广州西塔风致响应和气弹效应的试验研究

论文摘要

随着社会的发展、科学技术的进步和城市化进程的加快,高层、超高层建筑得到了迅猛地发展。由使用新材料、新工艺和新的施工技术建造起来的超高层建筑通常是轻质高柔性结构,这类建筑对于风环境特别敏感,风荷载已成为超高层建筑的重要控制荷载。大量实验表明,超高层建筑的横风向动力响应通常要比顺风向的大。在工程应用中,横风向的等效静态风荷载有时甚至起到了决定性的作用。对一些高柔轻质建筑而言,其结构与风之间的相互作用,有时会使结构响应急剧放大而导致结构不稳定乃至破坏,影响结构使用和安全。因此,需要对此类结构进行气动弹性效应影响的研究。在建的432m广州珠江新城西塔为典型的高柔性结构,本文以此为原型,设计制作了气动弹性模型,考察这一重要工程结构的气动弹性效应。首先通过静力拉伸法测量并估算结构阻尼,发现了模型结构阻尼随响应振幅的增加而增加的规律。通过一系列风洞试验,运用随机减量技术（RDT）识别出了结构的动力响应参数,分析了结构的气动阻尼特性。结果表明:西塔的横风向气动阻尼基本上均为正数,在低风速段随风速的增加而增加,在梯度风风速为45.4m/s时达到最大值为1.75%;随后在临界风速附近急剧下降,在51m/s时降到最小值,约为-0.06%。由于负气动阻尼值的绝对值很小,可以忽略其不利影响。最后在总阻尼识别的基础上,将气弹模型的结果和刚性模型的结果进行了比较,结果显示,两种不同试验方法的结果具有较好的可比性。同时根据高层建筑结构振动控制原理,设计了倒悬质量块的减振装置（TMD）。通过可调质量块来改变减振装置的参数,使其达到较好的减振结果。结果发现:减振参数的选取对减振效果起着重要的作用,减振装置会使结构的固有特性发生改变,而这又会反过来影响结构的减振效果。本文实施的气动弹性模型试验,部分验证了刚性模型试验的可靠性。气弹模型试验得到的气动阻尼特性可以作为西塔结构抗风设计的依据,也可为相关工程提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超高层建筑抗风试验概述
• 1.2.1 风的特性
• 1.2.2 风对建筑结构的作用
• 1.2.3 超高层建筑风洞试验
• 1.3 国内外在本方向的研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 风洞实验技术及试验方案
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 风洞
• 2.1.2 振动测试分析仪器
• 2.1.3 加速度计量设备
• 2.1.4 风速测量设备
• 2.2 风场模拟
• 2.2.1 风速剖面
• 2.2.2 湍流度
• 2.2.3 湍流积分尺度
• 2.2.4 脉动风空间相干函数
• 2.2.5 脉动风速谱
• 2.2.6 C类风场风速模拟
• 2.3 实验模型设计原理
• 2.4 工程概述和模型参数确定
• 2.4.1 工程概述
• 2.4.2 材料和试验参数
• 2.4.3 模型尺寸
• 第3章 广州珠江新城西塔气动弹性效应
• 3.1 概述
• 3.2 试验数据分析方法与试验工况
• 3.2.1 数据预处理
• 3.2.2 随机减量（RDT）原理
• 3.2.3 试验工况
• 3.3 风致加速度响应
• 3.3.1 滤波前后对比
• 3.3.2 加速度随风速变化
• 3.3.3 10 年重现期加速度
• 3.4 阻尼识别结果
• 3.4.1 模型总阻尼
• 3.4.2 模型结构阻尼
• 3.4.3 气动阻尼
• 3.5 与刚性模型试验结果进行对比
• 3.6 东塔的干扰效应
• 3.7 本章小结
• 第4章 广州西塔模型减振控制的初步研究
• 4.1 概述
• 4.2 减振原理介绍
• 4.2.1 几种常见的减振措施
• 4.2.2 TMD可调质量减振原理
• 4.3 西塔气弹模型减振装置的实现
• 4.4 减振实验结果及分析
• 4.5 本章小节
• 第5章 结论和展望
• 5.1 本文的工作总结
• 5.2 未来研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历与发表论文情况