环境激励下高层建筑模态识别及其对结构风效应的相关研究

论文摘要

随着科学技术及施工技术发展,城市开始涌现出一批超高层建筑,如广州西塔（432 m）,台北101大楼（508 m）,上海中心大厦（632 m）等。本文主要以前2栋超高层建筑为工程背景,根据广州西塔高层建筑台风风场特性和风致结构振动实测数据及台北101风致结构振动和地震振动的实测数据,对其广州西塔的风场特性、结构风致振动和台北101大楼模态参数识别进行一些分析和研究,主要内容包括以下几个方面:（1）以台北101大楼为工程背景,根据结构振动现场实测数据,其中包括多次台风和地震作用下的实测数据,用随机子空间识别法（SSI）和加强频域分解法（EFDD）对台北101大楼在不同荷载工况进行了模态参数识别,识别出台北101大楼在不同荷载工况下的前6阶自振频率、振型、结构阻尼比,分析了SSI三种不同投影矩阵加权算法（SSI-UPC、SSI-PC和SSI-CVA）异同点。结果表明:SSI三种算法结果很接近,PC算法识别精度最高。讨论了应用SSI识别方法时,投影通道技术、稳定图最大状态空间维数,台风强度,荷载类别等因素对模态识别精度的影响。在应用EFDD识别方法进行模态识别时,分析了频率分辨率对识别精度的影响。结果表明:上述的因素对模态识别精度有较大影响。（2）以广州西塔为例,在台风“鲇鱼”的影响下,对其结构振动进行现场同步监测,获得了其风场特性、结构动力特性以及风致结构振动响应等相关结果。结果验证了湍流强度随平均风速增大而减小、阵风因子随湍流强度增大而增大等规律,且实测的顺风向与横风向脉动风速谱均符合Von Karman谱。通过台风作用下楼层顶部加速度数据分析,结果表明测试的结构模态参数结果与有限元分析吻合。同时分析了楼顶平均风速和加速度均方根响应之间的关系。对其结构动力特性（频率及阻尼比）进行了辨识,用随机减量方法求得结构在两个主轴方向的第一振型对应的阻尼比与振幅的非线性关系,同时结果表明阻尼比随振幅增大而增大的特性。上述实测分析结果为超高层建筑设计及相关研究提供了参考。（3）仍以广州西塔为例,通过对其三维有限元模型简化成集中质量“糖葫芦”串模型,采用时域法（改进Newmark-β法）对其利用风洞试验提供的风荷载进行了风致动力时程分析,同时用Matlab7.0编制其程序。根据日本和欧美国家对现有大量建筑实测阻尼的统计结果得到的非线性阻尼模型,讨论了不同结构固有阻尼模型（常阻尼和非线性阻尼模型）和气动阻尼模型对其风致动力时程分析的影响。结果表明:不同阻尼模型工况下进行风致动力时程分析得到结果存在差异,但是仍属于可以接受的范围。时程法的结果跟风洞试验结果具有可比性,说明风洞试验和理论分析结果具有很高可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景、研究目的和意义
• 1.2 高层建筑结构模态识别研究现状
• 1.2.1 结构模态参数识别
• 1.2.2 传统模态参数识别
• 1.2.3 环境激励模态参数识别
• 1.2.4 环境激励模态参数识别研究现状
• 1.3 高层建筑风场实测研究现状
• 1.3.1 国外风场实测研究现状
• 1.3.2 国内风场实测研究现状
• 1.4 高层建筑结构风效应研究现状
• 1.4.1 频域分析方法
• 1.4.2 时域分析方法
• 1.5 本文研究主要内容和主要课题来源
• 第二章 环境激励作用下高层建筑模态参数识别方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 随机子空间识别方法基本原理
• 2.2.1 结构的状态空间模型
• 2.2.2 随机子空间模型
• 2.2.3 Hankel矩阵的建立
• 2.2.4 Kalman滤波状态
• 2.2.5 随机子空间识别
• 2.2.6 模态参数的提取
• 2.2.7 三种随机子空间方法介绍
• 2.3 频域分解法和加强频域分解法基本原理
• 2.4 台北101 大楼模态参数识别
• 2.4.1 台北101 大楼及强振监控系统简介
• 2.4.2 模态分析软件和建模简介
• 2.4.3 SSI（UPC、PC、CVA）三种算法异同点
• 2.4.4 EFDD方法中频率分辨率对识别结果影响
• 2.4.5 不同荷载类型作用下对模态参数识别影响
• 2.4.6 投影通道技术对模态识别结果影响
• 2.4.7 SSI方法中稳定图最大状态空间维数选择对模态参数识别影响
• 2.4.8 台风强度对模态识别结果影响
• 2.5 结构非线性阻尼分析
• 2.5.1 结构顶部加速度监测结果
• 2.5.2 结构阻尼分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 广州西塔台风特性及风致结构振动现场实测研究
• 3.1 引言
• 3.2 广州西塔概况
• 3.3 广州西塔现场实测设备概况
• 3.4 “鲇鱼”号台风简介
• 3.5 广州西塔台风特性实测数据分析
• 3.5.1 结构顶部总风速、水平方向角、竖向风速监测结果
• 3.5.2 平均风速和风向
• 3.5.3 湍流强度和阵风因子
• 3.5.4 湍流功率谱密度
• 3.5.5 湍流积分长度
• 3.6 结构动力特性及结构振动响应监测结果
• 3.6.1 加速度监测结果
• 3.6.2 结构振动功率谱分析
• 3.6.3 结构风致振动分析
• 3.6.4 结构阻尼分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 振幅相关结构阻尼及气动阻尼模型对高层建筑风致动力效应影响分析
• 4.1 引言
• 4.2 Newmark- β法的基本原理和程序编制
• 4.2.1 Newmark- β法的基本原理
• 4.2.2 非线性阻尼工况下程序编制
• 4.2.3 结构阻尼模型
• 4.3 广州西塔风洞试验简介
• 4.3.1 设备
• 4.3.2 试验工程简介
• 4.3.3 试验模型
• 4.4 广州西塔风致动力时程分析
• 4.4.1 计算流程
• 4.4.2 10 年重现期常阻尼工况下风致动力时程分析
• 4.4.3 100 年重现期常阻尼工况下风致动力时程分析
• 4.4.4 10 年重现期常阻尼和非线性阻尼模型下风致动力时程分析对比
• 4.4.5 50 年重现期常阻尼和非线性阻尼模型下风致动力时程分析对比
• 4.4.6 100 年重现期常阻尼和非线性阻尼模型下风致动力时程分析对比
• 4.4.7 不同重现期常阻尼和非线性阻尼模型下风致动力时程分析对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