【文章內(nèi)容簡介】 當結構上一點的脈動風壓達到最大值時，與點距離為的點脈動風壓一般不會同時達到最大值。在一定的范圍內(nèi)，離開點越遠，脈動風壓同時達到最大值的可能性越小，這種性質(zhì)稱為脈動風的空間相關性。通過對脈動風速大量的觀察和研究，認為脈動風的陣風脈動可近似作為各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機過程。由隨機過程理論，在點和點測得的隨機過程，即點和點兩個脈動分量的連續(xù)記錄的數(shù)學期望為時域內(nèi)的互相關函數(shù)，用表示。互相關函數(shù)由維納—辛欽關系可得頻域內(nèi)的互譜密度函數(shù)，再由相干函數(shù)的定義，相干函數(shù)的平方根取下面的式子： (25)式中，為相干函數(shù)的平方根，和分別為點和點的脈動風速譜密度函數(shù)。 脈動風速譜脈動風速譜包括順風向和橫風向的脈動風速譜。由于高層建筑和高聳結構的橫風向振動機理比較復雜，其響應與橫風向脈動風速功率譜無明確的關系，因此，通常只研究順風向風速譜。常見的有：Davenport 、Kaimal譜、Simiu譜和Hino譜。a、 Davenport風速譜 (26)式中 —脈動風頻率；—脈動風速功率譜；—地面粗糙度系數(shù)；—10米高平均風速；。Davenport譜不隨高度變化。b、 Kaimal風速譜卡曼（Kaimal）提出的風速譜的數(shù)學表達式為： (27)式中 ；—高度處的平均風速；其余符號同前。c、 Simiu風速譜西謬提出的風速譜采用分段表示，數(shù)學表達式為： (28)式中 (29)但對于時，下面公式更為合適 (210)式中 為摩擦速度，其余符號含義與前相同。d、 Hino風速譜 (211)式中：，其余符號與上同。 C類風場風速模擬根據(jù)廣州珠江新城西塔所在的位置和周邊地區(qū)的發(fā)展狀況，確定采用荷載規(guī)范[24]的C類地貌來進行試驗。采用尖塔和粗糙元來模擬流場，，尖塔之間間隔為75cm，前部16排小粗糙元（8cm5cm），迎風面8cm5cm，排列間距寬50cm；后部4排大粗糙元（10cm10cm10cm），迎風面10cm10cm，排列間距寬50cm，共20排，均呈梅花型排列（圖25）。圖25 氣彈模型風洞試驗圖26為C類風場的平均風速剖面和湍流度分布剖面，圖27為C類風場下的風速譜譜曲線，其中湍流度分布接近于AIJ 1996[33]的建議值。圖26 平均風速和湍流度剖面圖27 C類地貌試驗區(qū)風速譜根據(jù)風洞試驗段的試驗要求，暫定試驗風速范圍為15～20m/s（對應原型梯度風速—400m高度處風速）。最大試驗風速取重現(xiàn)期100年，C類地貌，地貌指數(shù)：?？紤]風壓高度變化系數(shù)，由公式(21)得梯度風速（400m高），按風速比確定，最大風速完全在風洞試驗風速范圍之內(nèi)。頻率比：==125，最終的試驗風速和各縮尺比參數(shù)，根據(jù)模型敲擊和實測結果進行調(diào)整。經(jīng)調(diào)試，試驗風速覆蓋3年～100年重現(xiàn)期風速。 實驗模型設計原理進行模型試驗，要求對試驗參數(shù)進行無量綱化，同時也要求具有相同的風場條件。風場的相似性可通過尖塔、擋板、粗糙元來模擬，而流場則要保證相同的斯特羅哈數(shù)（strouhal）和佛羅得數(shù)（florid）。Florid數(shù)涉及大密度流體且與重力有關，所以本文僅保證相同的strouhal數(shù)。 (212)其中：—模型頻率；—模型尺度；—試驗風速；—原型頻率；—原型尺度；—原型風速。令，，其中、分別為頻率比、縮尺比、風速比。將其帶入公式(212)，可寫為。由模型制作時確定，由模型敲擊得到，最后由前兩者確定，這樣即可滿足和原型結構相同的strouhal數(shù)。同樣，由傳感器紀錄的模型加速度需經(jīng)無量綱化轉化為原型的加速度。加速度（）單位，量綱為L/T2。由相似比的無量綱化得： (213) 222。 