【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 提出風(fēng)速沿高度的變化可由指數(shù)律來描述。 風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用 風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是一個(gè)十分復(fù)雜的現(xiàn)象，它受到風(fēng)的自然特性、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用三個(gè)方面的制約。由于近地邊界層的紊流影響，風(fēng)的速度、方向及其空間分布都是非定常的（即隨時(shí)間變化的）和隨機(jī)的。當(dāng)風(fēng)繞過非流線型結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生漩渦和流動(dòng)的分離 ，產(chǎn)生復(fù)雜的作用力。這種作用力將引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)（風(fēng)致振動(dòng)），而振動(dòng)起來的結(jié)構(gòu)又會(huì)反過來影響流場(chǎng)，改變空氣的作用力，引起風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)制，更加深了問題的復(fù)雜性。 自然界的風(fēng)可分為異常風(fēng)和良態(tài)風(fēng)。對(duì)很少出現(xiàn)的風(fēng)，例如龍卷風(fēng)，不屬于異常風(fēng)的稱為良態(tài)風(fēng)。 為了從本質(zhì)上把握風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用的各種特點(diǎn)，通常要進(jìn)行科學(xué)的抽象和分析，然后再綜合起來考慮。首先，把風(fēng)速分成兩個(gè)部分：（ A）平均風(fēng)，假定它在時(shí)間上是不變第 1 章 緒論 3 的；（ B）脈動(dòng)風(fēng)，包括來流本身的脈動(dòng)和繞過結(jié)構(gòu)時(shí)引起的脈動(dòng)。其次，將結(jié)構(gòu)按其動(dòng)力性能分成兩類：（ A）剛性結(jié)構(gòu)，在 風(fēng)作用下的運(yùn)動(dòng)或位移非常微小，可以看作靜止不動(dòng)；（ B）柔性結(jié)構(gòu)，在風(fēng)作用下的運(yùn)動(dòng)或位移比較大，必須作為一個(gè)振動(dòng)體系來考慮。最后，風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用也可以分為兩類：（ A）氣動(dòng)力受結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響很小，可以忽略不計(jì)；（ B）氣動(dòng)力受結(jié)構(gòu)振動(dòng)的反饋制約，引起一種自激振動(dòng)機(jī)制。 風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用會(huì) 使 ：（ 1）結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到過大的風(fēng)力或不穩(wěn)定；（ 2）結(jié)構(gòu)物或結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生過大的饒度或變形，外墻、外裝修材料的損壞；（ 3）由反復(fù)的風(fēng)振作用，引起結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞損壞；（ 4）氣動(dòng)彈性的不穩(wěn)定，致使結(jié)構(gòu)物在風(fēng)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生加劇的氣 動(dòng)力；（ 5）由于過大的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，使建筑物的居住者或有關(guān)人員產(chǎn)生不舒適感。 橫風(fēng)向效應(yīng)與順風(fēng)向效應(yīng)的組合：結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)的同時(shí)，必然存在順風(fēng)向風(fēng)載的效應(yīng)，結(jié)構(gòu)的最大風(fēng)效應(yīng)（位移，內(nèi)力）應(yīng)是橫風(fēng)向和順風(fēng)向兩種效應(yīng)的組合，但此時(shí)順風(fēng)向振動(dòng)應(yīng)按隨機(jī)振動(dòng)考慮。