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高层建筑风致响应及风荷载识别研究

杨旺华  
【摘要】:结构的风荷载是建筑物的主要荷载之一。相比于地震荷载,风荷载的作用幅度一般比较小,但是其作用的发生次数却比地震多。近年来,随着高层建筑向越来越高、越来越柔的趋势发展,对高层建筑风荷载和风致响应的研究越发凸显其重要性。结构风荷载的反问题是利用结构的响应来确定结构的荷载,对于深入地了解风荷载对高层结构作用机理,开展风荷载作用下结构时程响应分析,进行高层结构安全性监测等方面的工作具有重要的意义。 结构风工程有多种研究方法和手段,本文结合风洞试验和理论分析这两种手段,采用频域分析方法和时域分析方法,对高层结构的等效静力风荷载和风致响应及风荷载反演问题作了系统的分析和研究,为高层和超高层建筑的风荷载确定和抗风设计提供了新的方法和建议。 本文通过对一栋超高层建筑的在不同湍流度风场的测压试验进行研究,分析了结构的等效静力风荷载随风向角、风场湍流度和结构的动力特性等因素的变化规律,并讨论了这些因素对结构风振系数和结构加速度响应等风致响应的影响,对高层结构抗风设计提供了重要依据。 利用风洞试验和风荷载的相关性假定确定结构风荷载时程,在建立风荷载作用下结构动力方程的基础上,进行了结构在风荷载作用下的时域分析,得到结构的位移、速度和加速度响应时程。 根据结构的响应,并利用结构风荷载的相关性假定,采用荷载归一化统计平均方法对物理参数未知的结构进行风荷载复合反演研究,根据自编的基于Matlab的程序进行计算,在成功识别出结构刚度的同时反演出结构的风荷载,并对该方法对噪声适用性进行了评估。结果显示,在无噪声条件下的参数识别与初值的选取无关,且最大误差不超0.25%,风荷载反演结果与真实值相差很小,在噪声水平达到30%时,识别误差在8%左右,风荷载反演结果与真实值变化规律仍然趋同。 本文采用对结构风荷载进行复合反演的方法,该方法具有一定的抗噪声能力,能够应用于高层结构安全性的监测等现场实测工作。根据现场实测的风致响应来反算结构的风荷载将是结构风工程研究的一个新的方向。


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