222。 (214)最終加速度縮尺比===。采用ANSYS實體建模，單元類型采用solid45體單元進行自適應網(wǎng)格劃分。添加約束條件，通過改變模型尺寸參數(shù)來調(diào)整模型的頻率和振型?？紤]到前兩階的能量占主要部分，所以僅需調(diào)試前兩階的頻率和振型（圖28，圖29）。圖28 Ansys模擬的第1階振型圖29 Ansys模擬的第2階振型以ETABS軟件結果為依據(jù)，根據(jù)Ansys軟件結果和實際敲擊結果進行了比較。發(fā)現(xiàn)前兩階（橫、順風向）結果吻合良好（圖210，圖211），由于剛體模型試驗得到結構的第3階及其后的高階模態(tài)對結構貢獻很小，可不予考慮。圖210 第1階模態(tài)振型比較圖211 第2階模態(tài)振型比較 工程概述和模型參數(shù)確定 工程概述西塔作為廣州珠江新城六大標志性建筑之一，位于珠江新城西南部核心金融商務區(qū)。東臨珠江大道，西靠華廈路，南接華就路，北望花城大道，處于新城市中心的中軸線上。該項目占地面積三點一萬平方米，總建筑面積約四十五萬平方米，由地下四層、地上一百零三層的主塔樓和二十八層的附樓組成。設有雙酒店大堂，分別位于首層和七十層，六十九到一百層為超白金五星酒店，為國內(nèi)最高的酒店，其中，九十九到一百層為觀光層、餐飲層和休閑中心，并設有全國最高的游泳池。項目投資概算六十億元，2005年9月，由越秀集團旗下越秀投資、城建集團、城建開發(fā)三家公司聯(lián)合體中標，并組建廣州越秀國際金融中心有限公司建設經(jīng)營。項目2005年底開始動工建設，將于2009年底竣工，作為2010年亞運盛會配套項目交付使用。廣州珠江新城西塔地處城市中心位置，作為未來廣州的新地標，是集酒店、商務辦公、休閑娛樂為一體的超大規(guī)模綜合建筑。按照規(guī)劃，將來還會有一棟完全一樣的建筑—東塔。由于東西塔是分期開發(fā)，所以目前主要以西塔為試驗研究對象，但也初步考慮了東塔的影響。圖212 規(guī)劃中廣州未來東西塔效果圖 材料和試驗參數(shù)確定模型的長度縮尺比為1/500，所以西塔氣彈模型總高度為432m/500=864mm。模型主體采用鋁合金材料，鋁合金的材料特性：E=72GPa，G=27GPa，ν=，ρ=。減振系統(tǒng)采用不銹剛圓柱，兩頭為螺紋，不銹鋼材料參數(shù)：E=190GPa，ν=，ρ=。模型外表皮采用2mm厚的薄木板。，建筑物總質(zhì)量為：，模型總質(zhì)量：=，試驗要保持流場和風場的相似性。設計中的基本風壓由基本風速換算得出：。基本風速是不同地區(qū)氣象站通過大量觀察、記錄并按我國規(guī)定標準條件下的記錄數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析進而得到該地的最大平均風速。我國規(guī)定的標準條件為：以B類地貌10m高度處10分鐘測量的最大平均風速為依據(jù)，采用極值Ⅰ型分布求出基本風速：，其中。其他地貌和高度處的基本風壓（風速）通過換算得到（）。試驗風速根據(jù)不同重現(xiàn)期風速按相似比求出。其他重現(xiàn)期的基本風壓，按規(guī)范由下公式換算得出： (215)10m高基本風速；原型400m高處梯度風速，最終試驗風速：，其中為試驗風速比。由此確定的試驗風速見表21。表21 不同重現(xiàn)期對應的試驗風速重現(xiàn)期（年）試驗風速（m/s）原型風速（m/s）重現(xiàn)期（年）試驗風速（m/s）原型風速（m/s）22043055066088010100 模型尺寸西塔氣動彈性模型總高度864mm，3根8mm10mm890mm鋁合金結構柱，4塊8mm厚剛性板、4塊10mm厚剛性板、2塊底盤（分別與上部結構和底座連接）。各部件尺寸見圖213，另有一些質(zhì)量調(diào)節(jié)小塊： 圖213 氣彈模型結構示意圖模型主體結構部分采用焊接以保證連接剛度，底座通過三顆螺栓與風洞轉盤連接，外表蒙皮通過膠水粘于各層間鋼板上。