假定結(jié)構(gòu)物任意高度處橫風(fēng)向的風(fēng)效應(yīng)用 )(zRL 表示，而順風(fēng)向的風(fēng)效應(yīng)用 )(zRD 表示，則 z 高度處的最大風(fēng)效應(yīng) )(zR 表達(dá)式如下： )()()( 22 zRzRzR DL ?? (13) 由統(tǒng)計(jì)平均法知，湍流速度、壓強(qiáng)都可以分解為平均量和脈動(dòng)量之和： ),(),(),( txutxutxu iii ??? (14) ),(),(),( txptxptxp ??? (15) 橫風(fēng)向的動(dòng)力響應(yīng)由 3 部分組成：渦激振動(dòng)（此時(shí)頻率為旋渦脫落頻率 DvSns ? ， S 為Strouhal 數(shù)）、橫風(fēng)向的脈動(dòng)分量、結(jié)構(gòu)與風(fēng)的偶合振動(dòng)。 渦激力跟旋渦脫落有關(guān)，受到風(fēng)場(chǎng)特性及結(jié)構(gòu)外形的影響。橫風(fēng)向脈動(dòng)分量決定于來流風(fēng)場(chǎng)的特性。氣動(dòng)反饋與結(jié)構(gòu)在風(fēng)場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。前兩部分與結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性無關(guān)，對(duì)于相同風(fēng)場(chǎng)下外形相同的結(jié)構(gòu)，其作用相同 。 因此，可以通過剛性模型的測(cè)力或測(cè)壓試驗(yàn)得到，而后者則需要通過氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)得到。 超高層建筑風(fēng)洞試驗(yàn) 風(fēng)洞試 驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室模擬大氣邊界層風(fēng)環(huán)境和建筑結(jié)構(gòu)的外形特征及動(dòng)力特性，再現(xiàn)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用過程，在實(shí)驗(yàn)室中考察實(shí)際結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)。由于高層建筑風(fēng)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)問題的復(fù)雜性和現(xiàn)有的解決結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)的手段的局限性，在估算結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)時(shí)，目前主要借助于大氣邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或參考已有的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)資料，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的理論分第 1 章 緒論 4 析。 借助航空學(xué)的理論和方法，用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)作為研究和指導(dǎo)設(shè)計(jì)的手段早在理論分析方法和數(shù)值方法提出之前就已在使用和發(fā)展。早期的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)都是在航空風(fēng)洞中進(jìn)行的。直到六十年代末和七十年代初才出現(xiàn)了現(xiàn)在使用的大氣邊界層風(fēng) 洞。這以后邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)才逐漸得到發(fā)展。風(fēng)作用下的高層建筑的運(yùn)動(dòng)方程可以寫成（以單自由度體系為例）： ),()( ??????? xxxPtPkxxcxm ???? (16) 式中： kcm, 分別代表結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度， xxx ??, 分別為結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度響應(yīng)， )(tP 為風(fēng)場(chǎng)施加給靜止結(jié)構(gòu)的外加風(fēng)力， ),( ???? xxxP 為由于結(jié)構(gòu)在風(fēng)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而由風(fēng)場(chǎng)附加給結(jié)構(gòu)的自激力。 假定結(jié)構(gòu)體系是線彈性的，由于自激氣動(dòng)力的影響，方程 (16)仍然是非線性的。研究高層建筑風(fēng)致動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要困難在于獲取 方程 (16)右端的外加風(fēng)力和自激力。對(duì)于給定的高層建筑，它所受到的風(fēng)力與極端風(fēng)氣候、地形及臨近建筑物的干擾、建筑物的體型等因素有關(guān)，自激力還與它在風(fēng)作用下的運(yùn) 動(dòng)有關(guān)。這些 力具有隨時(shí)間和空間變化的特點(diǎn)。 邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)借助于物理模型實(shí)驗(yàn)來確定風(fēng)荷載和響應(yīng)。