高層建筑氣動彈性的初步研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 當結構上一點的脈動風壓達到最大值時，與點距離為的點脈動風壓一般不會同時達到最大值。在一定的范圍內，離開點越遠，脈動風壓同時達到最大值的可能性越小，這種性質稱為脈動風的空間相關性。通過對脈動風速大量的觀察和研究，認為脈動風的陣風脈動可近似作為各態歷經的平穩隨機過程。由隨機過程理論，在點和點測得的隨機過程，即點和點兩個脈動分量的連續記錄的數學期望為時域內的互相關函數，用表示。互相關函數由維納—辛欽關系可得頻域內的互譜密度函數，再由相干函數的定義，相干函數的平方根取下面的式子： (25)式中，為相干函數的平方根，和分別為點和點的脈動風速譜密度函數。 脈動風速譜脈動風速譜包括順風向和橫風向的脈動風速譜。由于高層建筑和高聳結構的橫風向振動機理比較復雜，其響應與橫風向脈動風速功率譜無明確的關系，因此，通常只研究順風向風速譜。常見的有：Davenport 、Kaimal譜、Simiu譜和Hino譜。a、 Davenport風速譜 (26)式中 —脈動風頻率；—脈動風速功率譜；—地面粗糙度系數；—10米高平均風速；。Davenport譜不隨高度變化。b、 Kaimal風速譜卡曼（Kaimal）提出的風速譜的數學表達式為： (27)式中 ；—高度處的平均風速；其余符號同前。c、 Simiu風速譜西謬提出的風速譜采用分段表示，數學表達式為： (28)式中 (29)但對于時，下面公式更為合適 (210)式中 為摩擦速度，其余符號含義與前相同。d、 Hino風速譜 (211)式中：，其余符號與上同。 C類風場風速模擬根據廣州珠江新城西塔所在的位置和周邊地區的發展狀況，確定采用荷載規范[24]的C類地貌來進行試驗。采用尖塔和粗糙元來模擬流場，，尖塔之間間隔為75cm，前部16排小粗糙元（8cm5cm），迎風面8cm5cm，排列間距寬50cm；后部4排大粗糙元（10cm10cm10cm），迎風面10cm10cm，排列間距寬50cm，共20排，均呈梅花型排列（圖25）。圖25 氣彈模型風洞試驗圖26為C類風場的平均風速剖面和湍流度分布剖面，圖27為C類風場下的風速譜譜曲線，其中湍流度分布接近于AIJ 1996[33]的建議值。圖26 平均風速和湍流度剖面圖27 C類地貌試驗區風速譜根據風洞試驗段的試驗要求，暫定試驗風速范圍為15～20m/s（對應原型梯度風速—400m高度處風速）。最大試驗風速取重現期100年，C類地貌，地貌指數：。考慮風壓高度變化系數，由公式(21)得梯度風速（400m高），按風速比確定，最大風速完全在風洞試驗風速范圍之內。頻率比：==125，最終的試驗風速和各縮尺比參數，根據模型敲擊和實測結果進行調整。經調試，試驗風速覆蓋3年～100年重現期風速。 實驗模型設計原理進行模型試驗，要求對試驗參數進行無量綱化，同時也要求具有相同的風場條件。風場的相似性可通過尖塔、擋板、粗糙元來模擬，而流場則要保證相同的斯特羅哈數（strouhal）和佛羅得數（florid）。Florid數涉及大密度流體且與重力有關，所以本文僅保證相同的strouhal數。 (212)其中：—模型頻率；—模型尺度；—試驗風速；—原型頻率；—原型尺度；—原型風速。令，，其中、分別為頻率比、縮尺比、風速比。將其帶入公式(212)，可寫為。由模型制作時確定，由模型敲擊得到，最后由前兩者確定，這樣即可滿足和原型結構相同的strouhal數。同樣，由傳感器紀錄的模型加速度需經無量綱化轉化為原型的加速度。加速度（）單位，量綱為L/T2。由相似比的無量綱化得： (213) 222。 222。 (214)最終加速度縮尺比===。采用ANSYS實體建模，單元類型采用solid45體單元進行自適應網格劃分。添加約束條件，通過改變模型尺寸參數來調整模型的頻率和振型。考慮到前兩階的能量占主要部分，所以僅需調試前兩階的頻率和振型（圖28，圖29）。圖28 Ansys模擬的第1階振型圖29 Ansys模擬的第2階振型以ETABS軟件結果為依據，根據Ansys軟件結果和實際敲擊結果進行了比較。發現前兩階（橫、順風向）結果吻合良好（圖210，圖211），由于剛體模型試驗得到結構的第3階及其后的高階模態對結構貢獻很小，可不予考慮。圖210 第1階模態振型比較圖211 第2階模態振型比較 工程概述和模型參數確定 工程概述西塔作為廣州珠江新城六大標志性建筑之一，位于珠江新城西南部核心金融商務區。