【正文】 以上述步驟制作的氣動彈性模型為基礎(chǔ)，制作同步測壓模型，以最不利的臺風(fēng)地貌做為試驗條件，研究風(fēng)振耦合對氣動荷載的影響， 初步探究渦激共振對超高層建筑的影響， 為 以后的 其他 超高層 相關(guān)工程提供參考依據(jù)。 （ 2） 應(yīng)用 系統(tǒng)先進的時域方法 識別結(jié)構(gòu)的氣動力參數(shù)，找出在氣動力作用下結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)特性 ，尤其是氣動阻尼 的變化規(guī)律。 本文主要的工作如下： （ 1） 設(shè)計制作 方形截面高層建筑的 氣動彈性模型，根據(jù) 實際工程經(jīng)驗 ，使用 Ansys 有限元 軟件調(diào)試確定 氣動彈性 模型 的 幾何參數(shù)和物理特性。 一般的超高層建筑往往具有較對稱的截面，因此本文 通過 具有代表性的方形截面 氣動彈性模型風(fēng)洞試驗，考察了風(fēng)致振動 響應(yīng) 隨風(fēng)速的變化的規(guī)律。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，檢驗結(jié)構(gòu)在與風(fēng)的耦合振動中的一些規(guī)律 ， 研究風(fēng)與 結(jié)構(gòu)的相互作用對 高層建筑 阻尼和振動響應(yīng)的影響，并期望能總結(jié)出一些擬合的實用公式。在氣動彈性穩(wěn)定時，氣動阻尼有助于減少結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。 通過對海洋動力學(xué)中的 Morison 公式進行分離，得到了單自由度系統(tǒng)的簡化氣動第 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。 得到了一些氣動阻尼比隨風(fēng)速變化而變化的規(guī)律。同濟大學(xué)做了一些高層 建筑 和大跨 空間結(jié)構(gòu) 的 氣動彈性 模型研究， 有 金貿(mào)大廈 [43]、虹橋體育場[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) 在實際工程中可進一步簡化為： *2* ??? UUa? (113) 其中， )/( 1* BfUU H? ，為模型頂部高度處的折減風(fēng)速。這與強迫振動測試結(jié)果相一致：振幅越大，阻尼由正變負的風(fēng)速也越大。在順風(fēng)方向，折減風(fēng)速低于10 時，在結(jié)構(gòu)阻尼比為 1%時有最小氣動阻尼比；折減風(fēng)速高于 10 而結(jié)構(gòu)阻尼比為 %時氣動阻尼比隨折減風(fēng)速的增加而持續(xù)增加；在順風(fēng)方向，氣動阻尼比基本上總是正的。 III、結(jié)構(gòu)阻尼的作用。順風(fēng)向氣動阻尼受高寬比的影響不明顯。氣動阻尼由正變負時的折減風(fēng)速比馳振臨界風(fēng)速小得多。當(dāng) 1/ ?BD 時，測試結(jié)果明顯比 估算結(jié)果小。但當(dāng) 1/ ?BD 時，氣動阻尼隨厚寬比變化的規(guī)律不明顯。 I、厚寬比（ BD/ ）的作用。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，氣動阻尼比隨折減風(fēng)速的增大而增大，當(dāng)折減風(fēng)速大于此常數(shù)時，氣動阻尼比隨折減風(fēng)速的增大而減?。?II、當(dāng) U 大于另一更大的常數(shù)時，氣動阻尼由正變負；III、結(jié)構(gòu)阻尼比越大，氣動阻尼比越散亂。 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 。 Watanabe Y. et al[39]用一個閉合表達式把柱體的橫風(fēng)向氣動阻尼表達為與頂部位移、外觀比、紊流強度和截面形狀有關(guān)的參數(shù) AMPHs,? 的經(jīng)驗函數(shù)。這表明結(jié)構(gòu)運動導(dǎo)致的力不可忽略，氣動彈性模型受到了負氣動阻尼的作用。根據(jù)模型的復(fù)雜程度及測力的方式不同， 氣動模型和氣彈模型還可以分成不同的類型。 通過試驗，測量出作用于模型上的氣動力后，用結(jié)構(gòu)分析模型計算得到實際建筑的響應(yīng)。這種試驗方法不測量建筑物所受到的氣動力，而直接測量結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。氣動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)的動力特性。 高層建筑風(fēng)洞試驗有多種方法。 (3)、 正確模擬結(jié)構(gòu)的動力 特性。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，即決定建筑的氣動導(dǎo)納。 邊界層風(fēng)洞實驗借助于物理模型實驗來確定風(fēng)荷載和響應(yīng)。對于給定的高層建筑，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 動有關(guān)。 