【導(dǎo)讀】由使用新材料、新工藝和新的施工技術(shù)建造起來(lái)的超高層建筑通常是輕質(zhì)高。揉結(jié)構(gòu)，這類建筑對(duì)于風(fēng)環(huán)境特別敏感，風(fēng)荷載已成為超高層建筑的重要控制荷載。大量實(shí)驗(yàn)表明，超高層建筑的橫風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)通常要比順風(fēng)向的大。橫風(fēng)向的等效靜態(tài)風(fēng)荷載有時(shí)甚至起到了決定性的作用。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的建。壞，影響結(jié)構(gòu)使用和安全。因此，需要對(duì)一些超高層建筑進(jìn)行氣動(dòng)彈性效應(yīng)影響的研究。該模型對(duì)應(yīng)的原型為455m高，寬51米，高寬比為9：1。通過可調(diào)質(zhì)量塊來(lái)改變減振裝置的參數(shù)，使其達(dá)到最好的減振結(jié)果。在00時(shí)對(duì)x方向（順風(fēng)向），降低了振動(dòng)響。響應(yīng)的控制非常有限，沒有達(dá)到預(yù)期的效果。模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的。雖然達(dá)到一定風(fēng)速時(shí)，會(huì)有負(fù)的氣動(dòng)阻尼產(chǎn)生，但這只是短暫的。且數(shù)值很小，可以忽略其影響。

　　

【正文】 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 18 0501001502002503003504004500 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0歸一化模態(tài)振幅原型高度/mETABSAnsys敲擊 圖 210 第 1 階模態(tài)振型比較 0501001502002503003504004500 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0歸一化模態(tài)振幅原型高度/mETABSAnsys敲擊 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(biāo)志性建筑之一，位于珠江新城西南部核心金融商務(wù)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(xiàng)目占地面積三點(diǎn)一萬(wàn)平方米，總建筑面積約四十五萬(wàn)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(shè)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(guó)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(shè)有全國(guó)最高的游泳池。 項(xiàng)目投資概算六十億元， 2020 年 9 月，由越秀集團(tuán)旗下越秀投資、城建集團(tuán)、城建開發(fā)三家公司聯(lián)合體中標(biāo)，并組建廣州越秀國(guó)際金融中心有限公司建設(shè)經(jīng)營(yíng)。項(xiàng)目 2020 年底開始動(dòng)工建 設(shè)，將于 2020 年底竣工，作為 2020 年亞運(yùn)盛會(huì)配套項(xiàng)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(lái)廣州的新地標(biāo)，是集酒店、商務(wù)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(lái)還會(huì)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(yàn)研究對(duì)象，但也初步考慮了東塔的影響。 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 19 圖 212 規(guī)劃中廣州未來(lái)東西塔效果圖 材料和試驗(yàn)參數(shù) 確定模型的長(zhǎng)度縮尺比 L? 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，密度約為 。模型密度相似比為 ，建筑物總質(zhì)量為： ，模型總質(zhì)量： 35 0 7 1 5 3 1 8 6 8 ???????=， 由 的 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)原理 知 ， 試驗(yàn)要保持流場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的相似性。 設(shè)計(jì)中的基本風(fēng)壓由基本風(fēng)速換算得出： 200 21 vw ???；撅L(fēng)速是不同地區(qū)氣象站通過大量觀察、記錄并按我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)條件下的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)而得到該地的最大平均風(fēng)速。我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件為：以 B 類地貌 10m 高度處 10 分鐘測(cè)量的最大平均風(fēng)速為依據(jù)，采用極值Ⅰ型分布求出基本風(fēng)速： xxx ????1 ，其中 ???ni ixnx 11 ， ? ?)lnln (5 7 7 1F???? ?? ， 1 )(12??? ?? nxxni ix? 。其他地貌和高度處的基本風(fēng)壓（風(fēng)速）通過換算得到（見 ）。 