高層建筑氣動(dòng)彈性的初步研究畢業(yè)論文-資料下載頁

　　

【正文】 (g) y方向原始加速度RDT衰減圖 (h) y方向?yàn)V波后加速度RDT衰減圖圖48 橫風(fēng)向（y方向）數(shù)據(jù)分析由圖45可以看出，在00風(fēng)向角時(shí)，同一風(fēng)速下橫風(fēng)向(00時(shí)為Y方向)的加速度響應(yīng)遠(yuǎn)大于順風(fēng)向（00時(shí)為X方向）。對(duì)于Y方向的動(dòng)力響應(yīng)主要為第1階頻率能量，即濾波對(duì)其影響很小，可僅設(shè)低通濾波。對(duì)于X方向的加速度響應(yīng)，由于x方向固有特性對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的第2階頻率，考慮到第1階振型的能量很大，會(huì)對(duì)第2階模態(tài)的識(shí)別產(chǎn)生較大的干擾，因此，當(dāng)?shù)屯o法識(shí)別時(shí)可對(duì)x方向的紀(jì)錄時(shí)程進(jìn)行頻域內(nèi)的帶通濾波，但這會(huì)濾除一些有用頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)。由于結(jié)構(gòu)在00風(fēng)向角時(shí)，橫風(fēng)向的振動(dòng)最大，所以應(yīng)重點(diǎn)分析橫風(fēng)向試驗(yàn)結(jié)果。通過反復(fù)調(diào)試，疊加段數(shù)在6000左右，y能良好地識(shí)別。而對(duì)于x方向，由于混入了y方向分量，在一些風(fēng)速下，無法將其分離出，可嘗試用帶通進(jìn)行濾波分析。經(jīng)RDT法疊加的自由振動(dòng)衰減曲線，見圖49。 (a) x方向(較低風(fēng)速)振幅歸一化的自由振動(dòng) (b) x方向(較高風(fēng)速)振幅歸一化的自由振動(dòng) (c) y方向(較低風(fēng)速)振幅歸一化的自由振動(dòng) (d) y方向(較高風(fēng)速)振幅歸一化的自由振動(dòng)圖49 各試驗(yàn)風(fēng)速加速度RDT衰減曲線由圖49可以看出，加速度計(jì)記錄得到的加速度時(shí)程，經(jīng)濾波和RDT法疊加后，均表現(xiàn)為良好的自由振動(dòng)衰減過程。圖49中y坐標(biāo)為歸一化的振幅，通過上圖的自由衰減曲線，應(yīng)用RDT技術(shù)可方便地識(shí)別出結(jié)構(gòu)的頻率阻尼等參數(shù)。阻尼擬合：由上一節(jié)識(shí)別的阻尼值繪成的阻尼隨風(fēng)速變化關(guān)系見圖410。參考Wantanabe. Y et al[39]、Marukawa H. et al[38]和同濟(jì)大學(xué)全涌[4]的試驗(yàn)結(jié)果，擬合出了本文的阻尼擬合曲線。 (a) 橫風(fēng)向振動(dòng)阻尼曲線 (b) 順風(fēng)向振動(dòng)阻尼曲線圖410 阻尼隨風(fēng)速變化(a)中對(duì)于橫風(fēng)向，其近似的擬合公式： (42)式中的一些系數(shù)僅適用于西塔模型。圖410(a)中清楚地看出，在低風(fēng)速段，阻尼隨著風(fēng)速的增加而增加，在48m/s時(shí)達(dá)到最大值，%。之后，隨著風(fēng)速的增加，有了明顯的下降。在51m/s風(fēng)速附近總阻尼達(dá)到谷底，%左右。圖410(b)中對(duì)于順風(fēng)向，阻尼值呈穩(wěn)步上伸趨勢(shì)，可用多項(xiàng)式來逼近： (43) 模型結(jié)構(gòu)阻尼由前知，要識(shí)別結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)阻尼值，必須要知道結(jié)構(gòu)阻尼值。結(jié)構(gòu)阻尼值的測(cè)量可通過敲擊法由BK公司的Pulse和Me’scope軟件處理獲得，也可以由RDT技術(shù)識(shí)別。但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（見圖411）各次敲擊的強(qiáng)度和著力點(diǎn)的位置和方向不盡相同，且數(shù)據(jù)總量有限，通過RDT技術(shù)識(shí)別的結(jié)果不穩(wěn)定。在用軟件敲擊識(shí)別時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著自由振動(dòng)初始振幅的變化，結(jié)構(gòu)的固有阻尼也隨之變化。