風(fēng)洞試驗(yàn)要能正確再現(xiàn)結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)做到以下幾點(diǎn)： (1)、 正確模擬風(fēng)環(huán)境，包括邊界層風(fēng)場(chǎng) （ 平均風(fēng)速剖面、紊流度、紊流尺度及脈動(dòng)風(fēng)功率譜等 ） 和周邊地形及鄰近的干擾建筑物，以保證風(fēng)速譜的輸入是正確的； (2)、 正確模擬建筑物的外形。建筑物的外形特征決定著風(fēng)速譜將怎樣被轉(zhuǎn)化為作用在結(jié)構(gòu)上的外加風(fēng)力，即決定建筑的氣動(dòng)導(dǎo)納。不僅如此，由于結(jié)構(gòu)的響應(yīng)將導(dǎo)致氣動(dòng)反饋問題，結(jié)構(gòu)外形還將決定影響氣動(dòng)反饋?zhàn)饔玫臍鈩?dòng)導(dǎo)數(shù)。 (3)、 正確模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力 特性。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性決定了它的機(jī)械導(dǎo)納，決定風(fēng)力譜能否被正確地變換為結(jié)構(gòu)的響應(yīng)譜。 高層建筑風(fēng)洞試驗(yàn)有多種方法。根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同處理方法，可以把高層建筑風(fēng)洞試驗(yàn)劃分為氣動(dòng)彈性模型方法和氣動(dòng)剛性模型方法兩類。氣動(dòng)彈性模型方法不僅模擬風(fēng)環(huán)境和結(jié)構(gòu)外形，還模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。它用物理模型分別模擬方程 (16)的左右兩邊，從而完全模擬高層建筑與風(fēng)的相互作用過程和氣動(dòng)反饋效應(yīng)。這種試驗(yàn)方法不測(cè)量建筑物所受到的氣動(dòng)力，而直接測(cè)量結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 氣動(dòng)模型方法則 只在風(fēng)洞試驗(yàn)室中模擬風(fēng)環(huán)境和建筑外形，模型是剛性的，不直接模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。 通過試驗(yàn)，測(cè)量出作用于模型上的氣動(dòng)力后，用結(jié)構(gòu)分析模型計(jì)算得到實(shí)際建筑的響應(yīng)。在分析建筑物的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，考慮自激力的影響（通常用氣動(dòng)阻尼來第 1 章 緒論 5 表示其影響）。根據(jù)模型的復(fù)雜程度及測(cè)力的方式不同， 氣動(dòng)模型和氣彈模型還可以分成不同的類型。 國(guó)內(nèi)外在本方向的研究現(xiàn)狀 Kareem A[35]從表面壓力測(cè)量風(fēng)洞試驗(yàn)中得到的表面壓力導(dǎo)出橫風(fēng)向氣動(dòng)力譜，在折減風(fēng)速大 于 6 時(shí)，用此氣動(dòng)力譜計(jì)算得到的響應(yīng)低于用同一建筑氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)得到的響應(yīng)。這表明結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的力不可忽略，氣動(dòng)彈性模型受到了負(fù)氣動(dòng)阻尼的作用。包含了負(fù)氣動(dòng)阻尼后，在高折減風(fēng)速下的響應(yīng)預(yù)測(cè)能提供與氣動(dòng)彈性模型響應(yīng)相吻合的結(jié)果。 Watanabe Y. et al[39]用一個(gè)閉合表達(dá)式把柱體的橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼表達(dá)為與頂部位移、外觀比、紊流強(qiáng)度和截面形狀有關(guān)的參數(shù) AMPHs,? 的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。得出如下 表達(dá) ? ? 222221 )/(4)/(1 )/(2smsmsm UUHsUU UUHsA M PF ?? ?? (17) ? ?? ?222222 )/(4)/(1 )/(1)/(smsmsmsm UUHsUU UUUUA M PF ?? ?? (18) )s in ()c o s ( 21 ?? FFF s ?? (19) pd FFFF ???? )c o s ()s in ( 21 ?? (110) 其中， AMP — 函數(shù)參數(shù)； sF — 氣動(dòng)剛度； dF — 以質(zhì)量阻尼比參數(shù) ??