高层建筑气动弹性的初步研究毕业论文(编辑修改稿)

高层建筑气动弹性的初步研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

提出风速沿高度的变化可由指数律来描述。 风对建筑结构的作用 风对结构的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自然特性、结构的动力特性及风与结构的相互作用三个方面的制约。 由于近地边界层的紊流影响，风的速度、方向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。 当风绕过非流线型结构时，会产生漩涡和流动的分离 ，产生复杂的作用力。 这种作用力将引起结构的振动（风致振动），而振动起来的结构又会反过来影响流场，改变空气的作用力，引起风与结构的相互作用机制，更加深了问题的复杂性。 自然界的风可分为异常风和良态风。 对很少出现的风，例如龙卷风，不属于异常风的称为良态风。 为了从本质上把握风对结构作用的各种特点，通常要进行科学的抽象和分析，然后再综合起来考虑。 首先，把风速分成两个部分：（ A）平均风，假定它在时间上是不变第 1 章 绪论 3 的；（ B）脉动风，包括来流本身的脉动和绕过结构时引起的脉动。 其次，将结构按其动力性能分成两类：（ A）刚性结构，在 风作用下的运动或位移非常微小，可以看作静止不动；（ B）柔性结构，在风作用下的运动或位移比较大，必须作为一个振动体系来考虑。 最后，风与结构的相互作用也可以分为两类：（ A）气动力受结构振动的影响很小，可以忽略不计；（ B）气动力受结构振动的反馈制约，引起一种自激振动机制。 风对结构的作用会 使 ：（ 1）结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定；（ 2）结构物或结构构件产生过大的饶度或变形，外墙、外装修材料的损坏；（ 3）由反复的风振作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；（ 4）气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气 动力；（ 5）由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。 横风向效应与顺风向效应的组合：结构呈现横风向风振效应的同时，必然存在顺风向风载的效应，结构的最大风效应（位移，内力）应是横风向和顺风向两种效应的组合，但此时顺风向振动应按随机振动考虑。 假定结构物任意高度处横风向的风效应用 )(zRL 表示，而顺风向的风效应用 )(zRD 表示，则 z 高度处的最大风效应 )(zR 表达式如下： )()()( 22 zRzRzR DL  (13) 由统计平均法知，湍流速度、压强都可以分解为平均量和脉动量之和： ),(),(),( txutxutxu iii  (14) ),(),(),( txptxptxp  (15) 横风向的动力响应由 3 部分组成：涡激振动（此时频率为旋涡脱落频率 DvSns  ， S 为Strouhal 数）、横风向的脉动分量、结构与风的偶合振动。 涡激力跟旋涡脱落有关，受到风场特性及结构外形的影响。 横风向脉动分量决定于来流风场的特性。 气动反馈与结构在风场作用下的运动有关。 前两部分与结构本身的动力特性无关，对于相同风场下外形相同的结构，其作用相同。 因此，可以通过刚性模型的测力或测压试验得到，而后者则需要通过气动弹性模型试验得到。 超高层建筑风洞试验 风洞试 验是在实验室模拟大气边界层风环境和建筑结构的外形特征及动力特性，再现风对结构的作用过程，在实验室中考察实际结构的风效应。 由于高层建筑风致动态响应问题的复杂性和现有的解决结构风效应的手段的局限性，在估算结构的风效应时，目前主要借助于大气边界层风洞实验或参考已有的风洞实验资料，并在此基础上进行相关的理论分第 1 章 绪论 4 析。 借助航空学的理论和方法，用风洞实验作为研究和指导设计的手段早在理论分析方法和数值方法提出之前就已在使用和发展。 早期的风洞实验都是在航空风洞中进行的。 直到六十年代末和七十年代初才出现了现在使用的大气边界层风 洞。 这以后边界层风洞实验技术才逐渐得到发展。 风作用下的高层建筑的运动方程可以写成（以单自由度体系为例）： ),()(  xxxPtPkxxcxm  (16) 式中： kcm, 分别代表结构的质量、阻尼和刚度， xxx , 分别为结构的位移、速度和加速度响应， )(tP 为风场施加给静止结构的外加风力， ),(  xxxP 为由于结构在风场中运动而由风场附加给结构的自激力。 