超高层建筑多自由度气弹模型的优势及制作方法

首先简要对比了测力天平、刚性模型测压、强迫振动、气动弹性模型等四种试验手段的特点,然后着重分析了底部弹性支撑的摆式气弹模型和多自由度气弹模型试验结果的差异,分析发现,对超高超柔的方截面建筑而言,摆式模型所得的横风向风致响应在小风速下比多自由度模型略大,而在包含横风向共振风速在内的大风速下则明显大于多自由度模型,其气动阻尼特性、气动刚度特性和表面风压相干性等倾向于使摆式模型出现相对较大的风致响应。究其原因,是因为只模拟一阶模态的摆式模型在反映流固互制气弹效应方面不够真实且不及多自由度模型精细,即参振模态的不同(包括参振模态数量、高阶与低阶平动频率比、扭转与平动频率比)会使振动形式发生改变,进而影响振动时的气弹效应并改变振动位移。在此结论的基础上,提出了多自由度气弹模型改进设计方法,该方法考虑了低阶与高阶频率比、平动与扭转频率比的可调性,同时解决了模型弯剪振型成分的可控制性和阻尼调节等问题,以期为实际项目的多自由度模型制作和相关研究提供便利和参考。     

基于气弹模型试验的高耸结构随机风振等效静力风荷载

给出了基于高耸结构气弹模型试验的有限截面风振位移和加速度响应测量结果推算任意结构层位移和加速度响应的最小二乘方法。采用简化的串联多质点系力学模型推导了基于高耸结构气动弹性模型试验的整截面风振内力的计算方法,进一步提出基于气弹模型试验结果的按各结构层整截面风振内力等效的多模态综合等效静力风荷载的最小二乘计算方法。作为实例,以某高耸电视塔为例说明了所提出的多模态综合等效静力风荷载计算方法的可行性和可靠性。     

强风下方截面高层建筑横风向气动阻尼比研究

该文设计了一种质量和结构阻尼比可调的底部弹性支撑刚性体的双向摆式气弹模型,并通过气弹模型风洞试验获得模型顶部加速度响应时程。运用改进的随机减量技术,识别了湍流场中强风下方截面高层建筑横风向气动阻尼比。分析了风场类别、结构阻尼比、均匀当量质量以及模型高宽比对横风向气动阻尼比随折算风速变化规律的影响。最后提出了横风向气动阻尼比的经验公式,并将引入气动阻尼比后的横风向响应计算值与气弹模型风洞试验测量值比较,证明了该气动阻尼比经验公式的正确性和实用性。     

高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的分析方法

高层建筑横风向风致响应和等效静力风荷载是风工程和结构工程领域关注的问题。基于既有高层建筑横风向气动力和气动阻尼研究成果,推导出一套高层建筑横风向风致响应及等效静力风荷载的计算方法。该方法考虑了广义气动力的振型修正、气动阻尼及背景分量对风致响应的影响。通过算例与日本AIJ(2004)推荐的横风向荷载的计算方法进行了比较,显示了本计算方法的便捷性和结果的准确性,并分析了振型修正、气动阻尼和背景分量等因素对计算结果的影响。     

基于刚性模型与气弹模型风洞试验对比的塔式定日镜风振响应研究

塔式定日镜是塔式太阳能光热发电站中重要的聚光设备,设计时控制荷载为风荷载。通过ANSYS有限元软件建立塔式定日镜结构的有限元模型,经过模态分析可知结构频率分布比较密集,风攻角的改变对定日镜结构的低阶模态影响不大。基于刚性模型测压风洞试验,对塔式定日镜进行风振响应有限元分析,并进行气弹模型测振试验,两者的误差在10%以内。根据有限元分析和气弹模型测振试验的结果可知,影响结构风振的模态主要是前3阶,主檩条端部位置的位移响应最大。结构设计时风振系数建议取为1.57。     

