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超高层建筑台风风效应及风洞试验研究

伍明  
【摘要】:随着经济与科技的发展,我国沿海地区涌现出一大批高层/超高层建筑,这些建筑具有基频低、柔度大等特点,因此对风荷载十分敏感,抗风设计是其设计建造与运营维护所面临的一大关键问题。强/台风作用下高层/超高层建筑风效应一直是结构风工程领域的热点问题;对此进行深入研究,对发展和完善结构风工程理论以及指导超高层建筑等高耸复杂风敏感结构的抗风设计有着重要的理论意义和工程实践价值。本文综合采用现场实测和风洞试验两类基本方法,对超高层建筑结构动力特征及风致响应特性进行研究,重点考察了中高幅振动情况下高耸建筑模态参数随振幅变化特征及大量级范围内雷诺数(Re)效应对弧形截面超高层建筑风效应的影响等业内现有研究依然薄弱的几个问题。首先在珠海市这一台风频发区域选取本市最高建筑珠海中心(330米)作为研究对象,建立起涵盖结构加速度/速度响应以及建筑表面风压同步实测功能的超高层建筑台风风效应实测平台,并基于该平台及激光雷达风廓线仪对2021年台风“查帕卡”影响华南地区期间建筑风效应特征进行同步监测及实测分析。研究了该建筑上空风场的平均风速、平均风向、阵风因子及湍流强度等的变化规律;探讨了该建筑56F幕墙各中心和角部位置处各测点风压时程变化、各测点的非高斯特性、特定来流方向的脉动风压谱和各测点处的风压相关性等;同时也分析了该建筑的结构动力响应特征,包括其加速度随风速的变化规律、模态频率与有限元结果的对比、各阶模态占比及模态参数的幅值依赖性等。结果表明:建筑角部的极值负压大于相邻中心位置处的极值正压和负压,并且负压的概率分布显示出明显的非高斯特征,而正风压似乎遵循正态分布。在建筑物的两个侧面出现了漩涡交替脱落的现象。模态频率的功率谱结果与有限元结果两者吻合较好,第一阶平动模态占据着整个响应的主导部分。固有频率随响应幅值的增加而减小,显示出明显的依赖性,而阻尼比随响应随幅值的增加而波动。其次,本文基于超强台风“山竹”和强台风“烟花”作用下5栋超高层建筑的实测响应数据,对超高层建筑的前两阶基本模式的频率和阻尼比在涵盖大振幅(测点振动幅度最高达20gal)范围内随结构振动幅度变化特征进行了实测研究。结果表明:RDT与BSDA方法识别结果的变化趋势基本一致。建筑结构的频率会随着振幅增加先降低而后保持不变的趋势,阻尼比会随着振幅的增大先增大而后出现下降的趋势,带有阻尼器的建筑的阻尼比波动范围相对较大。各建筑的“临界针尖漂移比”都在10~(-4)-10~(-5)范围内,这符合田村教授之前的研究结论;并且对比各规范发现各建筑的频率与田村教授提出的预测模型最为吻合,阻尼比与PEER/ATC-72-1规范中的预测模型最为符合,但存在一定的波动。最后,本文综合采用现场实测及风洞试验手段,对具有弧形截面形状的330米的珠海中心大厦进行风效应研究,重点考察雷诺数的变化对该超高层建筑风效应特征造成的影响。分析了雷诺数从5.0e4到3.8e7变化范围内斯托罗哈数(St)的依赖性、风压、基底力和风致响应等的影响。结果表明:随着雷诺数的增大,斯托罗哈数先增加后趋于稳定,建筑物上部背风侧平均风压显著下降,而平均阻力和脉动升力适度增加,并且顺风向和横风向的风致响应略有增加。尽管存在上述变化,但雷诺数超过1.5e5时的风洞试验结果与现场测量结果基本一致。此外,在雷诺数较大的情况下,分离点周围的脉动压力明显更强,这反映了分离现象对雷诺数和建筑横截面几何细节的敏感性。综上所述,本硕士论文的相关研究成果给超高层建筑风效应的评估带来了可借鉴的依据,对指导超高层建筑的抗风设计提供了重要的参考信息和工程实践价值。


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