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典型超高层建筑风效应及风振控制

李小康  
【摘要】: 随着经济建设的发展和城市化进程的加快,高层建筑得到了迅猛地发展,超高层建筑随高度的增加、先进结构形式和高强材料的应用逐渐体现出轻质,高柔,小阻尼等特点。研究表明:强风作用下的超高层建筑风荷载是影响结构安全性和适用性的控制荷载,风荷载和风致响应是超高层建筑结构设计首要关注的问题之一;且结构抗风研究显示200米左右或以上高度的超高层建筑的横风向风致响应将逐渐超过顺风向,成为结构抗风设计的控制性风向。本文以目前我国华南地区两座430米以上超高层建筑(广州珠江新城西塔(432m)和深圳京基金融中心(439m))为工程背景,从以下几个方面系统地研究了典型超高层建筑的风效应问题: 1.针对复杂空间结构刚性模型多点同步测压风洞试验数据,采用一种新的精确的快速算法-谐波激励法(HEM)计算其风振响应,响应精度等同于CQC方法,在得到结构风致响应的基础上,基于荷载响应相关(LRC)原理计算出包含共振响应和模态耦合的结构等效静风荷载(ESWL)。将该方法应用于一复杂体育场屋盖的风振响应和ESWL的计算分析,通过对该结构风致响应的特征和ESWL分布的分析和讨论,证明了本文方法的有效性。 2.较为详细地分析了广州西塔气动荷载的分布特征,在此基础上采用相干函数方法(CFM)计算并替代气动力谱矩阵的互谱密度进行风致响应计算,并以经典的指数衰减式相干函数为例考察CFM的误差及其对超高层建筑风振响应计算的影响。结果显示,当经验指数式相干函数的指数衰减因子取6~8时,顺风向响应与精确结果较吻合,但在横风向上差别则比较明显。文中进一步分析了结构参振模态数目对西塔风振响应计算结果的影响,结果表明,忽略高阶模态对结构顺风向的层间位移角响应的影响较大、最大可产生9%的误差,但对结构横风向响应影响则很小,结果显示风振响应仍然是基阶模态控制的,由此针对超高层建筑横风向响应估算的可行方法进行了讨论和建议。 3.采用多自由度气动弹性模型研究KFC的气弹效应特性,针对关键的风敏感风向通过风洞试验获得结构顶部加速度响应数据,采用随机减量方法计算研究了横风向气动阻尼随折算风速的变化规律,结果显示,在远高于100年重现期的风速作用下,结构的气动阻尼值均大于零并且基本上随结构折算风速的增加而增加,同时试验没有观察到结构的风致响应强度对结构表面的气动力的分布特性有影响的迹象,这些结果可能和该结构在风敏感风向的临界风速偏高有关。 4.基于HEM提出一种可针对刚性模型风洞试验数据进行TMD风振控制计算的精确算法,该方法可精确计算任意复杂空间结构在TMD控制下的风振响应。结合此算法和刚性模型同步测压时程数据,对单TMD(STMD)和多TMD(MTMD)对KFC的控制效果进行研究,显示快速算法的正确和有效性,数值分析结果显示采用STMD可使得该结构横风向风振响应比无控时降低30%左右;采用不同参数的MTMD具有更好的鲁棒性,其在结构横风向风振控制效果上优于STMD,但控制高阶模态会导致低阶模态响应的反弹。 5.为验证理论分析结果的可靠性、进一步核实原型在使用TMD时的控制效果,在KFC气弹模型的顶层设计安装TMD直接通过模型的风洞试验研究不同减振装置参数对控制效果的影响,结果表明:当减振装置频率接近结构第2阶(横风向)固有频率时,减振效果最佳,结果接近以上提及的理论分析值;减振装置的阻尼增加将会显著降低结构顶部加速度响应,若减振装置阻尼过小,则可能会放大结构风振响应。 6.采用遗传算法(GA)对结构进行优化计算。将超高层建筑结构简化为串联多自由度模型,分别将结构基底弯矩和结构等效总抗侧刚度作为优化目标,将结构顶部峰值位移和顶部峰值加速度作为约束条件,结合刚体测压模型的风洞试验数据分别按照不同的优化目标进行优化计算,结果表明:以基底弯矩为目标的优化结果可降低结构基底弯矩15%,采用等效总抗侧刚度为目标的优化结果受顶部峰值加速度约束的限制,其等效总刚度远小于设计单位提供的刚度。


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