超高层建筑横风向气动阻尼比简化估算方法研究

通过3种高宽比、3种粗糙度流场、多种质量-阻尼参数的多自由度气弹模型风洞试验,分析了折算风速、风场粗糙度、高宽比、结构质量、结构阻尼比和涡振位移等因素对横风向气动阻尼比的影响。分析表明,正气动阻尼比与结构阻尼比负相关,而负气动阻尼比绝对值与结构阻尼比正相关,结构质量与气动阻尼比绝对值负相关,风场越粗糙或模型高宽比越小负气动阻尼比越不显著。整体来看,气动阻尼比本身不足以评价气弹响应的显著程度,以气动阻尼比本身作为经验公式的拟合对象有很大局限性。最后提出了协调气动阻尼比的概念,在此基础上建立了改进的气动阻尼比经验拟合公式,该拟合公式考虑了以上各因素对气动阻尼比的影响,为气动阻尼比的估算方法提供了新的思路。     

输电导线气动阻尼效应的风洞试验研究

基于单跨六分裂输电导线气弹模型风洞试验,测得了不同风速下输电导线端部,即输电导线传递给输电塔的动张力时程,结合经验模态分解法(EMD)、小波分析及随机减量法(RDT)识别了输电导线的前四阶气动阻尼比,并将其与基于准定常理论的气动阻尼比进行了对比。考虑气动阻尼的影响,对输电导线动张力进行了计算。研究结果表明:输电导线的气动阻尼相对于结构阻尼,占有主导地位,在强风下可以达到结构阻尼比的10倍以上;由于输电导线的风致非线性振动,使得基于准定常理论的气动阻尼比与识别结果相比存在显著差异;强风作用下,不考虑气动阻尼比的计算结果将严重地高估输电导线的风致动张力响应。     

超大型冷却塔随机风振响应分析

冷却塔在随机风荷载激励作用下,动力响应具有小变形、弱非线性特点,固有频率在低频段密集分布,模态之间耦合效应较为明显.基于冷却塔刚体模型表面同步测压风洞试验结果,以非定常气动力作为输入荷载,考虑冷却塔多模态之间耦合效应,利用虚拟激励法和振型迭加法进行结构随机风振响应分析.定量地比较了结构风振响应中背景分量和共振分量的贡献,研究了参振模态数目、力谱交叉项和结构阻尼比等参数的作用效果,并与冷却塔气弹模型测振风洞试验结果进行了比较.     

覆冰输电线路舞动气动阻尼识别

利用覆冰导线刚性节段模型外加弹簧及配重模拟覆冰输电线路竖向及扭转运动动力特性,制作了D形覆冰单导线、新月形覆冰单导线和分裂导线竖向-扭转二自由度气弹模型,通过调整模型竖向/扭转自振频率比及风速、风攻角,于风洞中激发了D形覆冰单导线气弹模型的纯竖向和竖扭耦合失稳舞动,以及新月形覆冰分裂导线气弹模型的竖扭耦合舞动,并记录了其响应时程,通过Hilbert变换进行了竖向舞动和扭转气动阻尼的识别,研究了风速、风攻角、竖扭频率比、覆冰断面、导线数量及布置形式对气动阻尼的影响。对D形覆冰导线纯竖向舞动时根据响应识别所得气动阻尼比与根据Den-Hartog机理计算所得理论气动阻尼比进行了比较。试验结果表明：舞动时气动阻尼比为负值,在试验风速范围内其绝对值随风速增长而增大;D形覆冰导线纯竖向舞动时识别所得气动阻尼比绝对值略小于理论气动阻尼比;导线分裂数量对气动阻尼具有影响;扭转响应对竖向舞动气动阻尼的影响则较为复杂。     

超大型冷却塔风致干扰效应试验研究

设计加工了1:200缩尺比某超大型冷却塔气弹模型和刚体测压模型,对不同塔距双塔组合、四类典型工程场地单塔风振响应进行气弹模型测振风洞试验,比较了双塔塔距、来流方向角和流场条件对于冷却塔塔筒风振系数的影响;结合东南沿海某工程场地冷却塔群塔及周边建筑物组合形式,采用刚体模型测压试验和气弹模型测振试验比较了复杂场地条件多塔比例系数和风振系数,表明工程场地中与冷却塔同等尺寸其他建筑作为施扰物的重要影响。上述试验结论与我国冷却塔荷载规范进行了详细对比,指出现行规范在适用新建超大型冷却塔工程需要改进的方面。     