假定結(jié)構(gòu)體系是線彈性的，由于自激氣動力的影響，方程 (16)仍然是非線性的。這以后邊界層風(fēng)洞實驗技術(shù)才逐漸得到發(fā)展。早期的風(fēng)洞實驗都是在航空風(fēng)洞中進行的。由于高層建筑風(fēng)致動態(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，目前主要借助于大氣邊界層風(fēng)洞實驗或參考已有的風(fēng)洞實驗資料，并在此基礎(chǔ)上進行相關(guān)的理論分第 1 章 緒論 4 析。 因此，可以通過剛性模型的測力或測壓試驗得到，而后者則需要通過氣動彈性模型試驗得到。氣動反饋與結(jié)構(gòu)在風(fēng)場作用下的運動有關(guān)。 渦激力跟旋渦脫落有關(guān)，受到風(fēng)場特性及結(jié)構(gòu)外形的影響。 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，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，但此時順風(fēng)向振動應(yīng)按隨機振動考慮。最后，風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用也可以分為兩類：（ A）氣動力受結(jié)構(gòu)振動的影響很小，可以忽略不計；（ B）氣動力受結(jié)構(gòu)振動的反饋制約，引起一種自激振動機制。首先，把風(fēng)速分成兩個部分：（ A）平均風(fēng)，假定它在時間上是不變第 1 章 緒論 3 的；（ B）脈動風(fēng)，包括來流本身的脈動和繞過結(jié)構(gòu)時引起的脈動。對很少出現(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)。這種作用力將引起結(jié)構(gòu)的振動（風(fēng)致振動），而振動起來的結(jié)構(gòu)又會反過來影響流場，改變空氣的作用力，引起風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用機制，更加深了問題的復(fù)雜性。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（即隨時間變化的）和隨機的。指數(shù)律先由 于 1916 年提出，后來 根據(jù)多次觀測資料整理出不同場地下的風(fēng)剖面，提出風(fēng)速沿高度的變化可由指數(shù)律來描述。目前，氣象學(xué)家認為用對數(shù)律表示大氣底層強風(fēng)風(fēng)速廓線比較理想。 風(fēng)是一種隨機過程，隨著離地面高度的增加而增加，但當(dāng)超過一頂高度后就趨于穩(wěn)定。由于太陽對地球上大氣加熱和溫度上升的不均勻性，從而在地球相同高度的兩點之間產(chǎn)生壓力差，這樣不同壓力差的地區(qū)產(chǎn)生了趨于平衡的空氣流動，便形成了風(fēng)。經(jīng)過幾十年的研第 1 章 緒論 2 究，人類對強風(fēng)有了長足的認識，但對一些作用機理的研究仍然不夠，還不能很好地解決和預(yù)測一些結(jié)構(gòu)的風(fēng)致破壞情況。 超高層建筑抗風(fēng)試驗概述 風(fēng)的特性 我國自然災(zāi)害頻繁，每年因地質(zhì)氣候災(zāi)害造成的損失高達數(shù)百億元。 （ 2）分析結(jié)構(gòu)阻尼 a? 隨 rV 變化而變化的規(guī)律，為同類重大土木工程的抗風(fēng)設(shè)計提供一些依據(jù)。通過卓有成效的研究，能對后續(xù)研究產(chǎn)生積極的影響，為本方向的研究積累一些數(shù)據(jù)。最后設(shè)置的減振裝置可以考察其減振的效果，對改善結(jié)構(gòu)響應(yīng)、節(jié)約工程造價具有重要意義。 本文對在建的廣州西塔工程項目進行了氣動彈性模型風(fēng)洞試驗研究，并根據(jù)振動控制理論設(shè)置了減振措施。況且，橫風(fēng)向的 幾種激勵相互影響，氣流分離，再附，結(jié)構(gòu)與風(fēng)的周期性脈動，等等都會顯著地放大結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)?？紤]到 一般 結(jié)構(gòu)的基階或前幾階響應(yīng)對結(jié)果貢獻很大，也為了模型制作的方便，常常使用剛體模型測壓和力天平試驗。 對一些體型稍微復(fù)雜的，規(guī)范上建議進行風(fēng)洞試驗。 試驗工況 ............................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 數(shù)據(jù)預(yù)處理 ........................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 TMD antivibration control。 aerodynamic damping。 aeroelastic model。