試驗(yàn)風(fēng)速根據(jù)不同重現(xiàn)期風(fēng)速 按相似比求 出。 其他重現(xiàn)期 的基本 風(fēng)壓， 按規(guī)范由下公式換算得出： 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 20 )110ln/) ( ln( 1010010 ???? RXXXX R (215) 10m 高基本風(fēng)速 ?**1600 00 wv ? ；原型 400m 高處梯度風(fēng)速 ??????????bb zzvzv )( ，最終試驗(yàn)風(fēng)速： vzvv ??? )( ，其中 v? 為試驗(yàn)風(fēng)速比。 由此確定的試驗(yàn)風(fēng)速見 表 21。 表 21 不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)風(fēng)速 重現(xiàn)期（年） 試驗(yàn)風(fēng)速（ m/s） 原型風(fēng)速 （ m/s） 重現(xiàn)期（年） 試驗(yàn)風(fēng)速（ m/s） 原型風(fēng)速 （ m/s） 2 20 4 30 5 50 6 60 8 80 10 100 模型尺寸 西塔氣動(dòng)彈性模型總高度 864mm， 3 根 8mm 10mm 890mm 鋁合金結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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： 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 21 圖 213 氣彈模型結(jié)構(gòu)示意圖 模型主體結(jié)構(gòu)部分采用焊接以保證連接剛度，底座通過三顆螺栓與風(fēng)洞轉(zhuǎn)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(duì)外蒙皮設(shè)置通縫，使結(jié)構(gòu)能夠作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(gè)小門 ，在對(duì)應(yīng)剛性板 中間位置設(shè)置螺紋孔以對(duì)其進(jìn)行固定 。 第 3章 風(fēng)振 特性 模態(tài) 識(shí)別 技術(shù)和軟件實(shí)現(xiàn) 緒論 模態(tài)識(shí)別技術(shù) 以實(shí)驗(yàn)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(lái)建立參數(shù)模型 (如運(yùn)動(dòng)方程 )的系統(tǒng)識(shí)別，稱為參數(shù)識(shí)別。若用模態(tài)參數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)力特性，這時(shí)的參數(shù)識(shí)別稱為模態(tài)參數(shù)識(shí)別。 振動(dòng)模態(tài)分析與參數(shù)識(shí)別是振動(dòng)工程 中一個(gè)活躍的分支，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、減振消振、振動(dòng)控制的基礎(chǔ)， 迄今在各工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，并己發(fā)展成為解決工程中振動(dòng)問題的重要手段。模態(tài)分析的最終目標(biāo) 是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析，故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 迄今為止，參數(shù)識(shí)別方法有很多種，但主要分兩類 — 頻域識(shí)別法與時(shí)域識(shí)別法。頻域識(shí)別是利用頻域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)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(shí)頻域 (傅氏變換 )，也可以是復(fù)頻域 (拉氏變換 )。頻域識(shí)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(yīng)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(qiáng)，故至今 仍是模態(tài)識(shí)別的主要方法。但頻域法需有輸入和輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)，并需第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 22 將實(shí)測(cè)的激勵(lì)和響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)，變換成頻域信號(hào)，求得頻響函數(shù)，再識(shí)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)或中、小型結(jié)構(gòu)上應(yīng)用。 時(shí)域法比頻域法發(fā)展晚，但最近幾年來(lái)有長(zhǎng)足的進(jìn)步。時(shí)域識(shí)別是利用時(shí)間域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中，時(shí)域數(shù)據(jù)可以是自由響應(yīng)數(shù)據(jù)、脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)、白噪聲激勵(lì)響應(yīng)數(shù)據(jù)和一般的輸入、輸出時(shí)間歷程數(shù)據(jù)。