假定结构体系是线弹性的，由于自激气动力的影响，方程 (16)仍然是非线性的。 研究高层建筑风致动态响应的主要困难在于获取 方程 (16)右端的外加风力和自激力。 对于给定的高层建筑，它所受到的风力与极端风气候、地形及临近建筑物的干扰、建筑物的体型等因素有关，自激力还与它在风作用下的运 动有关。 这些 力具有随时间和空间变化的特点。 边界层风洞实验借助于物理模型实验来确定风荷载和响应。 风洞试验要能正确再现结构风效应，应当做到以下几点： (1)、 正确模拟风环境，包括边界层风场 （ 平均风速剖面、紊流度、紊流尺度及脉动风功率谱等 ） 和周边地形及邻近的干扰建筑物，以保证风速谱的输入是正确的； (2)、 正确模拟建筑物的外形。 建筑物的外形特征决定着风速谱将怎样被转化为作用在结构上的外加风力，即决定建筑的气动导纳。 不仅如此，由于结构的响应将导致气动反馈问题，结构外形还将决定影响气动反馈作用的气动导数。 (3)、 正确模拟结构的动力 特性。 结构的动力特性决定了它的机械导纳，决定风力谱能否被正确地变换为结构的响应谱。 高层建筑风洞试验有多种方法。 根据对结构动力特性的不同处理方法，可以把高层建筑风洞试验划分为气动弹性模型方法和气动刚性模型方法两类。 气动弹性模型方法不仅模拟风环境和结构外形，还模拟结构的动力特性。 它用物理模型分别模拟方程 (16)的左右两边，从而完全模拟高层建筑与风的相互作用过程和气动反馈效应。 这种试验方法不测量建筑物所受到的气动力，而直接测量结构的动态响应。 气动模型方法则 只在风洞试验室中模拟风环境和建筑外形，模型是刚性的，不直接模拟结构的动力特性。 通过试验，测量出作用于模型上的气动力后，用结构分析模型计算得到实际建筑的响应。 在分析建筑物的动力响应时，考虑自激力的影响（通常用气动阻尼来第 1 章 绪论 5 表示其影响）。 根据模型的复杂程度及测力的方式不同， 气动模型和气弹模型还可以分成不同的类型。 国内外在本方向的研究现状 Kareem A[35]从表面压力测量风洞试验中得到的表面压力导出横风向气动力谱，在折减风速大 于 6 时，用此气动力谱计算得到的响应低于用同一建筑气动弹性模型试验得到的响应。 这表明结构运动导致的力不可忽略，气动弹性模型受到了负气动阻尼的作用。 包含了负气动阻尼后，在高折减风速下的响应预测能提供与气动弹性模型响应相吻合的结果。 Watanabe Y. et al[39]用一个闭合表达式把柱体的横风向气动阻尼表达为与顶部位移、外观比、紊流强度和截面形状有关的参数 AMPHs, 的经验函数。 得出如下 表达   222221 )/(4)/(1 )/(2smsmsm UUHsUU UUHsA M PF   (17)   222222 )/(4)/(1 )/(1)/(smsmsmsm UUHsUU UUUUA M PF   (18) )s in ()c o s ( 21  FFF s  (19) pd FFFF  )c o s ()s in ( 21  (110) 其中， AMP — 函数参数； sF — 气动刚度； dF — 以质量阻尼比参数 /a 形式表达的气动阻尼比； a — 气动阻尼比；  — 质量比（空气密度 /结构的密度）； pF — Parkinson 准定场理论导出项 ； sU — 斯脱落哈频率折减风速 )/( BfU s ； U — 参考点的风速； Hs — 函数参数； — 表达 1F 和 2F 的耦合作用。 这里假定 )/( smp UUF  ，   sm UA .)8/(         0|/3223   mdmlm CddCaaA (111) 其中： a — 风速廓线指数； mlC — 横风向平均基底弯矩系数； mdC — 顺风向平均基底弯矩系数；  — 风攻角。 J. Katagiri et al[37]用自相关法对气动弹性模型风洞试验数据进行处理，作出了一系列气动阻尼比随折减风速和结构阻尼比变化的曲线图。 从图中总结出以下规律： I、当折减风速U 小于某一常数时，气动阻尼比随折减风速的增大而增大，当折减风速大于此常数时，气动阻尼比随折减风速的增大而减小； II、当 U 大于另一更大的常数时，气动阻尼由正变负；III、结构阻尼比越大，气动阻尼比越散乱。 第 1 章 绪论 6 Marukawa H. et al[38]用单自由度气动弹性模型风洞试验研究了矩形柱的气动阻尼比随外形及结构阻尼比变化的规律。 