【正文】 構風效應，應當做到以下幾點：(1)、正確模擬風環(huán)境，包括邊界層風場（平均風速剖面、紊流度、紊流尺度及脈動風功率譜等）和周邊地形及鄰近的干擾建筑物，以保證風速譜的輸入是正確的；(2)、正確模擬建筑物的外形。不僅如此，由于結構的響應將導致氣動反饋問題，結構外形還將決定影響氣動反饋作用的氣動導數(shù)。結構的動力特性決定了它的機械導納，決定風力譜能否被正確地變換為結構的響應譜。根據(jù)對結構動力特性的不同處理方法，可以把高層建筑風洞試驗劃分為氣動彈性模型方法和氣動剛性模型方法兩類。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的相互作用過程和氣動反饋效應。氣動模型方法則只在風洞試驗室中模擬風環(huán)境和建筑外形，模型是剛性的，不直接模擬結構的動力特性。在分析建筑物的動力響應時，考慮自激力的影響（通常用氣動阻尼來表示其影響）。 國內外在本方向的研究現(xiàn)狀Kareem A[35]從表面壓力測量風洞試驗中得到的表面壓力導出橫風向氣動力譜，在折減風速大于6時，用此氣動力譜計算得到的響應低于用同一建筑氣動彈性模型試驗得到的響應。包含了負氣動阻尼后，在高折減風速下的響應預測能提供與氣動彈性模型響應相吻合的結果。得出如下表達 (17) (18) (19) (110)其中，—函數(shù)參數(shù)；—氣動剛度；—以質量阻尼比參數(shù)形式表達的氣動阻尼比；—氣動阻尼比；—質量比（空氣密度/結構的密度）；—Parkinson準定場理論導出項；—斯脫落哈頻率折減風速；—參考點的風速；—函數(shù)參數(shù)；—表達和的耦合作用。J. Katagiri et al[37]用自相關法對氣動彈性模型風洞試驗數(shù)據(jù)進行處理，作出了一系列氣動阻尼比隨折減風速和結構阻尼比變化的曲線圖。Marukawa H. et al[38]用單自由度氣動彈性模型風洞試驗研究了矩形柱的氣動阻尼比隨外形及結構阻尼比變化的規(guī)律。當時，厚寬比越小，氣動阻尼越大。當時，氣動阻尼比的測量值大于準定常理論的估算值。對于厚寬比為的模型的橫風向氣動阻尼在低折減風速時為正值，高于某一折減風速時，折減風速由正變負。II、高寬比（）的作用。但橫風向氣動阻尼由正變負的折減風速卻隨高寬比的增加而減小，這種趨勢與功率譜密度中渦激力分量隨高寬比的減小而增加有關。作出了=1,=%,1%和2%的模型的氣動阻尼隨折減風速變化的曲線。在橫風方向，折減風速低于9時，為正氣動阻尼比，且氣動阻尼比隨折減風速的增加而增加；折減風速大于9時，氣動阻尼比隨折減風速的減小很快變?yōu)樨撝?。近年來，國內一些科研院所對超高層建筑或高聳結構的耦合風振做了不少研究。武漢大學的鄒良浩、梁樞果曾對外形長寬比為2:1，高寬比為6:1的矩形模型[9]進行了氣動彈性性研究。浙江大學樓文娟[10]也對風與結的構偶合振動行了深入的理論研究，并對浙江省臺州電廠的高聳輸電塔進行了模型試驗，得到了在低阻尼體系的理論計算中應考慮風與結構的偶合作用。在模型試驗中發(fā)現(xiàn)像鋼結構那樣柔性并阻尼較小的結構，氣動阻尼的影響是不可以忽略的。 本文的主要工作在一些結構平面不規(guī)則或風載環(huán)境比較復雜的超高層建筑中，結構風致振動已不能僅僅用動力放大系數(shù)簡單調整，需要考慮風與結構耦合作用的影響，而進行氣動彈性試驗是研究風與結構耦合振動的直接方法。同時，與前人已有的工作不同，在對氣動彈性模型直接測試響應之外，本文還針對模型制作并進行了同步測壓試驗，通過在模型上布置測壓孔，以進一步研究超高層建筑風振耦合對風壓及氣動荷載的影響，為理論研究提供一些有價值的參考，也為工程應用提供一些合理依據(jù)。以及通過先進、系統(tǒng)的模態(tài)識別方法總結出氣動阻尼的變化，并和結構剛性模型試驗結果進行了對比。并根據(jù)具體試驗要求，設計試驗工況和條件。通過與剛體模型試驗數(shù)據(jù)比較，總結分析試驗結果。第2章 風洞實驗技術及試驗方案第2章 風洞實驗技術及試驗方案 實驗設備 風洞風洞實際上是一種能在其中按需要造成一定速度的氣流并能在其中進行各種空氣動力學的模擬試驗的裝置，它廣泛應用于航空、氣象、工程等領域。本試驗在汕頭大學風洞實驗室的STDX1風洞中進行。試驗模型上各個測壓孔以PVC管與壓力傳感器模塊連接，通過測壓試驗可測量試驗模型上各測壓孔的局部風壓，試驗中采用的通道間隔為50微秒。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。圖22 4507B型壓電式加速度計示意圖 加速度計量設備圖23 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。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。 風速測量設備圖24 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?？蓽y風速范圍達0～50m/s（熱傳感器）。3%(最小177。 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。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： (21)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。 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。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。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。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。剪切湍流可分：壁湍流剪切湍流 自由剪切湍流。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%。通過某一點氣流中的速度脈動，可以認為是由平均風所輸運的一些理想渦旋疊加而引起的，若定義渦旋的波長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。湍流積分尺度 在數(shù)學上定義為： (23)式中，是兩個順風向速度分量和的互相關函數(shù)，是，的均方根值。在一定的范圍內，離開點越遠，脈動風壓同時達到最大值的可能性越小，這種性質稱為脈動風的空間相關性。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)學期望為時域內的互相關函數(shù)，用表示。 