各層中間位置，對外蒙皮設置通縫，使結構能夠作相對運動。為了給其后的減振裝置安裝提供方便，在第7層剛性板中部開3個小門，在對應剛性板中間位置設置螺紋孔以對其進行固定。第3章 風振特性模態(tài)識別技術和軟件實現(xiàn) 緒論 模態(tài)識別技術以實驗數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)的物理參數(shù)(如質(zhì)量、阻尼和剛度)來建立參數(shù)模型(如運動方程)的系統(tǒng)識別，稱為參數(shù)識別。若用模態(tài)參數(shù)來描述系統(tǒng)的動力特性，這時的參數(shù)識別稱為模態(tài)參數(shù)識別。振動模態(tài)分析與參數(shù)識別是振動工程中一個活躍的分支，是結構動態(tài)設計、減振消振、振動控制的基礎，迄今在各工程領域中廣泛應用，并己發(fā)展成為解決工程中振動問題的重要手段。模態(tài)分析的最終目標是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結構系統(tǒng)的振動特性分析，故障診斷和預報以及結構動力特性的優(yōu)化設計提供依據(jù)。迄今為止，參數(shù)識別方法有很多種，但主要分兩類—頻域識別法與時域識別法。頻域識別是利用頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行參數(shù)識別。在結構動力學中，頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)一般為系統(tǒng)的頻響函數(shù)(或傳遞函數(shù))，也就是輸出的傅氏變換。頻域可以是實頻域(傅氏變換)，也可以是復頻域(拉氏變換)。頻域識別法發(fā)展較早，目前在工程中，特別在模態(tài)分析中仍然廣泛地應用。因頻域法的物理概念清楚直觀，不易遺漏模態(tài)或者產(chǎn)生虛假模態(tài)，精度較高，抗噪能力也較強，故至今仍是模態(tài)識別的主要方法。但頻域法需有輸入和輸出的測試數(shù)據(jù)，并需將實測的激勵和響應的時域信號，變換成頻域信號，求得頻響函數(shù)，再識別模態(tài)參數(shù)。此外，頻域法要求數(shù)據(jù)的信噪比較高，故頻域法多在實驗室內(nèi)或中、小型結構上應用。時域法比頻域法發(fā)展晚，但最近幾年來有長足的進步。時域識別是利用時間域內(nèi)的數(shù)據(jù)進行參數(shù)辨識。在結構動力學中，時域數(shù)據(jù)可以是自由響應數(shù)據(jù)、脈沖響應數(shù)據(jù)、白噪聲激勵響應數(shù)據(jù)和一般的輸入、輸出時間歷程數(shù)據(jù)。由于近代的識別方法都是利用數(shù)字計算機進行的，所以多用離散的時域模型。時域模態(tài)參數(shù)識別與頻域參數(shù)識別方法不同，它無須將測得的響應與激勵的時間歷程信號變換到頻域中去，而是直接在時域中進行參數(shù)識別。它與頻域法相比，兩者所采取的分析路線不同，如下框圖所示：由于時域參數(shù)辨識法無需將測試信號在時域與頻域之間變化，這就避免了由數(shù)據(jù)變換(FFT變換)而引起的截斷誤差，如泄露等，從而提高了參數(shù)估計的精度，特別是對模態(tài)阻尼的估計。另外，時域法給直接從響應信號(或數(shù)據(jù))中識別模態(tài)參數(shù)創(chuàng)造了條件。這樣可以無需知道激勵就可以單獨從響應數(shù)據(jù)中辨識模態(tài)參數(shù)。這對那些無需知道激勵信號的工程結構的模態(tài)分析來說是十分重要的。不少實際工程結構，如海洋平臺、建筑物及水工結構等在風、浪及大地脈動(包括地震)作用下引起的振動等，它們在工作時所承受的載荷往往很難測量。但是它們的響應信號則容易測得。如果只需要利用響應數(shù)據(jù)便可進行參數(shù)識別，這無疑是一大優(yōu)點。