超高层建筑结构简化建模与风效应分析

论文摘要

本文以地王大厦为例,通过建立超高层建筑结构的连续体简化模型,分析大风对人体舒适度以及玻璃幕墙等围护结构的影响,主要研究内容如下:首先,以深圳地王大厦(建筑总高384m)为研究对象,通过地王大厦的有限元模型结合顶端实测的加速度数据,建立了该建筑连续体简化模型,确定了模型的质量分布m(x)和刚度分布EI(x);利用此连续体简化模型和建筑顶端加速度实测数据,识别和比较了原结构和简化模型的模态参数,如其频率ωi,阻尼比ζi等。其次,将连续体简化模型假定为不考虑流固耦合振动的刚体,基于计算流体动力学理论,利用FLUENT软件对模型进行二维数值模拟,确定风效应分析中需要的体形系数、升力系数、阻力系数以及斯特劳哈尔数等气动力参数。最后,基于所建立的连续体简化模型和数值模拟获得的气动力参数,进行结构风效应分析,包括顺风向的静力、动力响应;横风向由于涡激振动产生的动力响应;在此基础上分析重现期分别为10年、50年和100年的风作用对人体舒适度的影响;基于挠度与应力的判别准则,分析重现期分别为50年和100年的风压对玻璃幕墙等围护构件造成的破坏。通过本文的计算与分析,在重现期为50年和100年的风压作用下,横风向由于发生了涡激共振,而使得位移,加速度等响应远远超过顺风向,同时也超过了人体舒适度的要求。所以,对于超高层结构的横风向响应应该引起结构设计人员的足够重视。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、目的和意义
• 1.2 风对建筑结构的作用
• 1.2.1 大气边界层风特性
• 1.2.2 风对建筑结构的作用
• 1.3 超高层建筑结构风工程研究现状和发展
• 1.3.1 风工程的研究方法
• 1.3.2 建筑结构风效应研究的发展
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 超高层建筑的简化建模与参数识别
• 2.1 引言
• 2.2 地王大厦连续体简化模型的建立
• 2.2.1 地王大厦结构及其有限元模型介绍
• 2.2.2 地王大厦连续体简化模型的建立
• 2.3 结构振动监测结果及动力特性分析
• 2.3.1 结构振动监测结果
• 2.3.2 结构动力特性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 超高层建筑气动参数的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 计算流体动力学简介
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 有限体积法简介
• 3.2.3 基于SIMPLE算法的流场数值计算
• 3.2.4 湍流的数值模拟方法
• 3.2.5 近壁区流动的特点
• 3.3 数值模拟的建模与计算
• 3.3.1 几何建模
• 3.3.2 网格划分
• 3.3.3 边界条件的选取
• 3.3.4 湍流模型的选取
• 3.3.5 求解参数的设置
• 3.4 数值模拟的结果处理及其分析
• 3.4.1 对比模型的模拟结果与分析
• 3.4.2 原模型的模拟结果与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 超高层建筑的风效应分析
• 4.1 引言
• 4.2 顺风向风振分析
• 4.2.1 顺风向静动力荷载
• 4.2.2 平均风作下的结构响应
• 4.2.3 脉动风作下的结构响应
• 4.2.4 顺风向结构总响应
• 4.3 横风向风振分析
• 4.3.1 涡激共振原理
• 4.3.2 涡激共振响应计算
• 4.4 人体舒适度验算
• 4.4.1 人体舒适度验算标准
• 4.4.2 最大风振加速度计算与人体舒适度验算
• 4.5 玻璃幕墙破坏的分析与验算
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