東臨珠江大道，西靠華廈路，南接華就路，北望花城大道，處于新城市中心的中軸線上。該項目占地面積三點一萬平方米，總建筑面積約四十五萬平方米，由地下四層、地上一百零三層的主塔樓和二十八層的附樓組成。設有雙酒店大堂，分別位于首層和七十層，六十九到一百層為超白金五星酒店，為國內最高的酒店，其中，九十九到一百層為觀光層、餐飲層和休閑中心，并設有全國最高的游泳池。項目投資概算六十億元，2005年9月，由越秀集團旗下越秀投資、城建集團、城建開發三家公司聯合體中標，并組建廣州越秀國際金融中心有限公司建設經營。項目2005年底開始動工建設，將于2009年底竣工，作為2010年亞運盛會配套項目交付使用。廣州珠江新城西塔地處城市中心位置，作為未來廣州的新地標，是集酒店、商務辦公、休閑娛樂為一體的超大規模綜合建筑。按照規劃，將來還會有一棟完全一樣的建筑—東塔。由于東西塔是分期開發，所以目前主要以西塔為試驗研究對象，但也初步考慮了東塔的影響。圖212 規劃中廣州未來東西塔效果圖 材料和試驗參數確定模型的長度縮尺比為1/500，所以西塔氣彈模型總高度為432m/500=864mm。模型主體采用鋁合金材料，鋁合金的材料特性：E=72GPa，G=27GPa，ν=，ρ=。減振系統采用不銹剛圓柱，兩頭為螺紋，不銹鋼材料參數：E=190GPa，ν=，ρ=。模型外表皮采用2mm厚的薄木板。，建筑物總質量為：，模型總質量：=，試驗要保持流場和風場的相似性。設計中的基本風壓由基本風速換算得出：。基本風速是不同地區氣象站通過大量觀察、記錄并按我國規定標準條件下的記錄數據進行統計分析進而得到該地的最大平均風速。我國規定的標準條件為：以B類地貌10m高度處10分鐘測量的最大平均風速為依據，采用極值Ⅰ型分布求出基本風速：，其中。其他地貌和高度處的基本風壓（風速）通過換算得到（）。試驗風速根據不同重現期風速按相似比求出。其他重現期的基本風壓，按規范由下公式換算得出： (215)10m高基本風速；原型400m高處梯度風速，最終試驗風速：，其中為試驗風速比。由此確定的試驗風速見表21。表21 不同重現期對應的試驗風速重現期（年）試驗風速（m/s）原型風速（m/s）重現期（年）試驗風速（m/s）原型風速（m/s）22043055066088010100 模型尺寸西塔氣動彈性模型總高度864mm，3根8mm10mm890mm鋁合金結構柱，4塊8mm厚剛性板、4塊10mm厚剛性板、2塊底盤（分別與上部結構和底座連接）。各部件尺寸見圖213，另有一些質量調節小塊： 圖213 氣彈模型結構示意圖模型主體結構部分采用焊接以保證連接剛度，底座通過三顆螺栓與風洞轉盤連接，外表蒙皮通過膠水粘于各層間鋼板上。各層中間位置，對外蒙皮設置通縫，使結構能夠作相對運動。為了給其后的減振裝置安裝提供方便，在第7層剛性板中部開3個小門，在對應剛性板中間位置設置螺紋孔以對其進行固定。第3章 風振特性模態識別技術和軟件實現 緒論 模態識別技術以實驗數據和系統參數的物理參數(如質量、阻尼和剛度)來建立參數模型(如運動方程)的系統識別，稱為參數識別。若用模態參數來描述系統的動力特性，這時的參數識別稱為模態參數識別。振動模態分析與參數識別是振動工程中一個活躍的分支，是結構動態設計、減振消振、振動控制的基礎，迄今在各工程領域中廣泛應用，并己發展成為解決工程中振動問題的重要手段。模態分析的最終目標是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析，故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。迄今為止，參數識別方法有很多種，但主要分兩類—頻域識別法與時域識別法。頻域識別是利用頻域內的數據進行參數識別。在結構動力學中，頻域內的數據一般為系統的頻響函數(或傳遞函數)，也就是輸出的傅氏變換。頻域可以是實頻域(傅氏變換)，也可以是復頻域(拉氏變換)。頻域識別法發展較早，目前在工程中，特別在模態分析中仍然廣泛地應用。因頻域法的物理概念清楚直觀，不易遺漏模態或者產生虛假模態，精度較高，抗噪能力也較強，故至今仍是模態識別的主要方法。但頻域法需有輸入和輸出的測試數據，并需將實測的激勵和響應的時域信號，變換成頻域信號，求得頻響函數，再識別模態參數。此外，頻域法要求數據的信噪比較高，故頻域法多在實驗室內或中、小型結構上應用。時域法比頻域法發展晚，但最近幾年來有長足的進步。時域識別是利用時間域內的數據進行參數辨識。