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一类具有锥形外形的超高层建筑气动荷载特征及抗风措施

作　者: 李佳
导　师: 谢壮宁；熊光晶
学　校: 汕头大学
专　业: 结构工程
关键词: 超高层建筑风洞试验空气动力学措施风致响应相干性
分类号: TU973.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着经济建设的发展和科学技术的进步,国际发达城市超高层建筑迅猛发展,超高层建筑的高柔,轻质,低阻尼等特点,使得其风致响应成为了结构设计的控制性问题。采用空气动力学措施和阻尼器措施通常是超高层建筑抗风控制的两大类方法,在我国由于超限审查等原因,加阻尼器的方法往往难以直接应用于具体的工程实践当中,故空气动力学措施愈显重要。本文首先采用同步测压试验,深入探究超高层建筑三种气动措施对改变结构风荷载特性和降低风致响应的抗风效果,三种气动措施包括:截面收缩、横截面切角和局部开设通风走廊;然后采用高频底座力天平试验,将局部开设通风走廊的方法应用于广州西塔和天津高银117大楼两实际建筑以探究其抗风效果。主要结论如下:1.在本试验中,正方形截面存在主、次两个漩涡脱落,且基本排除由于建筑高度所致,主漩涡脱落对应于传统正方形截面的漩涡脱落,次漩涡脱落的频率更低,能量更小。2.随着截面收缩(锥率增加),结构主漩涡脱落能量降低,主漩涡脱落折算频率附近的层间相干性降低,而主漩涡脱落频率增大,从而结构气动荷载功率谱的主漩涡脱落峰值右移,使得收缩后的结构在主漩涡脱落频率附近的基底气动弯矩功率谱密度反而比收缩前大,当计算结构基底弯矩和顶部加速度响应时,如果结构固有频率的取值正好处于收缩后结构的主漩涡脱落频率附近,收缩后结构的响应将比收缩前大。3.横截面切角处理削弱了结构主漩涡脱落,并降低了主漩涡脱落频率附近的相干性,采用切角处理的结构在较宽的周期变化范围内均显示出较好的气动性能,尤其当结构固有频率靠近主漩涡脱落频率时效果更为显著。4.在不同楼层的角区进行局部开洞形成的通风走廊可使得结构基底弯矩功率谱在全频段内都有不同程度的降低,在结构主漩涡脱落频率附近降低幅度最大。对于正棱柱体和截面收缩结构,当计算频率靠近主漩涡脱落频率时气动效果最好,而对于横截面切角结构,由于结构主漩涡脱落被削弱,气动效果相对比前两者要差一些。综合比较,通风走廊设置于结构中部为最佳,其次分别为结构上部、下部。5.由于在50~100年重现期风速时广州西塔的漩涡脱落频率与结构固有频率非常靠近,因此在广州西塔的避难与设备层开设通风走廊能够取得非常不错的气动效果;天津高银117大楼由于采用截面收缩且四周切角的建筑外形,开设通风走廊的气动效果较西塔要差一些。这一结果进一步印证了以上第4点结论。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-16
  1.1 研究意义  11-12
  1.2 研究现状  12-14
    1.2.1 国外研究现状  12-13
    1.2.2 国内研究现状  13-14
  1.3 本文主要工作  14-16
第2章风洞试验技术与试验概况  16-30
  2.1 风洞试验设备  16-18
    2.1.1 STDX-1 风洞  16
    2.1.2 测压系统  16-17
    2.1.3 高频底座测力系统  17
    2.1.4 脉动风速测量  17-18
  2.2 大气边界层流场模拟  18-21
    2.2.1 平均风剖面  18-19
    2.2.2 湍流度  19
    2.2.3 脉动速度功率谱  19-20
    2.2.4 湍流积分尺度  20-21
  2.3 本试验流场模拟结果  21-22
  2.4 采用HFPI技术计算结构风致响应  22-25
  2.5 试验概况  25-28
    2.5.1 模型尺寸及编号  25-27
    2.5.2 测点布置  27-28
    2.5.3 原型结构参数及基本风场参数  28
    2.5.4 数据处理方法工具  28
  2.6 气动荷载功率谱密度估计的多样本平均处理  28-30
第3章基本建筑外形对气动荷载的影响  30-55
