同济讲稿高层建筑风荷载,风振响应,等效静风荷载.doc
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1、七、高层建筑(高耸结构)的顺风向和横风向振动I. 概述顺风向和横风向顺风向-抖振机制横风向-机制复杂(高层建筑:紊流 + 尾流 + 气动弹性)研究方法顺风向:(1) 平均风压(整体型系数)-准定常风力-随机振动方法计算-振动响应(2) 同步测压-脉动风力分布-随机振动方法计算-振动响应(不能应用于格构式高耸结构)(3) 高频动态测力天平-一阶广义风荷载-振动响应计算(4) 气动弹性模型试验-直接获得振动响应横风向:(1) 同步测压-脉动风力分布-随机振动方法计算-振动响应(不能应用于格构式高耸结构)(2) 高频动态测力天平-一阶广义风荷载-振动响应计算(3) 气动弹性模型试验-直接获得和振动响
2、应II、高层建筑风压分布特性21 概述表面脉动风压测量试验是高层建筑抗风研究的基本方法之一。和另一常用方法-高频动态测力方法相比,该方法虽然复杂些,但可获得建筑物风荷载的时空分布特征,而认识风荷载的时空分布特性对建筑抗风研究是非常重要的。根据10个典型超高层建筑模型的风洞试验结果,分析建筑物的风压分布特性2.2 风洞试验概况(1) 风场模拟采用尖塔粗糙元来模拟B、D类风场。图1给出了两类风场平均风速和紊流度剖面。平均风速剖面与规范中的B、D类风场结果吻合。在模型顶部高度(0.6m),B、D类风场纵向紊流度分别为7.5%和14%,也符合要求。一般认为横风向紊流度是顺风向紊流度的7588,本试验模
3、拟结果基本与此吻合。顺风向风谱与Davenport谱吻合很好。横风向脉动风功率谱目前缺乏公认的理论表达式,只能据测量结果来分析。图2给出了60cm高度处,B类风场中的顺风向和横风向风速谱。模拟得到的0.4m处的B、D类风场紊流积分尺度分别0.41和0.49m,相当于实际中200m高度处的205、245m,与经验公式9 的计算结果(270m, 210m)相近。此外,模拟的竖向相干函数的衰减指数Cz在79之间,与Davenport的建议值7和Emil的建议值10相当。图1 B、D类风场平均风和紊流度剖面(a)顺风向 (b)横风向图2 B类风场60cm高度顺风向和横风向脉动风速功率谱(2) 试验模型
4、和试验工况试验模型 10个代表性截面形式(方形、矩形、三角形、倒角方形、Y形)的建筑见图3和表1。方形模型有5种高宽比(4、5、6、7、8);矩形模型考虑的长宽比为1:2,1:1.5, 2:1 和1.5:1;三角形和倒角方形模型的高宽比为6:1。 每个模型上共布置7层测点(从上至下依次为17层)。考虑风荷载对响应的影响随高度明显增加,安排测点层上密下疏。一般在同层的每个面上布置5点。单个模型总测点数在140个左右。在处理试验结果时,考虑了测压管路的修正。图4 试验模型测点布置及尺寸示意图表1 试验模型有关参数编号12345678910B(mm)1501201008675100100100100
5、-D(mm)1501201008675200150100100-H(mm)600600600600600600600600600600456784.244.90664.64测点数140140140140140140140105140147截面形状方形方形方形方形方形矩形矩形三角形倒角方形Y形图5 测点号和风向角示意图23 风压分布的幅值特性平均风压系数和根方差风压系数的计算公式如式(1)所示。, (1)其中和分别为模型表面任一点的平均风压和脉动风压;为模型顶部平均风速。注意:体型系数的定义!(1) 同一高度处的风压分布特性考虑最不利风向,选择0度风向角来研究同一高度处结构表面的风压系数分布特性
6、。B类风场中方形、三角形和Y形截面的第二和第四层测点的风压分布(图11-13)。由图可见:l 迎风面平均风压系数均为正值,其余各面均为负值。l 迎风面上平均风压系数以中间测点为最大;背风面平均负压(绝对值)则以中间测点为最小;根方差风压系数表现出类似特性。侧面边缘测点和中间测点的平均负压相差很小,根方差风压系数以后缘测点为最大。l 各种模型各个面上的根方差风压系数均随高度增加而有所减小,这是紊流度减小所致(紊流对两个侧面脉动风压有较大影响。 进一步研究)。l 一般而言,迎、背风面的根方差风压系数比侧面小很多,且高度越低相差越大。l Y形截面模型两个代表层的对应点的根方差风压系数基本相同,6-1