由于近代的識(shí)別方法都是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行的，所以多用離散的時(shí)域模型。 時(shí)域模態(tài)參數(shù)識(shí)別與頻域參數(shù)識(shí) 別方法不同，它無(wú)須將測(cè)得的響應(yīng)與激勵(lì)的時(shí)間歷程信號(hào)變換到頻域中去，而是直接在時(shí)域中進(jìn)行參數(shù)識(shí)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(shí)域參數(shù)辨識(shí)法無(wú)需將測(cè)試信號(hào)在時(shí)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?cái)嗾`差，如泄露等，從而提高了參數(shù)估計(jì)的精度，特別是對(duì)模態(tài)阻尼的估計(jì)。另外，時(shí)域法給直接從響應(yīng)信號(hào) (或數(shù)據(jù) )中識(shí)別模態(tài)參數(shù)創(chuàng)造了條件。這樣可以無(wú)需知道激勵(lì)就可以單獨(dú)從響應(yīng)數(shù)據(jù)中辨識(shí)模態(tài)參數(shù)。這對(duì)那些無(wú)需知道激勵(lì)信號(hào)的工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析來(lái)說(shuō)是十分重要的。不少 實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，如海洋平臺(tái)、建筑物及水工結(jié)構(gòu)等在風(fēng)、浪及大地脈動(dòng) (包括地震 )作用下引起的振動(dòng)等，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)所承受的載荷往往很難測(cè)量。但是它們的響應(yīng)信號(hào)則容易測(cè)得。如果只需要利用響應(yīng)數(shù)據(jù)便可進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，這無(wú)疑是一大優(yōu)點(diǎn)。這樣便可對(duì)工作情況下的機(jī)械及結(jié)構(gòu)進(jìn)行所謂“在線”模態(tài)分析。這不僅使那些無(wú)法測(cè)得載荷的工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析成為可能，而且‘在實(shí)際工作狀態(tài)下識(shí)別的模態(tài)參數(shù)能更確切地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)態(tài)性能。不僅如此還可以使測(cè)試設(shè)備大為簡(jiǎn)化(不需要激勵(lì)設(shè)備 )，從而減少測(cè)試費(fèi)用。這都是時(shí)域參數(shù)識(shí)別法的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，時(shí)域識(shí) 別法亦有它的缺點(diǎn)，例如精度較低，可能出現(xiàn)虛假模態(tài)等。 振動(dòng)測(cè)試分析儀器 （ a）加速度計(jì) 測(cè)量振動(dòng)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(jì)有動(dòng)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(diǎn)。常用的有 438 450 4506型，本文選用兩個(gè) 4507B 型單軸壓電式加速度計(jì)。 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 23 圖 31 4507B 型壓電式加速度計(jì)示意圖 加速度計(jì)量設(shè)備 圖 32 3560C 型數(shù)據(jù)采集前端 加速度計(jì)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(tái)軟件。實(shí)驗(yàn)時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)同步采集，通過網(wǎng)線傳至電腦中。 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 24 風(fēng)速測(cè)量設(shè)備 圖 33 TSI 8384A 風(fēng)速計(jì) 為方便起見，風(fēng)速測(cè)量 則采用美國(guó) TSI 8384A 風(fēng)速計(jì)測(cè)量試驗(yàn)風(fēng)速。 8384 型號(hào)可測(cè)定風(fēng)速、溫度及計(jì)算流量。可測(cè)風(fēng)速范圍達(dá) 0～ 50m/s（熱傳感器）。測(cè)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(yàn)要求。 風(fēng)場(chǎng)模擬 風(fēng)速剖面 在梯度風(fēng)高度以下，由于地表摩擦的結(jié)果，使接近地表的風(fēng)速隨著離地面高度的減小而降低。描述平均風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律的曲線稱為風(fēng)速剖面。