考慮到本模型結(jié)構(gòu)平面僅在x方向?qū)ΨQ，而在y方向則不對(duì)稱，用Me’scope軟件得出的單一結(jié)構(gòu)阻尼并不合適，這就需要考慮結(jié)構(gòu)阻尼變化這一非線性因素的影響。由于敲擊法的影響因素較多且無法保證準(zhǔn)確的敲擊點(diǎn)方向，本文采用靜力拉伸法測(cè)量模型的結(jié)構(gòu)阻尼。相比于敲擊法來說，靜力拉伸更直觀簡(jiǎn)單。通過控制拉伸位移或拉力值來調(diào)節(jié)初始幅值，將拉伸測(cè)量的加速度，對(duì)應(yīng)到各不同實(shí)驗(yàn)風(fēng)速的工況。本文通過選取一些有價(jià)值的數(shù)據(jù)結(jié)果，初步得到了結(jié)構(gòu)阻尼變化曲線。靜力拉伸試驗(yàn)采用OTZ5C型彈簧稱，最大量程60N（6千克力），由于是以加速度為研究對(duì)象，即使量程有誤差亦不會(huì)影響識(shí)別結(jié)果。，計(jì)算得出拉伸位移。本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集時(shí)長(zhǎng)為10s，頻率為1024Hz，通過加速度自由衰減曲線得到結(jié)構(gòu)的固有阻尼值。拉伸法的試驗(yàn)結(jié)果見表45。表45 靜力拉伸法測(cè)結(jié)構(gòu)阻尼表盤讀數(shù)項(xiàng)目345678910拉伸靜態(tài)位移（mm）彈簧拉伸力（N）起始最大加速度（m/s^2）表盤讀數(shù)項(xiàng)目1112131415161718拉伸靜態(tài)位移（mm）彈簧拉伸力（N）起始最大加速度（m/s^2）圖411 敲擊加速度時(shí)程圖412 靜力拉伸加速度時(shí)程圖413 靜力拉載下的阻尼變化圖414 拉伸法測(cè)結(jié)構(gòu)阻尼由于敲擊也就等同輸入了脈沖力，在理想條件下是可以識(shí)別的。但由于每次敲擊的力度和著力點(diǎn)、敲擊方向、敲擊間隔等很難保持一致，所以數(shù)據(jù)并不能用RDT法進(jìn)行處理。圖413中，可以清楚地發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)阻尼隨著風(fēng)速的增加而增加，但其作用機(jī)理尚不明確。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過拉伸篩選，宏觀上把握了其變化的趨勢(shì)，初步得到一條幅值—結(jié)構(gòu)阻尼變化曲線。也得到了結(jié)構(gòu)阻尼的近似擬合公式： (44)就廣州西塔來說，在某種意義上可以將擬合公式(42)的第二、三項(xiàng)近似作為結(jié)構(gòu)阻尼隨風(fēng)速的變化依據(jù)。 氣動(dòng)阻尼氣動(dòng)阻尼：由圖410(a)中總阻尼減去圖414中的結(jié)構(gòu)阻尼從而識(shí)別出結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)阻尼：圖415 分離后的氣動(dòng)阻尼曲線圖415中可以看出，模型的氣動(dòng)阻尼值在大部分情況下為正值，結(jié)構(gòu)偏于安全。僅在60年重現(xiàn)期風(fēng)速()附近出現(xiàn)負(fù)的氣動(dòng)阻尼，%。此時(shí)表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)總阻尼下減，動(dòng)力響應(yīng)快速增大，由于負(fù)氣動(dòng)阻尼的絕對(duì)值較小，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞。由于剛體模型沒有考慮氣動(dòng)阻尼力的影響，所以剛體模型試驗(yàn)結(jié)果是偏于保守的。 與剛性模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比本文將氣動(dòng)彈性模型結(jié)果與剛體模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖416是用HFBB的試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算0度風(fēng)向角y方向峰值加速度隨風(fēng)速的變化并和圖45的氣彈模型試驗(yàn)結(jié)果做的比較（僅對(duì)橫風(fēng)向）。圖416 不同試驗(yàn)方法得到橫風(fēng)向峰值加速度圖416可見：在低風(fēng)速段，采用1％阻尼的剛性模型結(jié)果和氣彈模型的結(jié)果較為接近。