7、6点的平均风压系数和脉动风压根方差系数也基本相同。从总体上看,Y形和三角形截面的根方差风压系数最小。 图11 模型1(方形截面)在B类风场中0度风向角下第二层和第四层各测点风压系数 图12 模型8(三角形截面)在B类风场中0度风向角下第二层和第四层各测点风压系数 图13 模型10(Y形截面)在B类风场中0度风向角下第二层和第四层各测点风压系数(2) 风压系数沿高度的变化模型1、6、8和10在B类风场、0度(或90度)风向角下各面对称轴上的典型测点的风压系数来研究其沿高度的变化规律。图1416分别给出了部分试验结果。由图可见:l 迎风面测点的平均风压系数随高度变化基本上服从分布;根方差风压系数一
8、般随高度增加,但变化幅度较小,接近于分布。l 背风面的平均风压系数(负值) 和根方差风压系数沿高度变化均很小。l 随着高度增加,侧面测点的根方差风压系数稍有减小,但仍比迎、背风面的根方差风压系数大很多。l 三角形、Y型模型 侧面平均风压系数(负值)和根方差风压系数明显比其他几种模型都要小,这也说明了这种截面对降低结构风致效应的有效性。图14 模型1(方形截面)在B类风场0度风向角下典型测点风压系数随高度的变化图15 模型8(三角形截面)在B类风场0度风向角下典型测点风压系数随高度的变化情况图16 模型10(Y形截面)在B类风场0度风向角下典型测点风压系数随高度的变化情况2.4 脉动风压系数的功
9、率谱特性(以下图、表号从1开始)以方形建筑(模型1)和矩形建筑(模型6,矩形,长边迎风)在为例,讨论脉动风压的功率谱特性。(1) 同一高度处脉动风压的功率谱0度风向角下模型6四个面上第二层测点的归一化风压系数谱见图1。由图可见:l 迎、背风面上测点脉动风压的能量小于侧面,频率成分比侧面更丰富。迎风面脉动风压的主导频率低于漩涡脱落频率而接近脉动风速的主频。l 模型6侧面测点的风压系数谱的峰值频率为0.11,即矩形柱体的斯脱罗哈数(以模型顶部风速无量纲化)。l 漩涡脱落导致模型6侧面的脉动风压的主频很明显,能量也有明显增加。此外,D类风场中的脉动风压的频率比B类风场中更丰富。(a)侧面 (b)迎风
10、面 (c)背风面 图1 模型6(长边迎风矩形模型)第二层测点在B类风场0度风向角下的风压系数谱2.5 脉动风压的相关系数下式给出脉动风压系数的水平和竖向相关系数的定义。其中,为i,j两点风压协方差;和分别为i,j两点风压的根方差。(1)水平相关系数水平相关性研究以模型1第二层测点为例。表13首先列出了B、D类风场下模型1四个面上第二层测点风压系数的水平相关系数。表的上半对角为B类风场结果;表中下半对角为D类风场结果。由表可见:(1)相关性随着距离的增加而减小。(2) 以侧面对称轴上测点为基准,与前缘部分的测点的相关性明显高于其与后缘部分测点的相关性(如2-3与2-5测点的相关性明显比2-3与2
11、-1测点的相关性要高)。(3) 左右侧面之间各测点的相关系数为负值(旋涡交替脱落);前缘两对应测点的相关系数约为0.25;后缘对应测点间的相关系数接近零值。(4)迎风面上和背风面同面各测点之间的相关系数均为正值(相位相同)。迎风面的水平相关性最好,背风面略低一些。(5) 紊流度的增加使得迎风面和侧面的相关性降低,而背风面的相关性反而有所增加。表1 模型1在B/D类风场下侧面各测点之间的相关性系数测点2-12-22-32-42-52-112-122-132-142-152-11.000.570.280.300.35-0.02-0.02-0.02-0.05-0.092-20.631.000.750
12、.630.67-0.16-0.16-0.16-0.17-0.142-30.290.701.000.860.84-0.25-0.25-0.24-0.21-0.132-40.180.430.721.000.95-0.26-0.26-0.24-0.20-0.102-50.240.490.710.901.00-0.25-0.25-0.23-0.19-0.092-110.190.01-0.11-0.18-0.181.000.950.840.700.342-120.16-0.01-0.12-0.18-0.180.901.000.880.680.312-130.120.00-0.07-0.11-0.090.
