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复杂高耸结构风洞试验及风振响应研究

作　者: 禹慧
导　师: 马人乐
学　校: 同济大学
专　业: 结构工程
关键词: 复杂高耸结构高频动态天平测力试验三维风荷载三维风振响应气弹模型试验等效设计风荷载
分类号: TU311.3
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 633次
引　用: 4次
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内容摘要

高耸结构是一种特殊的结构形式，具有高度高、重量轻、刚度小、外形细长等特点，应用于电力、通讯、广播电视等领域。高耸结构的外形特征决定了风荷载是其控制荷载，随着需求的提高和技术的进步，高耸结构日益向着更高、更轻、更柔的方向发展，使得对风荷载的敏感性进一步增强。随着科学技术的发展，结构的高度不断增加，轻质高强材料被广泛使用，同时出现了大量复杂体型的高层、高耸结构，这对抗风设计带来了新的问题。目前针对高层建筑的风振研究较多，而对于复杂体型的高耸结构风振研究较少，本文结合河南省广播电视发射塔风洞试验，对具有复杂体型的高耸结构三维风荷载以及风振响应，以及设计方法进行了深入的研究。本文在HFFB试验的基础上，对河南省电视塔的三维风荷载进行了研究，对比分析了不同方向风荷载的特点以及风向对风荷载的影响，在此基础上提出了结构不同高度处的三维风荷载时程的计算方法，最后采用时程分析的方法研究了该结构的三维风振响应。提出了可以考虑三维耦合振型的复杂高耸结构频域分析方法，广义模态力谱仍基于HFFB风洞试验采用振型修正的方法得到，对各阶模态力谱的自谱和互谱特性，以及不同方向的风荷载的模态力谱相关性进行了讨论。并采用CQC组合法分别给出了背景响应分量和共振响应分量的计算方法。并对比分析了风向角、计算振型数目、振型相关性、阻尼比对于结构风振响应的影响。详细介绍了河南省广播电视塔的气弹模型试验，包括风场的模拟、模型的制作和试验方法。并对试验数据进行处理，得到模型不同高度顺风向、横风向和扭转方向的位移、加速度响应均方根值，并分析了响应均方根值随风速和风向角的变化规律。本文提出了确定复杂高耸结构的等效设计风荷载的标准方法和简化方法，通过对比分析，本文提出的简化方法既避免了复杂的计算过程，又具有足够的精度。并对峰值系数和振型阻尼比这两个重要参数在设计应用中存在的问题进行了研究。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-30
  1.1 概述  13-14
  1.2 风的特性与风对结构的作用  14-18
    1.2.1 近地风的特性  14-17
    1.2.2 风对结构的作用  17-18
  1.3 高层、高耸结构抗风研究现状  18-23
  1.4 风洞试验技术  23-25
    1.4.1 气弹模型试验技术  23
    1.4.2 刚性模型表面测压试验  23-24
    1.4.3 高频动态天平试验  24-25
  1.5 存在的问题与不足  25-28
  1.6 本文的研究背景及主要工作  28-30
第二章高频动态天平测力试验(HFFB试验)  30-43
  2.1 概述  30
  2.2 高频动态天平测力试验概况  30-33
    2.2.1 风洞设备  30-31
    2.2.2 测试及数据采集系统  31
    2.2.3 大气边界层风场的模拟  31-33
  2.3 模型设计与制作  33-34
    2.3.1 模型分段及制作  33
    2.3.2 雷诺数效应及其模拟方法  33-34
  2.4 梯度风高度的参考风速和参考风压  34
  2.5 试验风速、风向、采样频率和样本长度  34-35
  2.6 试验数据处理  35-40
  2.7 试验结果及分析  40-41
  2.8 本章小结  41-43
第三章基于HFFB试验的风振响应时程分析  43-73
  3.1 概述  43
  3.2 风荷载分布确定  43-48
    3.2.1 初步分析  43-44
    3.2.2 水平风荷载分布  44-45
    3.2.3 扭矩风荷载分布  45-47
    3.2.4 计算方法讨论  47-48
  3.3 天线段风荷载时程的模拟  48-58
    3.3.1 概况  48-49
    3.3.2 一维单变量随机过程模拟  49-50
    3.3.3 一维多变量随机过程模拟  50-52
    3.3.4 FFT技术在随机过程模拟中的应用  52-55
    3.3.5 天线段风荷载模拟  55-58
  3.4 结构动力分析模型  58-64
    3.4.1 分析模型及参数  58-59
    3.4.2 结构动力特性  59-62
    3.4.3 Wilson-θ法求解结构动力响应  62-64
  3.5 时程分析结果  64-72
    3.5.1 计算参数  64
    3.5.2 时程分析结果  64-70
    3.5.3 结果分析  70-72
  3.6 本章小结  72-73
第四章基于HFFB试验的频域分析  73-116
  4.1 概述  73-74
  4.2 三维风振响应频域分析方法  74-80
  4.3 HFFB试验在频域分析方法中的应用  80-95
    4.3.1 前言  80-81
    4.3.2 广义模态力谱的确定方法  81-89
    4.3.3 结构的三维模态力谱分析  89-95
  4.4 三维风振响应频域分析  95-115
    4.4.1 频域法计算结果  95-97
    4.4.2 影响因素分析  97-113
    4.4.3 结构总的风致响应  113-114
    4.4.4 频域、时域分析结果的对比  114-115
  4.5 本章小结  115-116
第五章气弹模型风洞试验研究  116-138
  5.1 概述  116
  5.2 试验概况  116-124
    5.2.1 气动弹性模型的设计和制作  116-119
    5.2.2 气动弹性模型的动力特性检验  119-121
    5.2.3 测试仪器和测点布置  121-123
    5.2.4 试验工况及试验步骤  123-124
  5.3 风洞试验结果  124-126
  5.4 试验结果分析  126-134
  5.5 试验与计算结果的对比  134-135
  5.6 气弹模型风振响应的阻尼比修正法  135-136
  5.7 本章小结  136-138
第六章复杂高耸结构抗风设计方法研究  138-175
  6.1 概述  138
  6.2 风洞试验与结构设计  138-140
  6.3 等效设计风荷载  140-163
    6.3.1 基本概念  140-141
    6.3.2 等效设计风荷载标准方法  141-149
    6.3.3 等效设计风荷载简化方法  149-163
  6.4 河南省电视发射塔抗风设计  163-173
    6.4.1 主体结构抗风设计  163-166
    6.4.2 外围护结构抗风设计  166-169
    6.4.3 抗风设计有关参数的讨论  169-173
  6.5 本章小结  173-175
第七章结论与展望  175-178
  7.1 本文的主要结论  175-176
  7.2 未来工作展望  176-178
致谢  178-179
参考文献  179-185
个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果  185

复杂高耸结构风洞试验及风振响应研究

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