高耸机场塔台结构风洞及振动台试验研究与应用

论文题目: 高耸机场塔台结构风洞及振动台试验研究与应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 石启印

导师: 李爱群

关键词: 机场塔台,高耸结构,地震响应,横风响应,升力系数,压力相关,涡激脱落,振动台,风洞试验,有限元

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 首都机场新塔台是国内新建的最高的航空控制塔台。本文以首都机场新塔台为背景,对塔形高耸结构在地震作用及风荷载作用下的抗震及抗风性能进行了系统的研究。主要的研究内容和成果如下:1、北京机场新塔台结构气弹模型测振试验及若干问题研究本文利用相似理论分析了首都机场新塔台结构气动弹性模型风洞试验的相似准则,得到了高耸塔台结构气动弹性模型的相似参数及模型参数的缩尺率。在利用相似理论得出相似比的基础上,进一步探讨了实验模型在近似满足相似关系时的处理方法。由于本文研究的塔台结构原型是采用两种结构体系,上部采用钢框架结构,下部采用砼筒体结构,造成刚度模拟上的困难。本文从力学的观点对相似条件进行了分析,由风致振动现象的相似引出材料相似。即对模型材料的容重和弹性模量等物理参数可通过等效抗弯刚度来模拟。进行塔台模型的设计时,将刚度相似和外形相似统一模拟,将弹性参数相似融和于刚度分布相似中。这一新方法克服了刚度和外形分别模拟的一些不足,这样既完全模拟了结构的弹性参数,又简化了模型的制作。可供其它高耸结构的气动弹性模型设计时参考。该塔台结构的横风向振动响应大于顺风向响应,试验结果与理论分析结果一致。在进行大量资料调研基础上,根据本文提供的侧力系数风洞试验数据,得到了低紊流度下的侧力系数随攻角变化曲线,在忽略紊流度沿高度变化对侧力系数的影响及准稳定假设成立的情况下,提出分析八边形截面高耸塔台结构驰振的半解析方法。2、北京机场新塔台结构刚性模型测压试验及横风响应研究首都机场新塔台结构,建筑外形发生较大变化,对其在风荷载作用的风压设计值不易通过高耸结构设计规范确定。为了研究首都机场这一高耸结构的抗风性能,本文进行了塔台模型风洞试验的系统研究,包括1/80刚性模型测压和1/60气动弹性模型测振试验,获得了塔台结构的平均风压分布规律及气动压力的相关特性,研究表明,现行规范给出的体形系数过于保守。为高耸塔台结构设计提供了风荷载。在对具有正八边形横截面塔形高耸结构模型所做模拟边界层风洞测压试验基础上,进一步对相关长度及升力系数进行了研究,获得了正八边形截面高耸塔台结构表面的压力分布及相关长度测试结果。得到确定正八边形横截面塔形高耸结构涡激致振动响应的计算方法,可供工程设计人员参考。3、北京机场新塔台结构振动台试验及若干问题研究结构振动台试验模型设计一般应满足几何相似、物理相似和物理过程相似。但这对于高耸塔台结构较难实现,主要是高耸塔台结构高宽比较大,且采用两种不同结构体系。因此,针对高耸塔台结构的特点,在振动台试验模型的设计上重点考虑了以下几点:1)针对北京机场新塔台结构设计中采用了两种不同结构体系,模型设计中将弹性参数相似转化为刚度相似。这样,即完全模拟了结构的弹性参数,又简化了模拟的条件。2)由于北京机场高耸塔台结构高宽比很大,各种规格的杆件难于同时满足几何相似关系,因此,设计中依结构物理过程相似的原则进行了构件归并,达到模型整体结构与原型整体结构的抗侧刚度、质量相似。3)本次试验模型内部空间有限,试验模型难以满足对配重的要求,造成因Sε≠1而使模型失真。因此,应改变相似关系中的加速度相似系数,即通过加大输入的加速度峰值的方法来满足地震加速度的需要。这些措施可供同类结构进行振动台试验模型设计时参考。以北京机场新塔台为原形,进行了缩尺比为1/30的模型振动台试验,实测了塔台结构的自振周期、振型以及各个振型的阻尼比等各项动力特性和塔台结构的地震响应,进一步掌握了塔形高耸结构在地震作用下的工作性能。试验研究表明,该塔台上部的明室及其以上部分存在鞭梢效应。结构主频远离地震波的主频,该塔台的水平地震为低频振动,结构地震反应较小。塔台主体结构的竖向自振周期远离地面运动卓越周期,故顶部钢框架不会在竖向地震作用下发生竖向的鞭梢效应。竖向一阶自振频率为水平一阶自振频率的15倍,接近于高频振动。高耸结构在地震作用下,随着地震烈度的提高,加速度动力放大系数降低,位移反应加大,说明模型刚度下降,结构进入非线性。虽然结构在弹性阶段的刚度较大,位移较小,但在多遇烈度和罕遇烈度的地震作用下,塔台结构顶部明室晃动较大,振动加速度较大,应采取减少振动的措施,以保证塔台航空控制室正常工作。以首都机场新塔台结构缩尺模拟地震振动台试验模型为研究对象,采用时程分析法分析了高耸塔台结构各振型的地震响应,并对这种上下部由不同材料组成的复合结构(下部为钢筋砼筒体,上部为钢框架结构)的非经典振型阻尼比进行了探讨。研究结果表明,该塔台结构地震位移响应可以不考虑高振型的影响,但应考虑高振型对地震响应内力的影响。该结构在地震作用下的运动方程可近似采用实模态强振解耦法。用现行规范方法求解地震响应时应对规范的地震影响系数进行修正,以消除计算误差。研究结果为提出这类复合结构体系抗震计算模型和设计理论提供了依据。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 引言

