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城市中心边界层风特性及超高层建筑动力响应研究

郅伦海  
【摘要】:随着轻质、高强度材料的应用,现代超高层建筑往更高、更柔的方向发展。导致结构基本自振周期变长、自身阻尼变小,结构的动力敏感性也变大,风荷载为此类结构的主要控制荷载之一,因此有必要对超高层建筑在风作用下的动力响应开展深入的研究。 本文基于北京气象塔8-320m高度之间的风速和温度资料详细的研究了城市中心的边界层风剖面及湍流特性,评估了位于城市区域的气象塔周围的空气动力学参数,基于实测风剖面确定了该地区的地面粗糙度指数,研究了对数率、指数率和D-H模型的适用范围。分析了强风条件下各来流方向的湍流特性,建立了典型城市中心的湍流剖面模型。 通过对多次台风及远场地震作用下台北101大楼(总高508m,共101层)的实测加速度数据进行了统计分析,识别了结构的自振频率、振型,并与有限元计算结果开展了对比研究,基于频域分解法和随机减量法评估了结构阻尼比随振幅的非线性变化特征,给出了对应不同振幅的阻尼比取值范围。揭示了远场地震波的长周期频谱特性,并分别利用现场实测和数值模拟研究了该超高层建筑在远场地震作用下的动力反应,分析了结构的动力放大效应。 分别以香港国际金融中心二期(总高422m,共88层)和广州中信广场(总高391m,共80层)为工程背景建立了风效应实时监测系统,测试了多次台风过程中的风特性及结构风致振动响应,获得了全面、有实际工程意义的超高层建筑结构风效应的实测数据。根据台风监测结果分析了城市上空的强/台风特性(包括平均风速、风向、湍流强度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和风速谱),验证了台风风场的湍流强度和阵风因子随风速的增大而减小、湍流积分长度随平均风速的增大而增大等规律,在大量实测台风数据的基础上建立了三维脉动风速谱经验模型,并对台风及季风的湍流特性开展了对比研究。分别利用加速度和位移响应数据评估了结构的动力特性,验证了已有经验公式的适用性。分析了超高层建筑的风致振动响应规律,给出了均方根位移及均方根加速度与折减风速的关系。对实测结果及风洞试验结果开展了对比研究,评估了风洞试验技术的可靠性。 对典型的超高层建筑开展了风洞试验,研究了平均风压系数随高度的变化规律,分析了顺风向及横风向截面体型系数与规范的差别,讨论了周边干扰对表面风压及体型系数的影响,评估了脉动风压的非高斯特性,研究了不同测点脉动风压的水平及竖向相关性,并基于经验公式给出了迎风面及背风面的相干函数。 在风洞试验的基础上,研究了顺风向、横风向及扭转风荷载随风向的变化关系,评估了各风力脉动分量的相关特性以及周边干扰对各风力相关性的影响,分析了结构顺风向、横风向和扭转基底弯矩(扭矩)谱,并给出了横风向基底弯矩谱模型,基于风洞试验结果分析了结构的风振系数,并与规范结果开展了对比研究,讨论了高阶振型、折减风速、阻尼比、一阶频率等参数对结构风振响应的影响。 本文综合运用现场实测、风洞试验和理论分析等手段详细的研究了城市中心边界层风特性及超高层建筑动力响应的相关问题,研究成果为超高层建筑设计及相关研究提供了有用的资料及依据。


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