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。常見的有：Davenport 、Kaimal譜、Simiu譜和Hino譜。Davenport譜不隨高度變化。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。 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。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。最大試驗風速取重現(xiàn)期100年，C類地貌，地貌指數(shù)：。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整。 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。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)。令，其中、分別為頻率比、縮尺比、風速比。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)。加速度（）單位，量綱為L/T2。 222。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。考慮到前兩階的能量占主要部分，所以僅需調試前兩階的頻率和振型（圖28，圖29）。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。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。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。按照規(guī)劃，將來還會有一棟完全一樣的建筑—東塔。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。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=。建筑物總質量為：，模型總質量：=，試驗要保持流場和風場的相似性?；撅L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。其他地貌和高度處的基本風壓（風速）通過換算得到（）。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。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）。各層中間位置，對外蒙皮設置通縫，使結構能夠作相對運動。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。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。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。在結構動力學中，頻域內的數(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。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)。時域法比頻域法發(fā)展晚，但最近幾年來有長足的進步。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)。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。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。但是它們的響應信號則容易測得。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。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。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。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。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。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。 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?？蓽y風速范圍達0～50m/s（熱傳感器）。3%(最小177。 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。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。 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。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。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。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。剪切湍流可分：壁湍流剪切湍流 自由剪切湍流。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%。通過某一點氣流中的速度脈動，可以認為是由平均風所輸運的一些理想渦旋疊加而引起的，若定義渦旋的波長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。湍流積分尺度 在數(shù)學上定義為： (33)式中，是兩個順風向速度分量和的互相關函數(shù)，是，的均方根值。在一定的范圍內，離開點越遠，脈動風壓同時達到最大值的可能性越小，這種性質稱為脈動風的空間相關性。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)學期望為時域內的互相關函數(shù)，用表示。 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。常見的有：Davenport 、Kaima