超高层建筑横风向气动刚度研究

为了研究超高层建筑横风向气动刚度,进行了多自由度气弹模型试验,以直接测量模型在不同风速下的振动频率,用该频率相对于自振频率的改变量作为气动刚度的评估指标。分析了结构阻尼比、风场粗糙度、模型密度、折算风速、高宽比、涡振位移等因素对气动刚度的影响。结果表明:在共振临界风速附近,气动刚度造成风振频率改变量可达自振频率的10%;频率改变量随折算风速呈“V”字形变化,在折算风速小于8时,频率改变量通常为正,在共振临界风速附近频率改变量最大,折算风速大于12时,频率改变量保持稳定且略小于结构自振频率。由于涡振位移和气动刚度的相互作用,结构阻尼比越小、风场紊流度越小、模型高宽比越大、密度越小则频率改变量随风速变化的“V”字形越尖锐。最后提出了名义折算风速和实际折算风速的概念,并建立了气动刚度的简化估算模型。     

复杂周边环境下超高层建筑的强风动力响应特性

对处于强风地区复杂周边环境下的某方形截面超高层建筑分别进行了刚性模型测压试验和高频天平测力试验。基于测压试验得到的结构表面的风压分布,采用随机振动理论,进行了风致振动响应计算,结果表明其上下一致的方形截面导致漩涡脱落强烈,强风下横风向涡激响应非常显著,值得重视。在高频天平测力试验得到的基底弯矩谱上同样可以看到在涡脱频率附近的显著峰值。基于基底弯矩谱试验值同样计算了结构的风致振动响应,其结果与基于刚性模型测压试验计算的各响应非常接近,从而验证了2 种试验方法的可靠性。     

索膜结构风振气弹效应的风洞实验研究

提出一种可以考虑索膜结构与风荷载动力耦合作用的简化气弹力学模型方法。以该方法为理论基础,进行了多个鞍形索网和鞍形膜结构的缩尺模型风洞气弹实验。研究内容包括:1)通过对形状相同的刚性模型和弹性模型表面的脉动风压与结构响应观测,探讨了附加气动力对结构响应的影响;2)利用随机减量技术对实验数据进行处理,实现了对气动阻尼、附加质量等参数的识别;3)通过对大量试验数据分析,得到了附加质量和气动阻尼随来流风速、风向、结构刚度和结构振动模态的变化规律。实验结果表明:气动阻尼对结构振动的影响较为显著,特别是对结构的低阶模态,气动阻尼比可达到15%左右;附加质量对结构振动的影响较小,其量级仅为结构质量的1倍―2倍左右。该试验过程中未发现结构出现整体气弹失稳现象,但在某些工况下,在结构局部测点出现气动负阻尼。     

独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究

通过37个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了独立矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼的变化规律,考察了质量密度比、广义刚度、结构阻尼比、高宽比、宽厚比及风场类型对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明：超高层建筑顺风向气动阻尼比随折减风速变化的曲线近似一条单调增加的直线;结构阻尼比、质量密度比、宽厚比、折减风速、高宽比是影响顺风气动阻尼的比较重要的参数;广义刚度、风场类型相对影响较小。基于这些研究数据,拟合了超高层建筑顺风向气动阻尼比的经验公式,供工程设计人员参考。     

“四肢伸展型”大跨屋盖风致响应分析

本文基于刚性模型风洞测压试验结果,对深圳机场T3航站楼这一“四肢伸展型”大跨屋盖结构采用平稳激励下随机振动模态叠加法（CQC法）进行计算,分析了结构风致响应,并讨论了等效静力风荷载的分布特性。计算结果表明,“四肢伸展型”大跨屋盖各部分之间的气动干扰效应非常强烈且相当复杂,将增大整体结构上的风荷载;抗风设计时,不仅要注意屋盖边缘悬臂处的位移,还要关注结构中部的节点位移;风致响应以静力响应为主,但动力响应中,共振响应一般大于背景响应。以上分析可为类似大跨屋盖结构的抗风设计提供一定的参考。     

