基于一种新型气弹模型的超高层建筑气动措施试验研究

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超高层建筑基频低、阻尼小,极易在风荷载的作用下发生大幅振动,明显增大设计风荷载,并对居住舒适性产生影响,需采取措施减小其风致响应。已有研究表明:空气动力学措施是减小高层建筑风致振动响应有效措施,具有性价比高、易于操作等优势。人们常采用气弹模型风洞试验方法研究空气动力学措施的减振效果,但以单自由度气弹模型为主,对超高层建筑的动力特性(包括阻尼比、振型等)模拟精度不高。例如模型阻尼比常在2%以上,而实测值常低至0.5%。另外,已有的气弹模型试验主要测试顶部加速度响应,对实际工程设计的参考价值有限。为此,本文以一座450 m高的超高层建筑为工程背景,提出一种新型的超高层建筑气弹模型设计方法,实现了模型的低阻尼、多振型模拟,并可同时测量顶部加速度响应和基底力响应;在此基础上,研究了凹角、切角和圆角等三种空气动力学措施的减振效果。主要工作内容与结论如下:(1)基于相似理论,提出一种新型的高层建筑气弹模型设计方法。采用十字型芯梁模拟刚度,在完全模拟弯曲刚度前提下,尽量实现扭转刚度的模拟,减少模型内部连接节点。采用ANSYS软件平台建立了对气弹模型结构进行了动力特性分析,与原型结构的动力特性进行比较,验证了模型设计的合理性,并对模型构造参数进行优化。加工制作了气弹模型并进行了动力特性测试,测试结果表明:模型频率与目标值吻合较好,模型阻尼比低至0.4%左右。(2)进行了方形截面超高层建筑的气弹模型风洞试验。首先介绍了大气边界层的相关特性,并在风洞中模拟了中国《建筑结构荷载规范》中所描述的C类地貌;对方形截面建筑进行气弹模型风洞试验,同时测量了0~45°风向角下的基底力响应与建筑顶部加速度响应,研究了风向角和风速对方形截面超高层建筑风致响应的影响规律,研究了方形截面超高层建筑的最不利风向。(3)进行了凹角、切角和圆角三种气动措施的多工况气弹模型风洞试验。基于设计气弹模型,选取了12个角部优化的空气动力学措施,包括凹角、切角和圆角3种角部优化方式,每种角部处理含4种不同修角率;定义了修正效果的评价指标,对角部优化措施的控制效果进行评价,并与规范值和相关文献结果进行比较研究。结果表明:《建筑结构荷载规范》横风向等效静力风荷载结果偏于保守;方形截面建筑角部修正,最大可减少30%的顺风向基底弯矩平均值和基底扭矩根方差值,但对基底弯矩根方差值的影响较小。(4)基于气弹模型风洞试验,提出了最优的角部修正尺寸。以建筑的基底力响应峰值为目标,凹角的最优修角率为5%,可减小基底剪力峰值15.7%,基底弯矩峰值13.7%;切角与圆角的最优修角率均为7.5%,可分别减小峰值基底剪力11.7%、17.7%,分别减小基底弯矩峰值10.9%、17.0%;此外,对于减小基底扭矩峰值而言,10%的切角处理具有最优效果。
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