/a 形式表達(dá)的氣動(dòng)阻尼比； a? — 氣動(dòng)阻尼比； ? — 質(zhì)量比（空氣密度 /結(jié)構(gòu)的密度）； pF — Parkinson 準(zhǔn)定場(chǎng)理論導(dǎo)出項(xiàng) ； sU — 斯脫落哈頻率折減風(fēng)速 )/( BfU s ； U — 參考點(diǎn)的風(fēng)速； Hs — 函數(shù)參數(shù)； ?— 表達(dá) 1F 和 2F 的耦合作用 。 這里假定 )/( smp UUF ??? ， ? ? sm UA .)8/( ?? ? ? ? ? ?? ?? ? 0|/3223 ?????? ?? mdmlm CddCaaA (111) 其中： a — 風(fēng)速廓線指數(shù)； mlC — 橫風(fēng)向平均基底彎矩系數(shù)； mdC — 順風(fēng)向平均基底彎矩系數(shù)； ? — 風(fēng)攻角 。 J. Katagiri et al[37]用自相關(guān)法對(duì)氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，作出了一系列氣動(dòng)阻尼比隨折減風(fēng)速和結(jié)構(gòu)阻尼比變化的曲線圖。從圖中總結(jié)出以下規(guī)律： I、當(dāng)折減風(fēng)速U 小于某一常數(shù)時(shí)，氣動(dòng)阻尼比隨折減風(fēng)速的增大而增大，當(dāng)折減風(fēng)速大于此常數(shù)時(shí)，氣動(dòng)阻尼比隨折減風(fēng)速的增大而減??； II、當(dāng) U 大于另一更大的常數(shù)時(shí)，氣動(dòng)阻尼由正變負(fù)；III、結(jié)構(gòu)阻尼比越大，氣動(dòng)阻尼比越散亂。 第 1 章 緒論 6 Marukawa H. et al[38]用單自由度氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了矩形柱的氣動(dòng)阻尼比隨外形及結(jié)構(gòu)阻尼比變化的規(guī)律。 I、厚寬比（ BD/ ）的作用。當(dāng) 1/ ?BD 時(shí)，厚寬比越小，氣動(dòng)阻尼越大。但當(dāng) 1/ ?BD 時(shí)，氣動(dòng)阻尼隨厚寬比變化的規(guī)律不明顯。當(dāng) 1/ ?BD 時(shí)，氣動(dòng)阻尼比的測(cè)量值大于準(zhǔn)定常理論的估算值。當(dāng) 1/ ?BD 時(shí)，測(cè)試結(jié)果明顯比 估算結(jié)果小。對(duì)于厚寬比為 1/ ?BD 的模型的橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼在低折減風(fēng)速時(shí)為正值，高于某一折減風(fēng)速時(shí)，折減風(fēng)速由正變負(fù)。氣動(dòng)阻尼由正變負(fù)時(shí)的折減風(fēng)速比馳振臨界風(fēng)速小得多。II、高寬比（ BH/ ）的作用。順風(fēng)向氣動(dòng)阻尼受高寬比的影響不明顯。但橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼由正變負(fù)的折減風(fēng)速卻隨高寬比的增加而減小，這種趨勢(shì)與功率譜密度中渦激力分量隨高寬比的減小而增加有關(guān)。 III、結(jié)構(gòu)阻尼的作用。作出了 BD/ =1, BH/ =6 的結(jié)構(gòu)阻尼比分別為 %,1%和 2%的模型的氣動(dòng)阻尼隨折減風(fēng)速變化的曲線。在順風(fēng)方向，折減風(fēng)速低于10 時(shí)，在結(jié)構(gòu)阻尼比為 1%時(shí)有最小氣動(dòng)阻尼比；折減風(fēng)速高于 10 而結(jié)構(gòu)阻尼比為 %時(shí)氣動(dòng)阻尼比隨折減風(fēng)速的增加而持續(xù)增加；在順風(fēng)方向，氣動(dòng)阻尼比基本上總是正的。在橫風(fēng)方向，折減風(fēng)速低于 9 時(shí)，為正氣動(dòng)阻尼比，且氣動(dòng)阻尼比隨折減風(fēng)速的增加而增加；折減風(fēng)速大于 9 時(shí)，氣動(dòng)阻尼比隨折減風(fēng)速的減小很快變?yōu)樨?fù)值。這與強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試結(jié)果相一致：振幅越大，阻尼由正變負(fù)的風(fēng)速也越大。 近年來，國(guó)內(nèi)一些科研院所對(duì)超高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)的耦合風(fēng)振做了不少研究。同濟(jì)大學(xué)做了一些高層 建筑 和大跨 空間結(jié)構(gòu) 的 氣動(dòng)彈性 模型研究， 有 金貿(mào)大廈 [43]、虹橋體育場(chǎng)[44]、發(fā)電廠的冷卻塔 [13]等 氣彈模型，也制作了一些規(guī)則截面但參數(shù)可調(diào)的 通用 模型 [4]（方形截面，高跨比為 6 的氣彈模型），得出了氣彈阻尼與結(jié)構(gòu)阻尼、風(fēng)速、風(fēng)場(chǎng)等參數(shù)變化的一些關(guān)系，且給出了擬合的近似公式： ? ?? ?2*22*2**2*)(0 2 9 )(1 )(0 0 0 1 2 )()(10 0 2 UU UUUa ?? ???? (112) 在實(shí)際工程中可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為： *2* ??? UUa? (113) 其中， )/( 1* BfUU H? ，為模型頂部高度處的折減風(fēng)速。