在結構動力學中，時域數據可以是自由響應數據、脈沖響應數據、白噪聲激勵響應數據和一般的輸入、輸出時間歷程數據。由于近代的識別方法都是利用數字計算機進行的，所以多用離散的時域模型。時域模態參數識別與頻域參數識別方法不同，它無須將測得的響應與激勵的時間歷程信號變換到頻域中去，而是直接在時域中進行參數識別。它與頻域法相比，兩者所采取的分析路線不同，如下框圖所示：由于時域參數辨識法無需將測試信號在時域與頻域之間變化，這就避免了由數據變換(FFT變換)而引起的截斷誤差，如泄露等，從而提高了參數估計的精度，特別是對模態阻尼的估計。另外，時域法給直接從響應信號(或數據)中識別模態參數創造了條件。這樣可以無需知道激勵就可以單獨從響應數據中辨識模態參數。這對那些無需知道激勵信號的工程結構的模態分析來說是十分重要的。不少實際工程結構，如海洋平臺、建筑物及水工結構等在風、浪及大地脈動(包括地震)作用下引起的振動等，它們在工作時所承受的載荷往往很難測量。但是它們的響應信號則容易測得。如果只需要利用響應數據便可進行參數識別，這無疑是一大優點。這樣便可對工作情況下的機械及結構進行所謂“在線”模態分析。這不僅使那些無法測得載荷的工程結構的模態分析成為可能，而且‘在實際工作狀態下識別的模態參數能更確切地反映結構的實際動態性能。不僅如此還可以使測試設備大為簡化(不需要激勵設備)，從而減少測試費用。這都是時域參數識別法的優點。當然，時域識別法亦有它的缺點，例如精度較低，可能出現虛假模態等。 振動測試分析儀器（a）加速度計測量振動使用BK公司的單軸加速度壓電傳感器，如圖22所示。加速度計有動態范圍大，頻率范圍寬，線性度好，穩定性高，安裝比較方便等特點。常用的有4384504506型，本文選用兩個4507B型單軸壓電式加速度計。圖31 4507B型壓電式加速度計示意圖 加速度計量設備圖32 3560C型數據采集前端加速度計通過專用電纜與采集系統相連，本系統為Bamp。K四通道便攜式分析儀。核心為3560C型智能多通道數據采集前端，使用7753型處理模塊，軟件部分為7700型平臺軟件。實驗時可對數據進行實時同步采集，通過網線傳至電腦中。 風速測量設備圖33 TSI 8384A風速計為方便起見，風速測量則采用美國TSI 8384A風速計測量試驗風速。8384型號可測定風速、溫度及計算流量。可測風速范圍達0～50m/s（熱傳感器）。測量參數：范圍：0—50m/s，精度：讀數的177。3%(最小177。)，分辨率：，滿足試驗要求。 風場模擬 風速剖面在梯度風高度以下，由于地表摩擦的結果，使接近地表的風速隨著離地面高度的減小而降低。描述平均風速隨高度變化的規律的曲線稱為風速剖面。常用的有對數率和指數率，實際應用中平均風速隨高度變化的規律常用指數函數來描述，即： (31)其中、：任一點的平均風速和高度；、為標準高度處的平均風速和高度；冪指數為地面粗糙度系數，隨不同地形而變化。我國建筑結構荷載規范將地貌類別分成A、B、C、D四類，、。 湍流度流體在靜態時不能承受除法向壓力之外的任何定常應力，而在動態時，可承受隨時間變化的剪應力。因此，在流體動力學應用中，通常可假設所涉及的應力或是法向應力，或是粘性引起的剪應力，具有剪切內應力的流體稱為粘性流體或牛頓流體。在粘性很小的流體運動中，渦量具有保持性，這時，強旋渦是主宰流動的主要要素。湍流場必定是有旋的，它的渦量是隨機分布的，并由各種尺度不同的脈動渦量（湍流）組成。風在某種意義上也可以看成是一種可壓縮流體—大氣流體，但在通常風速較低時可歸為不可壓縮流體，由于粘性系數較低，其脈動湍流度較液體流體大得多。所以一些流體力學定理如遺傳算法、神經網絡、模糊數學方法、聯想記憶系統，也可應用與大氣湍流的研究。均勻湍流場在平均等剪切的作用下，產生各向異性湍流，它生成的雷諾應力不短從平均流中覓取能量輸送到湍流脈動中去。湍流脈動并非完全不規則的隨機過程，而是在不規則的脈動中包含可辨認的有序大尺度運動，這種有序的大尺度運動隨機地出現在剪切湍流中，并主宰湍流的動量、能量和質量輸運。剪切湍流可分：壁湍流剪切湍流 自由剪切湍流。隨高度z變化的湍流強度定義為： (32)其中：是高度z處的風速方差；是高度z處的風速均值；是高度z處的湍流密度，也稱湍流強度和湍流度，是一個無量綱的量，它是地面粗糙度類別和離地高度z的函數，但與風的長周期變化無關。實測結果表明，平均風速隨高度z的增加而增加，湍流度隨高度增加而減小，靠近地面一般可達20%~30%。 湍流積分尺度又稱紊流長度尺度。通過某一點氣流中的速度脈動，可以認