  3.1 截面收缩（锥率）的影响  30-45
    3.1.1 横风向  30-42
      3.1.1.1 测点层气动荷载的功率谱密度及均方根值  31-32
      3.1.1.2 漩涡脱落频率特征  32-33
      3.1.1.3 气动荷载的空间相干函数  33-37
      3.1.1.4 基底气动弯矩谱  37-38
      3.1.1.5 基底弯矩响应  38-40
      3.1.1.6 结构顶部加速度  40-42
    3.1.2 顺风向  42-44
    3.1.3 小结  44-45
  3.2 横截面切角的影响  45-55
    3.2.1 横风向  45-52
      3.2.1.1 测点层气动荷载的功率谱密度及均方根值  45-46
      3.2.1.2 漩涡脱落频率特征  46-47
      3.2.1.3 气动荷载的空间相干函数  47-49
      3.2.1.4 基底气动弯矩谱  49-50
      3.2.1.5 基底弯矩响应  50-51
      3.2.1.6 结构顶部加速度  51-52
    3.2.2 顺风向  52-53
    3.2.3 小结  53-55
第4章局部建筑外形修改对气动荷载的影响  55-77
  4.1 等截面结构  55-62
    4.1.1 典型测点层气动荷载的功率谱及均方根值  55-57
    4.1.2 典型测点层气动荷载的空间相干函数  57-60
    4.1.3 基底气动弯矩功率谱  60-61
    4.1.4 基底弯矩与结构顶部加速度响应  61-62
    4.1.5 小结  62
  4.2 锥率为2.2%结构  62-69
    4.2.1 典型测点层气动荷载的功率谱及均方根值  63-64
    4.2.2 典型测点层气动荷载的空间相干函数  64-67
    4.2.3 基底气动弯矩功率谱  67
    4.2.4 基底弯矩与结构顶部加速度响应  67-69
    4.2.5 小结  69
  4.3 锥率2.2%+切角结构  69-77
    4.3.1 典型测点层气动荷载的功率谱及均方根值  69-71
    4.3.2 典型测点层气动荷载的空间相干函数  71-74
    4.3.3 基底气动弯矩功率谱  74
    4.3.4 基底弯矩与结构顶部加速度响应  74-76
    4.3.5 小结  76-77
第5章建筑高度的影响  77-82
  5.1 追加试验简介  77
  5.2 横风向  77-80
    5.2.1 各测点层气动荷载功率谱及均方根值  78-79
    5.2.2 基底弯矩与顶部峰值加速度响应  79-80
  5.3 小结  80-82
第6章工程实例  82-103
  6.1 试验设备与数据处理技术  82-83
  6.2 广州西塔  83-94
    6.2.1 试验简介  83-86
    6.2.2 试验数据分析  86-93
      6.2.2.1 各层单独开启效果对比  86-87
      6.2.2.2 全闭、开第3 层和全开效果比较  87-91
      6.2.2.3 考虑拟建东塔干扰后启动措施的效果  91-92
      6.2.2.4 西塔和深圳京基气动效果比较  92-93
    6.2.3 小结  93-94
  6.3 天津高银117 大楼  94-103
    6.3.1 试验简介  94-97
    6.3.2 试验数据分析  97-102
      6.3.2.1 基底弯矩与结构顶部峰值加速度响应  97-98
      6.3.2.2 基底弯矩功率谱分析  98-101
      6.3.2.3 周期比敏感性分析  101-102
    6.3.3 小结  102-103
第7章结论与展望  103-105
  7.1 主要结论  103-104
  7.2 不足与展望  104-105
参考文献  105-108
致谢  108

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