武漢大學(xué)的鄒良浩、梁樞果曾對(duì)外形長(zhǎng)寬比為 2:1，高寬比為 6:1 的矩形模型 [9]進(jìn)行了氣動(dòng)彈性性研究。 得到了一些氣動(dòng)阻尼比隨風(fēng)速變化而變化的規(guī)律。 浙江大學(xué)樓文娟 [10]也對(duì)風(fēng)與結(jié)的構(gòu)偶合振動(dòng)行了深入的理論研究，并對(duì)浙江省臺(tái)州電廠的高聳輸電塔進(jìn)行了模型試 驗(yàn)，得到了 在低阻尼體系的理論計(jì)算中應(yīng)考慮風(fēng)與結(jié)構(gòu)的偶合作用 。 通過對(duì)海洋動(dòng)力學(xué)中的 Morison 公式進(jìn)行分離，得到了單自由度系統(tǒng)的簡(jiǎn)化氣動(dòng)第 1 章 緒論 7 阻尼常數(shù)： 02 ??? m VACDa ? (114) 其中， ? — 空氣密度； A — 物體的迎風(fēng)面積； V — 平均風(fēng)速； m — 質(zhì)量； 0? — 固有頻率。 在模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)像鋼結(jié)構(gòu)那樣柔性并阻尼較小的結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻尼的影響是不可以忽略的。在氣動(dòng)彈性穩(wěn)定時(shí)，氣動(dòng)阻尼有助于減少結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。 本文的主要工作 在一些 結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則或 風(fēng)載環(huán)境比較復(fù)雜的 超高層建筑中，結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)已不能僅僅用動(dòng)力放大系數(shù)簡(jiǎn)單調(diào)整，需要考慮風(fēng)與結(jié)構(gòu)耦合作用的影響，而進(jìn)行氣動(dòng)彈性試驗(yàn)是研究風(fēng)與結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng)的直接方法。本文基于目前風(fēng)與結(jié)構(gòu)耦合理論，通過氣彈模型試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在與風(fēng)的耦合振動(dòng)中的一些規(guī)律 ， 研究風(fēng)與 結(jié)構(gòu)的相互作用對(duì) 高層建筑 阻尼和振動(dòng)響應(yīng)的影響，并期望能總結(jié)出一些擬合的實(shí)用公式。 同時(shí)， 與前人已有的工作不同， 在 對(duì)氣動(dòng)彈性 模型 直接測(cè)試響應(yīng)之外，本文還針對(duì)模型制作并進(jìn)行了同步測(cè)壓試驗(yàn)，通過在模型上布置測(cè)壓孔，以進(jìn)一步研究超高層建筑風(fēng)振耦合對(duì)風(fēng)壓及氣動(dòng)荷載的影響 ，為理論研究提供一些有價(jià)值的參考，也為工程應(yīng)用提供一些合理依據(jù)。 一般的超高層建筑往往具有較對(duì)稱的截面，因此本文 通過 具有代表性的方形截面 氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)，考察了風(fēng)致振動(dòng) 響應(yīng) 隨風(fēng)速的變化的規(guī)律。 以及 通過 先進(jìn)、系統(tǒng)的模態(tài)識(shí)別方法總結(jié) 出 氣動(dòng)阻尼的變化 ，并 和結(jié)構(gòu)剛性模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。 本文主要的工作如下： （ 1） 設(shè)計(jì)制作 方形截面高層建筑的 氣動(dòng)彈性模型，根據(jù) 實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn) ，使用 Ansys 有限元 軟件調(diào)試確定 氣動(dòng)彈性 模型 的 幾何參數(shù)和物理特性。并根據(jù) 具體 試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況和條件。 （ 2） 應(yīng)用 系統(tǒng)先進(jìn)的時(shí)域方法 識(shí)別結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力參數(shù)，找出在氣動(dòng)力作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)特性 ，尤其是氣動(dòng)阻尼 的變化規(guī)律。通過與剛體模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，總結(jié)分析試驗(yàn)