高層建筑三維風(fēng)振響應(yīng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究

本項(xiàng)目通過剛性模型表面多點(diǎn)脈動壓力測試風(fēng)洞試驗(yàn)得到常見體型高層建筑三維氣動力數(shù)據(jù)，建立了矩形高層建筑橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載解析模型。研究并提出了高層建筑平動和扭動基本振型簡化表達(dá)式和框筒結(jié)構(gòu)平扭耦聯(lián)動力特性計(jì)算子結(jié)構(gòu)合成法。建立了高層建筑三維耦聯(lián)風(fēng)振響應(yīng)頻域計(jì)算方法，對各種矩形高層建筑橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)與三維耦聯(lián)風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了電算并將計(jì)算結(jié)果列繪成表圖。通過氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到矩形高層建筑三維風(fēng)振響應(yīng)測試數(shù)據(jù)。在上述計(jì)算數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了矩形高層建筑橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)與三維耦聯(lián)風(fēng)振響應(yīng)簡化計(jì)算公式。本項(xiàng)研究成果為高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)，并可研制成高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件。 2100433B

本項(xiàng)目將現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)合起來，系統(tǒng)地研究超高層建筑風(fēng)荷載反分析方法?；诨ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)建立超高層建筑風(fēng)效應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)，測試強(qiáng)/臺風(fēng)登陸過程中的風(fēng)特性及結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)，獲取超高層建筑的動力特性和風(fēng)振信息；研究超高層建筑風(fēng)荷載頻域及時域反分析新方法，建立相應(yīng)的理論模型；以實(shí)測動力參數(shù)及風(fēng)致響應(yīng)為基礎(chǔ)反演超高層建筑順風(fēng)向、橫風(fēng)向的脈動風(fēng)荷載，系統(tǒng)地研究超高層建筑風(fēng)荷載的作用機(jī)理及風(fēng)致響應(yīng)的規(guī)律性特征，評估響應(yīng)類別、動力特性參數(shù)估計(jì)誤差及有限元模型分析誤差等因素對風(fēng)荷載反演結(jié)果的影響；開展氣動彈性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)展和完善超高層建筑脈動風(fēng)荷載的反分析理論；利用數(shù)值模擬評估脈動風(fēng)荷載反分析方法的適用性及可靠性，提出實(shí)用的反演算法。研究成果將為超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)及相關(guān)研究提供有用的資料及依據(jù)。

為減小超高層建筑的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)，改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，采用風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對超高層建筑三維風(fēng)荷載的吸/吹氣控制進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究?；诖髿膺吔鐚又械恼鎸?shí)入流湍流和FLUENT軟件中的LES方法構(gòu)建吸/吹氣控制下超高層建筑脈動風(fēng)荷載的數(shù)值模擬技術(shù)，為進(jìn)一步研究超高層建筑吸/吹氣模型的脈動風(fēng)荷載和橫風(fēng)向旋渦脫落特性奠定基礎(chǔ)。分析吸/吹氣控制的幾何參數(shù)（包括開孔位置、開孔寬度和高度等）和流量參數(shù)（包括吸/吹氣角、吸/吹氣流量系數(shù)和順風(fēng)向吹氣動量系數(shù)等）對三維風(fēng)荷載特性的影響規(guī)律，探索影響模型風(fēng)荷載減阻和減振性能的控制性參數(shù)，并結(jié)合吸/吹氣控制下模型周圍的流場和渦量場闡明吸/吹氣控制機(jī)理。以抗風(fēng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，擬合風(fēng)荷載折減系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，確定最優(yōu)吸/吹氣控制方案，并提供超高層建筑風(fēng)荷載吸/吹氣控制的實(shí)用抗風(fēng)設(shè)計(jì)思路，為相關(guān)的工程應(yīng)用和規(guī)范修訂提供參考。

隨著輕質(zhì)、高強(qiáng)材料的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代超高層建筑往更高、更柔的方向發(fā)展, 風(fēng)荷載成為此類結(jié)構(gòu)的主要控制荷載。一般的來說，超高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的測量技術(shù)較為成熟，但風(fēng)荷載卻難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量。因此，根據(jù)實(shí)測結(jié)構(gòu)動力參數(shù)及風(fēng)致響應(yīng)來反演結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，成為間接量測超高層建筑風(fēng)荷載的一種有效途徑。 本項(xiàng)目綜合運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和理論分析，系統(tǒng)地研究了超高層建筑風(fēng)荷載反分析方法。建立了基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，測試了多次強(qiáng)/臺風(fēng)過程中的風(fēng)場特征及超高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)，分析了城市上空的強(qiáng)/臺風(fēng)特性（包括平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子、峰值因子、湍流積分尺度和風(fēng)速譜），驗(yàn)證了風(fēng)場的湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子隨風(fēng)速的增大而減小、湍流積分長度隨平均風(fēng)速的增大而增大等規(guī)律，建立了典型城市中心的湍流剖面模型。在大量實(shí)測風(fēng)致響應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上識別了結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型，并與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，利用隨機(jī)減量法評估了結(jié)構(gòu)阻尼比隨振幅的非線性變化特征?；诳柭鼮V波基本理論提出了三種風(fēng)荷載反演新方法，并結(jié)合有限樓層的實(shí)測風(fēng)致響應(yīng)和動力參數(shù)實(shí)現(xiàn)了超高層建筑未知風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)的實(shí)時同步反演，揭示了超高層建筑風(fēng)荷載的作用機(jī)理。完成了不同外形的超高層建筑物在不同流場條件下的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)得到的風(fēng)致響應(yīng)識別了結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果開展了對比性研究，評估了風(fēng)致響應(yīng)類別、結(jié)構(gòu)動力參數(shù)估計(jì)誤差、模態(tài)截?cái)?、測量噪聲及噪聲協(xié)方差矩陣等因素對風(fēng)荷載反演結(jié)果的影響，驗(yàn)證了三種反演新方法的有效性。對典型超高層建筑開展數(shù)值模擬研究，進(jìn)一步評估了三種反演新方法的適用性及可靠性。研究成果將為超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)及相關(guān)研究提供有用的資料及依據(jù)。 2100433B