13、650.721.000.760.262-140.100.060.030.010.020.390.380.641.000.552-150.050.090.120.130.140.040.040.140.551.00表2 模型1在B/D类风场下顺风向(迎风面和背风面)各测点之间的相关性系数测点2-62-72-82-92-102-162-172-182-192-202-61.000.850.700.570.36-0.25-0.17-0.08-0.020.002-70.861.000.940.860.67-0.27-0.25-0.23-0.20-0.202-80.730.961.000.950.80-
14、0.25-0.25-0.25-0.24-0.242-90.610.880.961.000.90-0.22-0.23-0.24-0.24-0.252-100.390.710.830.921.00-0.09-0.14-0.18-0.22-0.262-16-0.21-0.29-0.30-0.30-0.221.000.800.540.300.122-17-0.18-0.28-0.29-0.29-0.220.851.000.830.580.352-18-0.15-0.28-0.30-0.30-0.250.680.881.000.840.602-19-0.11-0.27-0.31-0.32-0.290.5
15、30.720.891.000.822-20-0.11-0.29-0.34-0.36-0.360.380.510.670.841.00表3 模型1在B/D类风场下不同侧面典型测点之间的相关性系数测点2-32-82-132-182-31.00-0.23-0.240.212-8-0.411.00-0.22-0.252-13-0.07-0.401.000.232-180.25-0.300.291.00(2) 竖向相关性研究表4和5列出了模型1的迎、背、侧面对称轴上测点在B类风场中的竖向相关性系数。显然,相关性随高度间距的增加而减小,且背风面上沿高度分布各测点的相关性明显小于迎风面和侧面。迎风面的脉动风
16、压主要来源于来流顺风向紊流,而侧面测点的脉动风压主要来源于漩涡脱落;背风面风压则比较复杂,其相关性小。表4 模型1在B类风场下侧面风压竖向相关性系数测点1-32-33-34-35-36-37-31-132-133-134-135-136-137-131-31.000.780.610.490.380.310.21-0.08-0.15-0.20-0.18-0.13-0.040.022-30.781.000.820.630.470.320.19-0.17-0.24-0.29-0.27-0.21-0.090.013-30.610.821.000.790.560.350.19-0.20-0.27-0.3
17、3-0.32-0.27-0.140.014-30.490.630.791.000.760.490.27-0.18-0.24-0.32-0.36-0.35-0.25-0.095-30.380.470.560.761.000.700.42-0.15-0.20-0.28-0.36-0.39-0.32-0.186-30.310.320.350.490.701.000.60-0.06-0.12-0.19-0.27-0.30-0.30-0.197-30.210.190.190.270.420.601.00-0.01-0.04-0.09-0.16-0.23-0.28-0.26表5 模型1在B类风场下迎、背风
18、面风压竖向相关性系数测点1-82-83-84-85-86-87-81-182-183-184-185-186-187-181-81.000.830.630.460.290.210.17-0.20-0.18-0.13-0.13-0.13-0.11-0.092-80.831.000.840.630.430.300.22-0.28-0.25-0.20-0.18-0.18-0.16-0.143-80.630.841.000.820.580.420.28-0.28-0.27-0.23-0.21-0.22-0.20-0.185-80.290.430.580.781.000.720.47-0.27-0.29
19、-0.25-0.22-0.29-0.29-0.297-80.170.220.280.360.470.661.00-0.23-0.25-0.21-0.16-0.20-0.23-0.311-18-0.20-0.28-0.28-0.28-0.27-0.25-0.231.000.720.480.350.260.240.252-18-0.18-0.25-0.27-0.28-0.29-0.27-0.250.721.000.670.450.340.260.263-18-0.13-0.20-0.23-0.25-0.25-0.23-0.210.480.671.000.610.420.270.205-18-0.1
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