而在高速段，采用3％阻尼比進(jìn)行計(jì)算的HFBB結(jié)果接近氣彈模型的結(jié)果。實(shí)際上，3％的阻尼比對(duì)于模型而言依然偏高，因此剛性模型的計(jì)算結(jié)果依然是偏小，只有在48m/s風(fēng)速附近時(shí)，兩種試驗(yàn)的結(jié)果吻合得最好，這和在該風(fēng)速下氣彈模型的高阻尼值（％，見圖410(a)）有關(guān)。同時(shí)列出了10年重現(xiàn)期的數(shù)據(jù)，見表46。 表46 與天平結(jié)果對(duì)比(加速度，g=)方向重現(xiàn)期（年）測(cè)壓（mg）天平 （mg）氣彈 （mg）阻尼4%1%1%X方向3510Y方向3510表46中列出的，均為該重現(xiàn)期風(fēng)速下的最大加速度響應(yīng)。x方向加速度響應(yīng)在260176。和100176。風(fēng)向角附近時(shí)達(dá)到最大值，而y方向則在0176。附近時(shí)達(dá)到。天平試驗(yàn)中，若按規(guī)范要求取混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比4%，則結(jié)果完全滿足要求。由圖410(a)看到，10年重現(xiàn)期（）以下風(fēng)速對(duì)應(yīng)的阻尼偏?。?%不到），若天平試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)阻尼按1%取值，則與氣彈結(jié)果比較吻合，當(dāng)然，實(shí)際原型結(jié)構(gòu)的阻尼會(huì)比較大。氣彈試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)橫風(fēng)向在旋渦脫落風(fēng)速附近，會(huì)出現(xiàn)總阻尼減小的突發(fā)振動(dòng)放大現(xiàn)象，在一定風(fēng)速()附近，出現(xiàn)了負(fù)的氣動(dòng)阻尼，由于出現(xiàn)短暫且數(shù)值很小（%左右），所以不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。 東塔的干擾效應(yīng)本文僅對(duì)10年重現(xiàn)風(fēng)速()進(jìn)行了試驗(yàn)。每隔100采樣一次，共采得36組數(shù)據(jù)，分析了各風(fēng)向的加速度響應(yīng)特性（g=）。(a) 10年重現(xiàn)期風(fēng)速x方向 (b) 10年重現(xiàn)期風(fēng)速y方向圖417 10年重現(xiàn)期風(fēng)速有東塔對(duì)比實(shí)驗(yàn)由圖417(a)發(fā)現(xiàn)對(duì)x方向，%的增幅；圖417(b)中對(duì)于y方向，相比有77%的增加。從上圖中明顯地看出，600試驗(yàn)風(fēng)向角后的數(shù)據(jù)趨于一致，此時(shí)東塔將不在起干擾作用，加速度出現(xiàn)峰值的角度大約是300左右，所以對(duì)00和300進(jìn)行頻譜分析。0度風(fēng)向角： (a) x方向無東塔功率譜 (b) x方向有東塔功率譜 (c) y方向無東塔功率譜 (d) y方向有東塔功率譜圖418 00風(fēng)向角模型試驗(yàn)（有、無東塔）加速度功率譜30度風(fēng)向角： (a) x方向無東塔功率譜 (b) x方向有東塔功率譜 (c) y方向無東塔功率譜 (d) y方向有東塔功率譜圖419 300風(fēng)向角模型試驗(yàn)（有、無東塔）加速度功率譜在00風(fēng)向角時(shí)，有東塔x、y方向的加速度功率譜相比于無東塔x、y方向的加速度功率譜，提高較小，并不顯著。而在300風(fēng)向角時(shí)(圖419)，發(fā)現(xiàn)低頻部分的功率譜有較大的提高（有東塔時(shí)，x、y方向第1階譜峰值均比無東塔時(shí)高，且提高幅度較大）。表現(xiàn)在加速度響應(yīng)數(shù)值上的異常增大。東塔的存在改變了來流風(fēng)場(chǎng)，結(jié)構(gòu)也因此而附加阻尼（見表47），但風(fēng)場(chǎng)的受擾改動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響更大（盡管阻尼值大，但加速度仍然變大），此時(shí)的西塔處于東塔尾流激勵(lì)區(qū)域之中。可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)向角300（x方向）和400（y方向）風(fēng)向角附近，干擾響應(yīng)達(dá)到最大值，所以對(duì)于將要立項(xiàng)的廣州東塔干擾效應(yīng)還需另行研究。