1.2 工程背景

1.3 塔形高耸结构抗震研究综述

1.4 国内外塔形高耸结构抗风研究动态

1.4.1 塔形高耸建筑风洞试验技术

1.4.2 塔形高耸结构抗风设计综述

1.4.3 塔形高耸结构横风向等效静力风荷载计算方法研究现状

1.4.4 国外关于塔形高耸结构横风响应模型研究现状

1.5 本文的研究工作

第二章北京机场塔台气弹模型测振试验及若干问题研究

2.1 前言

2.2 北京机场新塔台结构气弹模型设计

2.2.1 高耸塔台结构风洞试验的模型设计相似准则

2.2.2 塔台模型结构设计实用相似条件的讨论

2.2.3 实际测振模型参数相似比

2.2.4 理论分析与实验结果

2.3 气弹模型测振风洞试验研究

2.3.1 风场模拟方面

2.3.2 试验方法

2.3.3 高耸建筑顺风向动力响应分析方法

2.3.4 分析结果及其比较

2.4 北京机场新塔台风荷载的模拟

2.4.1 首都机场新塔台顺风向平均风荷载计算

2.4.2 首都机场新塔台顺风向脉动风荷载仿真与模拟

2.4.3 首都机场新塔台顺风向随机风场仿真的数值计算

2.5 北京机场新塔台模型的顺风向风振响应分析

2.5.1 北京机场新塔台三维有限元模型的建立

2.5.2 北京机场新塔台三维有限元模型模态分析

2.5.3 二维串联多自由度体系的建立

2.5.4 首都机场新塔台顺风向脉动风振响应的时域分析

2.6 驰振下塔形正八边形横截面高耸结构横风向响应探讨

2.6.1 高耸塔台结构驰振响应计算公式

2.6.2 正八边形横截面高耸结构的驰振分析

2.7 本章小结

第三章北京机场塔台结构刚性模型测压试验及横风响应研究

3.1 前言

3.2 北京机场塔台结构刚性模型测压风洞试验研究

3.2.1 风洞设备及测量仪器

3.2.2 刚性模型风洞试验研究

3.3 塔形高耸结构的横风向响应研究

3.3.1 确定塔形高耸结构涡激致振动响应的重要参数

3.3.2 塔形高耸结构圆形横截面测压实验研究引述

3.3.3 实验结果及讨论

3.3.4 实测结果引述

3.4 本章小结及设计建议

第四章北京机场新塔台结构振动台试验及若干问题研究

4.1 引言

4.2 北京机场塔台结构振动台试验模型设计

4.2.1 试验研究的主要内容

4.2.2 模型的设计与制作

4.2.3 模型与原型的相似系数

4.2.4 模型频率

4.3 北京机场新塔台结构模型模拟振动台试验研究

4.3.1 模型模拟地震振动台试验

4.3.2 试验结果分析

4.3.3 原型结构在地震作用下的受力性能

4.4 塔形高耸结构非线性地震响应分析

4.4.1 地震波的选择与调整

4.4.2 高耸塔台结构在地震作用下的时程响应分析原理

4.5 本章小结及对设计建议

第五章结论及展望

5.1 结论

5.2 有待研究的问题与展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的论文

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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