基于湍流脉动压力的高层建筑横风向风振时程分析

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随着建筑高度的不断增加,其风振响应更加显著,当建筑的高宽比大于4时,横风向风效应往往大于顺风向而成为关键因素。相比顺风向,高层建筑横风向风振的作用机理更为复杂,一般要考虑建筑的高宽比、高度和结构自振频率等多种因素的影响。同时,来流受建筑物的扰动,其横向边墙上的湍流脉动压力对结构可能会产生明显的作用。本文对7种典型矩形高层建筑的湍流横向脉动风压谱模型展开了研究,并基于所求的湍流横向脉动风压谱对建筑进行了风振响应时程分析,对比研究了不同截面和不同高度对谱模型和风振响应的影响。本文先对中日澳三国规范的横风向风荷载进行了参数对照分析,主要包括基本风速、平均风速剖面、风压高度变化系数、峰值因子和横风向风力谱的对比分析。列举了一些高层算例,研究了高宽比、周期、阻尼比、高度和基本风压的变化对中日澳三国规范横风向风荷载的影响,并将中日澳三国规范的计算结果进行了对比分析。对湍流横向脉动风压谱模型进行了对比分析,利用CFD模拟了7种典型矩形高层建筑周围的风场,提取了相应的风场参数,通过Matlab编程求解出了7种典型矩形高层建筑的湍流横向脉动风压谱模型,并对比分析了不同高宽比、不同深宽比、不同高度以及相关参数取值对湍流谱模型的影响。同时,将湍流谱模型、日本规范谱模型以及基于风洞试验的漩涡脱落谱模型进行了对比和分析。最后,与原型实测的谱曲线进行了对比验证。结果表明不同截面和不同高度对湍流谱模型有所影响,湍流谱模型呈现为相对宽带的情况,在关心频率区间,湍流谱曲线与原型实测的谱曲线吻合较好。基于7种典型矩形高层建筑的湍流横向脉动风压谱,通过Matlab编程,考虑风力的竖向相干性,采用谐波叠加法模拟给出了相应的横风向风压时程。将模拟得到的风压时程作为输入荷载,采用Newmark-β法求得了7种典型高层建筑的横风向风振响应时程,并研究了不同高宽比、不同深宽比和不同高度对横风向风振响应的影响。结果表明随着高宽比、深宽比和高度的增大,横风向风振响应均有所增大。同时,分析了结构基频对横风向风振响应的影响。最后,与基于日本规范谱的横风向风振响应时程计算结果进行了对比。
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