對(duì)于加速度響應(yīng)來說，無論x方向還是y方向，都在橫風(fēng)向附近或干擾區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大值。表47 10年重現(xiàn)期風(fēng)速有、無東塔的阻尼比/z方向工況00x方向00y方向300風(fēng)向角x方向300風(fēng)向角y方向有東塔%%%%無東塔%%%% 本章小結(jié)本章對(duì)西彈氣動(dòng)彈性效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到了氣動(dòng)加速度響應(yīng)。運(yùn)用RDT技術(shù)成功地分離出了結(jié)構(gòu)的參數(shù)特性，并初步擬合了其變化的影響。和剛體模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了剛體模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。最后，在東塔干擾情況下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)有了較大的增加，為此，將來需要專門對(duì)東、西塔進(jìn)行群體相互干擾效應(yīng)的研究。第4章 廣州西塔模型減振控制的初步研究第5章 方形截面氣彈模型同步測(cè)壓試驗(yàn)研究 概述從高層建筑誕生的那一天起，如何降低結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)就一直是工程設(shè)計(jì)首要目標(biāo)。高層建筑由于其特殊的結(jié)構(gòu)特性，僅靠結(jié)構(gòu)本身有時(shí)不足以滿足日后的使用功能，這就需要對(duì)其采取控制措施。對(duì)振動(dòng)響應(yīng)而言，目前已發(fā)展了多種降低響應(yīng)的理論和措施。通過對(duì)高聳和橋梁設(shè)置減振措施，有效地降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)更好地滿足使用要求。在一些超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。本章對(duì)廣州西塔氣動(dòng)彈性模型設(shè)置了TMD減振裝置（圖55），并對(duì)其進(jìn)行了10年重現(xiàn)期風(fēng)速試驗(yàn)（按規(guī)范要求），考察其在布置TMD時(shí)的減振效果，分析了一些數(shù)據(jù)結(jié)果。 減振原理介紹 幾種常見的減振措施調(diào)頻質(zhì)量阻尼器 又稱TMD，是高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制方式中實(shí)際應(yīng)用最廣泛的一種控制裝置。在高層建筑上，它的設(shè)置方式見圖51。可以看出其本身一個(gè)由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊組成的振動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生水平風(fēng)振反應(yīng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的振動(dòng)，而調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的振動(dòng)慣性力和主動(dòng)控制力又會(huì)反饋回來作用于結(jié)構(gòu)本身。因此若根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和舒適度的設(shè)計(jì)要求去合理地選擇控制力和調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的參數(shù)，那就能實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)的控制。事實(shí)上，作為被動(dòng)形式的調(diào)頻質(zhì)量阻尼器早就被用來減小機(jī)器所引起的振動(dòng)，這就是人們常稱之謂的動(dòng)力吸振器。圖51 TMD減振設(shè)置矩形和圓柱形水罐 于1987年由日本Sato等人首先提出。它是一種固在結(jié)構(gòu)樓層（或屋面）上的矩形和柱形水罐?？梢允菧\水的，也可以是深水的；可以是大型水箱，也可以是多個(gè)小型水罐的組合。