。对很少出现的风,例如龙卷风,不属于异常风的称为良态风。为了从本质上把握风对结构作用的各种特点,通常要进行科学的抽象和分析,然后再综合起来考虑。首先,把风速分成两个部分:(A)平均风,假定它在时间上是不变的;(B)脉动风,包括来流本身的脉动和绕过结构时引起的脉动。其次,将结构按其动力性能分成两类:(A)刚性结构,在风作用下的运动或位移非常微小,可以看作静止不动;(B)柔性结构,在风作用下的运动或位移比较大,必须作为一个振动体系来考虑。最后,风与结构的相互作用也可以分为两类:(A)气动力受结构振动的影响很小,可以忽略不计;(B)气动力受结构振动的反馈制约,引起
20、一种自激振动机制。风对结构的作用会使:(1)结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定;(2)结构物或结构构件产生过大的饶度或变形,外墙、外装修材料的损坏;(3)由反复的风振作用,引起结构或结构构件的疲劳损坏;(4)气动弹性的不稳定,致使结构物在风运动中产生加剧的气动力;(5)由于过大的动态运动,使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。横风向效应与顺风向效应的组合:结构呈现横风向风振效应的同时,必然存在顺风向风载的效应,结构的最大风效应(位移,内力)应是横风向和顺风向两种效应的组合,但此时顺风向振动应按随机振动考虑。假定结构物任意高度处横风向的风效应用表示,而顺风向的风效应用表示,则高度处的最大风
21、效应表达式如下:(13)由统计平均法知,湍流速度、压强都可以分解为平均量和脉动量之和:(14)(15)横风向的动力响应由3部分组成:涡激振动(此时频率为旋涡脱落频率,S为Strouhal数)、横风向的脉动分量、结构与风的偶合振动。涡激力跟旋涡脱落有关,受到风场特性及结构外形的影响。横风向脉动分量决定于来流风场的特性。气动反馈与结构在风场作用下的运动有关。前两部分与结构本身的动力特性无关,对于相同风场下外形相同的结构,其作用相同。因此,可以通过刚性模型的测力或测压试验得到,而后者则需要通过气动弹性模型试验得到。1.2.3 超高层建筑风洞试验风洞试验是在实验室模拟大气边界层风环境和建筑结构的外形特
22、征及动力特性,再现风对结构的作用过程,在实验室中考察实际结构的风效应。由于高层建筑风致动态响应问题的复杂性和现有的解决结构风效应的手段的局限性,在估算结构的风效应时,目前主要借助于大气边界层风洞实验或参考已有的风洞实验资料,并在此基础上进行相关的理论分析。借助航空学的理论和方法,用风洞实验作为研究和指导设计的手段早在理论分析方法和数值方法提出之前就已在使用和发展。早期的风洞实验都是在航空风洞中进行的。直到六十年代末和七十年代初才出现了现在使用的大气边界层风洞。这以后边界层风洞实验技术才逐渐得到发展。风作用下的高层建筑的运动方程可以写成(以单自由度体系为例):(16)式中:分别代表结构的质量、阻
23、尼和刚度,分别为结构的位移、速度和加速度响应,为风场施加给静止结构的外加风力,为由于结构在风场中运动而由风场附加给结构的自激力。假定结构体系是线弹性的,由于自激气动力的影响,方程(16)仍然是非线性的。研究高层建筑风致动态响应的主要困难在于获取方程(16)右端的外加风力和自激力。对于给定的高层建筑,它所受到的风力与极端风气候、地形及临近建筑物的干扰、建筑物的体型等因素有关,自激力还与它在风作用下的运动有关。这些力具有随时间和空间变化的特点。边界层风洞实验借助于物理模型实验来确定风荷载和响应。风洞试验要能正确再现结构风效应,应当做到以下几点:(1)、正确模拟风环境,包括边界层风场(平均风速剖面、
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