常用的有對(duì)數(shù)率和指數(shù)率，實(shí)際應(yīng)用中平均風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律常用指數(shù)函數(shù)來(lái)描述，即： ??????????ss zzUzU )( (31) 其中 )(zU 、 z ：任一點(diǎn)的平均風(fēng)速和高度； sU 、 sz 為標(biāo)準(zhǔn)高度處的平均風(fēng)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(guó)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范將地貌類別分成A、 B、 C、 D 四類，對(duì)應(yīng)的 風(fēng)剖面指數(shù)分別為 、 、 和 。 湍流度 流體在靜態(tài)時(shí)不能承受除法向壓力之外的任何定常應(yīng)力，而在動(dòng)態(tài)時(shí)，可承受隨時(shí)間變化的剪應(yīng)力。因此，在流體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中，通?？杉僭O(shè)所涉及的應(yīng)力或是法向應(yīng)力，或是粘性引起的剪應(yīng)力，具有剪切內(nèi)應(yīng)力的流體稱為粘性流體或牛頓流體。在粘性很小的流體運(yùn)動(dòng)中，渦量具有保持性，這時(shí)，強(qiáng)旋渦是主宰流動(dòng)的主要要素。湍流場(chǎng)必定是有旋的，第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 25 它的渦量是隨機(jī)分布的，并由各種尺度不同的脈動(dòng)渦量（湍流）組成。 風(fēng)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(fēng)速較低時(shí)可 歸為不可壓縮流體，由于粘性系數(shù)較低，其脈動(dòng)湍流度較液體流體大得多。所以一些流體力學(xué)定理如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)方法、聯(lián)想記憶系統(tǒng)，也可應(yīng)用與大氣湍流的研究。 均勻湍流場(chǎng)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(yīng)力不短從平均流中覓取能量輸送到湍流脈動(dòng)中去。湍流脈動(dòng)并非完全不規(guī)則的隨機(jī)過程，而是在不規(guī)則的脈動(dòng)中包含可辨認(rèn)的有序大尺度運(yùn)動(dòng)，這種有序的大尺度運(yùn)動(dòng)隨機(jī)地出現(xiàn)在剪切湍流中，并主宰湍流的動(dòng)量、能量和質(zhì)量輸運(yùn)。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(qiáng)度定 義為： )( )(zU zI uz ?? (32) 其中： )(zu? 是高度 z 處的風(fēng)速方差； )(zU 是高度 z 處的風(fēng)速均值； ZI 是高度 z 處的湍流密度，也稱湍流強(qiáng)度和湍流度，是一個(gè)無(wú)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(fēng)的長(zhǎng)周期變化無(wú)關(guān)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，平均風(fēng)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(dá) 20%~30%。 湍流積分尺度 又稱紊流長(zhǎng)度尺度。通過某一點(diǎn)氣流中的速度脈動(dòng)，可以認(rèn)為是由平均風(fēng)所輸運(yùn)的一些理想渦旋疊加而引起的，若定義渦旋的波長(zhǎng)就是旋渦大小的量度，湍流積分尺度則是氣流中湍流渦旋平均尺寸的量度。相對(duì)一定尺寸的建筑物而言，渦旋的大小對(duì)作用于建筑物上的風(fēng)荷載有較大的影響。湍流積分尺度 在數(shù)學(xué)上定義為： ???02 )(121 ??? dRL uuu (33) 式中， )(21 ?uuR是兩個(gè)順風(fēng)向速度分量 ),(1 tzyxuu ? 和 ),(2 tzyxu ???? 的互相關(guān)函數(shù)， u? 是1u ， 2u 的均方根值。日本建議的湍流積分尺度經(jīng)驗(yàn)公式： )30/(100 zL ? (34) 第 2 章 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)方案 26 脈 動(dòng)風(fēng)空間相干函數(shù) 當(dāng)結(jié)構(gòu)上 一點(diǎn) l 的脈動(dòng)風(fēng)壓達(dá)到最大值時(shí)，與 l 點(diǎn)距離為 r 的 k 點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)壓一般不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大值。在一定的范圍內(nèi)，離開 l 點(diǎn)越遠(yuǎn)，脈動(dòng)風(fēng)壓同時(shí)達(dá)到最大值的可能性越小，這種性質(zhì)稱為脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性。 通過對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速大量的觀察和研究，認(rèn)為脈動(dòng)風(fēng)的陣風(fēng)脈動(dòng)可近似作為各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程 。由隨機(jī)過程理論，在 l 點(diǎn)和 k 點(diǎn)測(cè)得的隨機(jī)過程 )(1tu ， )(2tu ，即 l 點(diǎn)和 k 點(diǎn)兩個(gè)脈動(dòng)分量的連續(xù)記錄的數(shù)學(xué)期望為時(shí)域內(nèi)的互相關(guān)函數(shù)，用 )(