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)水罐一起運(yùn)動(dòng)。而水罐的運(yùn)動(dòng)會(huì)使罐中的水產(chǎn)生晃動(dòng)，并引起表面的波浪。這種水和波浪對(duì)罐壁的動(dòng)壓力差就構(gòu)成了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的減振力。圖52 圓柱形和矩形LCD減振U型水箱 在1988年首先由日本的Fujikazu Sakai等人提出。它是一種具有U型形狀的管狀水箱，中間設(shè)增加阻尼的隔柵，一般安裝在結(jié)構(gòu)的頂部或中間。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)水箱一起運(yùn)動(dòng)，而水箱的運(yùn)動(dòng)又會(huì)使管狀水箱中的水產(chǎn)生晃動(dòng)，這種水晃動(dòng)所產(chǎn)生的水平慣性力對(duì)水箱壁的作用就構(gòu)成了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的減振力。因此，若根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和舒適度的設(shè)計(jì)要求去合理地選擇U型水箱的參數(shù)，以得到最佳控制力，那就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)的控制。圖53 U型水箱減振裝置其他結(jié)構(gòu)減振措施：耗能裝置。通過材料變形引起的能量耗散來控制結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)。因此，耗能構(gòu)件控制方式無需外加能源，是一種完全的被動(dòng)控制方式。就目前國(guó)內(nèi)外對(duì)用耗能構(gòu)件來控制結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制的主要有四種：（1）摩擦支撐控制方式；（2）粘彈性耗能器控制方式；（3）粘彈性支撐控制方式；（4）結(jié)構(gòu)阻尼控制方式。根據(jù)世界貿(mào)易中心的觀察知，盡管阻尼器只運(yùn)動(dòng)了千分之幾英寸，但它就耗散了強(qiáng)風(fēng)所引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要能量，使建筑物很快就能平穩(wěn)下來。因此，用耗能構(gòu)件來減小高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)效果是極佳的，耗能構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制的控制方式將是十分有效的。 TMD可調(diào)質(zhì)量減振原理a）單自由度系統(tǒng)TMD控制原理圖54 TMD工作原理為簡(jiǎn)單起見，僅以單自由度系統(tǒng)為例，并假設(shè)輸入為一高斯白噪聲激勵(lì)。見圖54所示的振動(dòng)系統(tǒng)，可以用下述運(yùn)動(dòng)方程來描述： (51)式中：，分別為主結(jié)構(gòu)和調(diào)頻質(zhì)量阻尼器相對(duì)于基礎(chǔ)的位移；，分別是主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)；，分別為調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的質(zhì)量、阻尼和剛度系數(shù)；為具有常量功率譜密度的高斯白噪聲（假設(shè)）。為研究問題的方便，引入一些無量綱參數(shù)： (52)其中是主系統(tǒng)彈簧的靜伸長(zhǎng)。將公式 (52)代入 (51)得： (53)式中：，（）。應(yīng)用頻率域內(nèi)傳遞函數(shù)的基本概念，對(duì)于方程(53)所描述的體系，可求得主結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的均方值： (54)式中：為的功率譜密度函數(shù)；；。同理得主結(jié)構(gòu)速度反應(yīng)的均方值為： (55)式中：這樣，若將主結(jié)構(gòu)反應(yīng)均方值(54)和(55)分別作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，取調(diào)頻質(zhì)量阻尼器和主結(jié)構(gòu)的頻率比及調(diào)頻質(zhì)量阻尼器的阻尼比作