复杂高层建筑弯扭耦合风振分析.pdfVIP

第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2008年 复杂高层建筑弯扭耦合风振分析 唐意～，2，顾明z，金新阳- (1、中国建筑科学研究院，北京100013 2、同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；) 摘要 本文基于典型体型高层建筑的同步测压风洞试验，对复杂高层建筑的弯扭耦合风振进行研究。首先介绍了风洞试 验概况，然后采用随机振动基本原理，推导弯扭耦合风振计算公式。最后结合算例，说明弯扭耦合振动的基本规律。 关键词风洞试验复杂高层建筑弯扭耦合风振 l 前言 风致振动是现代高层建筑设计中需要考虑的一个重要因素。一般认为25～30层以上或高宽比大于4~5 的高层建筑，控制设计的主要因素是结构的使用性而非强度要求【3】，特别地，高层建筑的上部楼层的加 速度响应要求控制在一定的人体舒适度标准范围内【引。 在脉动风荷载作用下，高层建筑在顺风向、横风向和扭转方向产生振动，之所以这样划分，并不仅 仅是为了方便，更主要是由于这三种运动的机理不相同。顺风向动态响应主要由于迎风面和背风面的风 压脉动产生的。横风向响应是由于两侧向立面的脉动风力产生的，主要作用机理是分离剪切层和尾流激 励。扭转响应是由于迎风面、背风面和侧面风压的不对称作用所导致的，与风的紊流及建筑尾流中的旋 涡有关。特别地，当结构的质心和刚度中心偏离时，弯曲振型与扭转振型出现耦合，结构响应与单一方 向的响应有很大差别，表现为复杂的空间运动形式。 自1926年迈阿密迈耶．基塞大楼由于横风向荷载与扭矩联合作用产生严重风振响应开始【101，研究人 员开展了相当多关于高层建筑弯扭耦合风致响应的研究【2-5．6；9；11】。按响应的获取途径可将研究方法分为 气动弹性模型风洞试验方法和理论计算方法。相对气弹试验方法，理论计算方法比较简单，适合于进行 详细的参数对比研究。本文采用基于刚性模型测压试验的理论计算方法对偏心结构三维风致振动进行研 究。通过算例分析高层偏心结构弯扭耦合风振的基本特性。 2风洞试验 本文利用同步测压风洞试验测量作用在高层建筑上的脉动风荷载。试验在同济大学土木工程防灾国 家重点试验室风洞试验室的TJ．2大气边界层风洞中进行。本试验中，测压信号采样频率为312．5Hz，对 每个测点在每个风向角下记录了6000个风压时域信号数据。 试验以中国规范为依据，用被动方法分别模拟了l／500的B类和D类地貌风场，两类风场1．2m高 度的试验风速均为12m／s。试验考虑了厚宽比等于3：l、2：1和l：1三种不同断面的矩形模型，模型全部 采用有机玻璃板制作。共布置lO层测点(从下至上依次为l～10层)。 将风洞试验测量的各表面测点局部风压分别向来流方向及垂直来流方向合成，得到作用在结构上的 顺风向阻力和横风向升力，另外表面风压的非对称分布还产生了额外的扭矩。本文在试验数据整理时将 每层扭矩的作用中心确定为形心位置。限于篇幅，只给出B类风场方柱模型的试验结果。 图1为风脉动风力和脉动扭矩的无量纲功率谱密度。 ‘唐意，1979．1出生，工学博士，副研究员 20嬲4 ∞十B今日“脂建筑}i构。P$☆M*≈ 脉动风山的竖向相失系数是It称目，阱，为打便收述，棚咒系数≈，H用等仙线的形式丧不。图2为 脉动风力和扭矩的竖向柑芙系数等值线圈。山阁”，知，横风¨升力的m|芙性州址大J阻力相笑悱，扭矩 相荚fI避小。 除脉动风力(扭矩)的卒u】mI咒佳外，进心考虑小H^¨】l力2问的H』关性。由j’横风叫。，抓Ⅺ，方 向脉动风衍载之间的州天性远大十j￡它风埘拽分g¨的柙戈傩，本文Jl考虑横风H‘J手“矩办向脉动风荷 载之间的相关1』}_。横扣柑T雨数的H算式为 c。^‰(∞)2R。t。(∞)I7【5-(∞)乇(∞) (1) 式q，Re表示取实部；sF。为横自f风柑找Ⅱ谱；Sr(∞)，sK(∞)分别为横风q力谱和扭矩谱。 图3为币州高度横风向此禾动M力1，脉劬n嗍啪相f埔数。 1 日8。鬻S‘￡” 鼍伶OOl4 。’ ≤胍≮匪羚