复杂体型大跨建筑的风荷载预测与抗风设计

该文针对防城港文化艺术中心项目在抗风设计中的相关问题,综合运用CFD数值模拟方法、刚性模型测压试验和动态风振计算等研究手段,深入分析了该大型复杂体型大跨建筑屋盖表面的风荷载,为结构设计提供了详尽的风荷载数值依据。即在建筑方案阶段,采用CFD数值模拟对屋盖风压进行初步研究,将得到的平均体型系数作为初步设计的依据;确定建筑...     

自立式高耸结构风振控制方法研究

本文针对自立式高耸结构的风振控制装置及其设计方法开展研究。首先,根据自立式高耸结构的特点,设计了环形TMD、TLD和TLCD三种调频减振装置,并推导了其力学模型;随后,基于等效阻尼比的概念和我国规范的抗风设计方法,建立了自立式高耸结构风振控制的统一设计方法;最后,针对数值算例,进行了风振控制装置设计,并通过时程分析方法验证了该方法的有效性。研究结果表明,所设计的三种环形调频减振装置适用于自立式高耸结构的风振控制,建立的简化设计方法与时程分析的结果平均误差仅为5.37%,具有较高的精度,可用于自立式高耸结构的风振控制设计。     

非线性振型结构HFFB试验模态力计算方法及不确定性分析

基于高频测力天平风洞试验对非线性振型结构的风致响应提出了改进的评估方法。假设结构风荷载沿高度的分布与阵风风压分布相同,采用结构真实振型计算风荷载模态力。推导了高耸结构风荷载模态力及风致响应计算公式,可以考虑结构多阶真实振型,从而使高频测力天平方法可更为准确地评估非线性振型结构的风致响应及等效静力风荷载。对某一质量、刚度有突变的高耸结构进行了高频测力天平风洞试验,与现有的线性化振型法进行对比,结果表明在弱非线性振型下,线性化振型法得到的加速度响应较层荷载假设方法偏大约40%。研究了层荷载分布的不确定性对计算加速度响应结果的影响,结果表明在阵风剖面层荷载的假设下,荷载分布的不确定性对结构最大加速度响应的影响很小,验证了本文方法的适用性。     

风场类型对方形超高层建筑顺风向气动阻尼的影响研究

摘要：通过8个典型超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较,验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了典型超高层建筑顺风向气动阻尼比的变化规律,考察了风场类型对建筑结构顺风向气动阻尼比的影响。研究结果表明：在I－IV类风场下,建筑结构的气动阻尼比随折减风速增长的速度渐缓;在V－VIII类风场下,风场对顺风向气动阻尼比的影响不是很显著。基于大量矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼特性研究,并结合风场类型的影响,给出相应的经验公式,供工程设计人员参考。     

修角对方形超高层建筑横风向气动阻尼的影响

为了研究横截面削角、凹角及沿高收缩处理三种气动修正措施对作用在建筑上的横风向气动阻尼比的影响,对10个超高层建筑气动弹性模型进行了风洞试验。利用随机减量法识别了横风向气动阻尼比,通过与前人相关研究成果的比较,验证了识别结果的正确性。研究结果表明:角沿处理及截面沿高收缩对抑制超高层建筑的气动弹性效应并非总是有效,较小的削角率(5%~20%)、凹角率(5%和10%)及沿高收缩率(1%)可以有效的减小各折减风速下气动阻尼比绝对值的大小,而当这些气动修正措施相对尺寸较大(凹角率20%、3%及5%的沿高收缩率)时,气动阻尼比的改变将增大结构风致振动响应。基于这些研究,拟合了适用于低折减风速下相应工况的横风向气动阻尼比的经验参数,供工程设计人员参考。