I、厚宽比（ BD/ ）的作用。 当 1/ BD 时，厚宽比越小，气动阻尼越大。 但当 1/ BD 时，气动阻尼随厚宽比变化的规律不明显。 当 1/ BD 时，气动阻尼比的测量值大于准定常理论的估算值。 当 1/ BD 时，测试结果明显比 估算结果小。 对于厚宽比为 1/ BD 的模型的横风向气动阻尼在低折减风速时为正值，高于某一折减风速时，折减风速由正变负。 气动阻尼由正变负时的折减风速比驰振临界风速小得多。 II、高宽比（ BH/ ）的作用。 顺风向气动阻尼受高宽比的影响不明显。 但横风向气动阻尼由正变负的折减风速却随高宽比的增加而减小，这种趋势与功率谱密度中涡激力分量随高宽比的减小而增加有关。 III、结构阻尼的作用。 作出了 BD/ =1, BH/ =6 的结构阻尼比分别为 %,1%和 2%的模型的气动阻尼随折减风速变化的曲线。 在顺风方向，折减风速低于10 时，在结构阻尼比为 1%时有最小气动阻尼比；折减风速高于 10 而结构阻尼比为 %时气动阻尼比随折减风速的增加而持续增加；在顺风方向，气动阻尼比基本上总是正的。 在横风方向，折减风速低于 9 时，为正气动阻尼比，且气动阻尼比随折减风速的增加而增加；折减风速大于 9 时，气动阻尼比随折减风速的减小很快变为负值。 这与强迫振动测试结果相一致：振幅越大，阻尼由正变负的风速也越大。 近年来，国内一些科研院所对超高层建筑或高耸结构的耦合风振做了不少研究。 同济大学做了一些高层 建筑 和大跨 空间结构 的 气动弹性 模型研究， 有 金贸大厦 [43]、虹桥体育场[44]、发电厂的冷却塔 [13]等 气弹模型，也制作了一些规则截面但参数可调的 通用 模型 [4]（方形截面，高跨比为 6 的气弹模型），得出了气弹阻尼与结构阻尼、风速、风场等参数变化的一些关系，且给出了拟合的近似公式：   2*22*2**2*)(0 2 9 )(1 )(0 0 0 1 2 )()(10 0 2 UU UUUa   (112) 在实际工程中可进一步简化为： *2*  UUa (113) 其中， )/( 1* BfUU H ，为模型顶部高度处的折减风速。 武汉大学的邹良浩、梁枢果曾对外形长宽比为 2:1，高宽比为 6:1 的矩形模型 [9]进行了气动弹性性研究。 得到了一些气动阻尼比随风速变化而变化的规律。 浙江大学楼文娟 [10]也对风与结的构偶合振动行了深入的理论研究，并对浙江省台州电厂的高耸输电塔进行了模型试 验，得到了 在低阻尼体系的理论计算中应考虑风与结构的偶合作用。 通过对海洋动力学中的 Morison 公式进行分离，得到了单自由度系统的简化气动第 1 章 绪论 7 阻尼常数： 02  m VACDa  (114) 其中，  — 空气密度； A — 物体的迎风面积； V — 平均风速； m — 质量； 0 — 固有频率。 在模型试验中发现像钢结构那样柔性并阻尼较小的结构，气动阻尼的影响是不可以忽略的。 在气动弹性稳定时，气动阻尼有助于减少结构的风振响应。 本文的主要工作 在一些 结构平面不规则或 风载环境比较复杂的 超高层建筑中，结构风致振动已不能仅仅用动力放大系数简单调整，需要考虑风与结构耦合作用的影响，而进行气动弹性试验是研究风与结构耦合振动的直接方法。 本文基于目前风与结构耦合理论，通过气弹模型试验，检验结构在与风的耦合振动中的一些规律 ， 研究风与 结构的相互作用对 高层建筑 阻尼和振动响应的影响，并期望能总结出一些拟合的实用公式。 同时， 与前人已有的工作不同， 在 对气动弹性 模型 直接测试响应之外，本文还针对模型制作并进行了同步测压试验，通过在模型上布置测压孔，以进一步研究超高层建筑风振耦合对风压及气动荷载的影响 ，为理论研究提供一些有价值的参考，也为工程应用提供一些合理依据。 一般的超高层建筑往往具有较对称的截面，因此本文 通过 具有代表性的方形截面 气动弹性模型风洞试验，考察了风致振动 响应 随风速的变化的规律。 以及 通过 先进、系统的模态识别方法总结 出 气动阻尼的变化 ，并 和结构刚性模型试验结果进行了对比。 本文主要的工作如下： （ 1） 设计制作 方形截面高层建筑的 气动弹性模型，根据 实际工程经验 ，使用 Ansys 有限元 软件调试确定 气动弹性 模型 的 几何参数和物理特性。 并根据 具体 试验要求，设计试验工况和条件。 （ 2） 应用 系统先进的时域方法 识别结构的气动力参数，找出在气动力作用下结构振动响应特性 ，尤其是气动阻尼 的变化规律。 通过与刚体模型试验数据比较，总结分析试验。