高层建筑弯扭耦合风致振动及静力等效风荷载研究

论文摘要

本文基于刚性模型同步测压实验，对高层偏心结构的三维风致响应及静力等效风荷载进行了研究，建立了一个完整的风致响应及静力等效风荷载计算体系。主要工作包括：1)完成了十一个典型高层建筑刚性模型同步测压试验。根据风洞试验结果研究了基底力矩和三分力的基本特征，为后续研究工作开展提供了依据。2)利用非线性最小二乘法拟合了矩形截面模型测压实验数据，得到一系列闭合求解公式。利用这些公式可计算得到矩形断面高层建筑的外加风荷载。通过与文献资料提供的数据及本文试验数据的比较，检验了拟合公式的准确性。3)根据高频动态测力天平基本原理，提出了由高频天平测试数据推算外加风荷载空间分布的方法。通过对比一阶非直线振型及二阶振型广义风荷载的推算结果与实验测试结果，说明本文方法具有较高的精度。4)基于已有研究，将弯扭耦合偏心结构简化为单层结构体系。研究了弯扭频率比、横-扭荷载相关性、厚宽比、风场和风速对基阶风振响应的影响。分析了二阶加速度响应随偏心距离的变化情况。并发展了三维风振的简化计算方法。5)引入模态耦合系数，得出用于计算风振响应共振分量的修正SRSS法。在此基础上，给出了考虑模态耦合效应的共振等效风荷载。利用LRC法的基本思想推导了考虑三个外加荷载分量贡献的背景等效风荷载计算公式。利用荷载加权系数将共振等效荷载和背景等效荷载组合起来，通过理论证明和数值算例说明了总的等效风荷载准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 文献综述
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 高层建筑外加风荷载研究现状
• 1.1.3 高层建筑三维风振研究现状
• 1.1.4 高层建筑静力等效风荷载研究现状
• 1.2 研究背景
• 1.3 研究目标及论文布局
• 参考文献
• 第2章 高层建筑刚性模型同步测压实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 刚性模型同步测压风洞实验
• 2.2.1 风洞简介
• 2.2.2 测量系统
• 2.2.3 风场模拟
• 2.2.4 试验模型
• 2.3 高层建筑基底力矩特征
• 2.3.1 基本坐标系定义
• 2.3.2 基底力矩系数
• 2.3.3 基底力矩功率谱密度
• 2.3.4 基底力矩分量相干特性
• 2.3.5 基底弯矩与基底剪力的关系
• 2.3.6 与高频动态天平实验结果的比较
• 2.4 高层建筑层三分力的空间分布特征
• 2.4.1 基本坐标系定义
• 2.4.2 层三分力系数
• 2.4.3 三分力功率谱密度
• 2.4.4 三分力竖向相关性
• 2.4.5 升力与扭矩的相干性
• 2.5 测压试验的主要规律总结
• 2.5.1 层三分力及基底力矩功率谱密度的关系
• 2.5.2 三分力频域竖向相干函数与时域竖向相关系数
• 2.5.3 基底弯矩根方差与基底剪力根方差的关系
• 2.5.4 外加风荷载分量相干性
• 2.6 本章小结
• 附图
• 参考文献
• 第3章 矩形截面高层建筑外加风荷载的简化数学模型
• 3.1 引言
• 3.1.1 高层建筑外加风荷载分类
• 3.1.2 已有研究介绍
• 3.2 外加风荷载的基本参数和主要自变量选择
• 3.2.1 基本参数
• 3.2.2 主要自变量
• 3.3 曲线拟合方法
• 3.3.1 最小二乘法介绍
• 3.3.2 拟合步骤
• 3.4 顺风向外加风荷载
• 3.4.1 顺风向基底弯矩功率谱密度
• 3.4.2 阻力系数
• 3.4.3 阻力的竖向相关性
• 3.5 横风向外加风荷载
• 3.5.1 横风向基底弯矩功率谱密度
• 3.5.2 升力系数
• 3.5.3 升力的竖向相关性
• 3.6 扭转方向外加风荷载
• 3.6.1 基底扭矩功率谱密度
• 3.6.2 层扭矩系数
• 3.6.3 层扭矩的竖向相关性
• 3.7 外加风荷载分量相干性
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第4章 利用HFFB数据推算高层建筑外加风荷载的空间分布
• 4.1 引言
• 4.2 研究背景
• 4.2.1 高频动态天平（HFFB）技术简介
• 4.2.2 针对高频天平技术局限性的解决方法
• 4.3 理论推导
• 4.3.1 不同高度气动力和基底力矩理论关系
• 4.3.2 基本假设条件
• 4.3.3 不同高度气动力和基底弯力矩的简化关系
• 4.4 计算步骤
• 4.5 算例分析
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 高层建筑弯扭耦合风致振动研究
• 5.1 引言
• 5.2 结构计算模型
• 5.2.1 基本说明
• 5.2.2 高层偏心结构
• 5.2.3 单层结构
• 5.2.4 高层偏心结构与单层结构的关系
• 5.2.5 刚心或质心偏离对结构模态的影响
• 5.3 风振计算方法
• 5.3.1 计算公式推导
• 5.3.2 角点响应计算
• 5.4 算例研究
• 5.4.1 计算数据准备
• 5.4.2 算例比较
• 5.4.3 基阶风振响应
• 5.4.4 高阶加速度响应
• 5.5 简化计算方法
• 5.5.1 计算步骤
• 5.5.2 数值算例
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第6章 高层建筑静力等效风荷载研究
• 6.1 引言
• 6.2 风致响应
• 6.2.1 平均响应
• 6.2.2 背景响应
• 6.2.3 共振响应
• 6.2.4 总响应
• 6.3 等效静力风荷载
• 6.3.1 背景等效风荷载
• 6.3.2 共振等效风荷载
• 6.3.3 总的静力等效风荷载
• 6.4 等效风荷载计算步骤
• 6.4.1 计算流程
• 6.4.2 算例说明
• 6.5 本章小结
• 附录A
• 附录B
• 参考文献
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 研究工作展望
• 致谢