s device character to achieve its great effect. The result appeared that in 0 angle xdirection (along wind), the acceleration response was decreased. While in 0 angle ydirection (crosswind), for the device changes the structure39。s damage. Its negative influence can be neglected. In the 4th chapter, according to the highrise construction39。s 3rd chapter, we design and manufacture a elastic model based on Guangzhou west tower which is 432m high, 3rd 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 Eigensyste m Realization Algorithm (ERA) method to analyze the structure39。s 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 suddenly and cause the structure unstable. This will affect the structure39。 dynamic response in crosswind is usually greater than that in along wind. In projects39。s development、 improvement of technology and citylized proceeding, many tall buildings are being constructed rapidly. For the use of new material、 new craft and new 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 bee the extrahigh buildings39。雖然達到一定風(fēng)速時，會有負的氣動阻尼產(chǎn)生，但這只是短暫的且數(shù)值很小，可以忽略其影響。 在 00時對 x 方向（順風(fēng)向）， 降 低了振動 響應(yīng) ；由于減振裝置的安裝 使結(jié)構(gòu) 的固有特性發(fā)生了改變，使得其對 y 方向（橫風(fēng)向）振動響應(yīng)的控制非常有限 ， 沒有達到預(yù)期的效果 。通過可調(diào)質(zhì)量塊來改變減振裝置的參數(shù)，使其達到最好的減振結(jié)果。 通過一系列的加速度風(fēng)洞試驗，運用隨機減量技術(shù) (RDT)結(jié)合 ERA 特征模態(tài)分析法識別出了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)參數(shù)。 本文根據(jù)在建或已建成的眾多超高層建筑為考慮對象 ，設(shè)計 制作了具有一定通用性的方形截面 氣動彈性模型。對于一些結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則 的 建筑，由于結(jié)構(gòu) 與 風(fēng)之間會相互影響，有時會使結(jié)構(gòu)響應(yīng)急劇放大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定乃至破壞，影響結(jié)構(gòu)使用和安全。 大量實驗表明，超高層建筑的橫風(fēng)向動力響應(yīng)通常要比順風(fēng)向的大。摘要 I 摘要 隨著科 學(xué) 技 術(shù) 的進步 、社會的發(fā)展 和城市化進程的加快， 300 米以上的 高層建筑得到了迅 猛地 發(fā)展。由 使 用新材料、新工藝和新的施工技術(shù)建造起來的超高層建筑通常是輕質(zhì)高揉結(jié)構(gòu) ， 這類建筑對于風(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。在工程應(yīng)用中，橫風(fēng)向的等效靜態(tài)風(fēng)荷載有時甚至起到了決定性的作用。因此，需要對一些超高層 建筑進行氣動 彈性效應(yīng)影響的 研究。 該模型對應(yīng)的原型為 455m 高，寬 51 米，高寬比為 9： 1。 同時 根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)振動控制原理，設(shè)計了倒懸質(zhì)量塊的減振裝置(TMD)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，減振參數(shù)的選取對減振效果起著重要的關(guān)系。 最后 ， 通過和剛體模型數(shù)據(jù)進行了對比，發(fā)現(xiàn)在正常情況下，結(jié)構(gòu)是很安全的，剛體模型試驗數(shù)據(jù)是可靠的。 關(guān)鍵詞：風(fēng)洞實驗；氣彈模型；高層建筑；氣動阻尼；隨機減量 技術(shù)