這樣便可對工作情況下的機械及結構進行所謂“在線”模態(tài)分析。這不僅使那些無法測得載荷的工程結構的模態(tài)分析成為可能，而且‘在實際工作狀態(tài)下識別的模態(tài)參數(shù)能更確切地反映結構的實際動態(tài)性能。不僅如此還可以使測試設備大為簡化(不需要激勵設備)，從而減少測試費用。這都是時域參數(shù)識別法的優(yōu)點。當然，時域識別法亦有它的缺點，例如精度較低，可能出現(xiàn)虛假模態(tài)等。 振動測試分析儀器（a）加速度計測量振動使用BK公司的單軸加速度壓電傳感器，如圖22所示。加速度計有動態(tài)范圍大，頻率范圍寬，線性度好，穩(wěn)定性高，安裝比較方便等特點。常用的有4384504506型，本文選用兩個4507B型單軸壓電式加速度計。圖31 4507B型壓電式加速度計示意圖 加速度計量設備圖32 3560C型數(shù)據(jù)采集前端加速度計通過專用電纜與采集系統(tǒng)相連，本系統(tǒng)為Bamp。K四通道便攜式分析儀。核心為3560C型智能多通道數(shù)據(jù)采集前端，使用7753型處理模塊，軟件部分為7700型平臺軟件。實驗時可對數(shù)據(jù)進行實時同步采集，通過網(wǎng)線傳至電腦中。 風速測量設備圖33 TSI 8384A風速計為方便起見，風速測量則采用美國TSI 8384A風速計測量試驗風速。8384型號可測定風速、溫度及計算流量?？蓽y風速范圍達0～50m/s（熱傳感器）。測量參數(shù)：范圍：0—50m/s，精度：讀數(shù)的177。3%(最小177。)，分辨率：，滿足試驗要求。 風場模擬 風速剖面在梯度風高度以下，由于地表摩擦的結果，使接近地表的風速隨著離地面高度的減小而降低。描述平均風速隨高度變化的規(guī)律的曲線稱為風速剖面。常用的有對數(shù)率和指數(shù)率，實際應用中平均風速隨高度變化的規(guī)律常用指數(shù)函數(shù)來描述，即： (31)其中、：任一點的平均風速和高度；、為標準高度處的平均風速和高度；冪指數(shù)為地面粗糙度系數(shù)，隨不同地形而變化。我國建筑結構荷載規(guī)范將地貌類別分成A、B、C、D四類，、。 湍流度流體在靜態(tài)時不能承受除法向壓力之外的任何定常應力，而在動態(tài)時，可承受隨時間變化的剪應力。因此，在流體動力學應用中，通?？杉僭O所涉及的應力或是法向應力，或是粘性引起的剪應力，具有剪切內(nèi)應力的流體稱為粘性流體或牛頓流體。在粘性很小的流體運動中，渦量具有保持性，這時，強旋渦是主宰流動的主要要素。湍流場必定是有旋的，它的渦量是隨機分布的，并由各種尺度不同的脈動渦量（湍流）組成。風在某種意義上也可以看成是一種可壓縮流體—大氣流體，但在通常風速較低時可歸為不可壓縮流體，由于粘性系數(shù)較低，其脈動湍流度較液體流體大得多。所以一些流體力學定理如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊數(shù)學方法、聯(lián)想記憶系統(tǒng)，也可應用與大氣湍流的研究。均勻湍流場在平均等剪切的作用下，產(chǎn)生各向異性湍流，它生成的雷諾應力不短從平均流中覓取能量輸送到湍流脈動中去。湍流脈動并非完全不規(guī)則的隨機過程，而是在不規(guī)則的脈動中包含可辨認的有序大尺度運動，這種有序的大尺度運動隨機地出現(xiàn)在剪切湍流中，并主宰湍流的動量、能量和質(zhì)量輸運。剪切湍流可分：壁湍流剪切湍流 自由剪切湍流。隨高度z變化的湍流強度定義為： (32)其中：是高度z處的風速方差；是高度z處的風速均值；是高度z處的湍流密度，也稱湍流強度和湍流度，是一個無量綱的量，它是地面粗糙度類別和離地高度z的函數(shù)，但與風的長周期變化無關。實測結果表明，平均風速隨高度z的增加而增加，湍流度隨高度增加而減小，靠近地面一般可達20%~30%。 湍流積分尺度又稱紊流長度尺度。通過某一點氣流中的速度脈動，可以認