台风作用下高层建筑风效应的实测及风洞试验研究

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高层建筑具有高且柔的特点,在台风作用下其风敏感性增强,风荷载是其主要水平控制荷载。随着高层建筑高度的迅速增加,需要获得更多的城市高空风场、建筑外表面风压和结构加速度响应的实测数据,而目前同步进行台风作用下高层建筑顶部风场、表面风压和结构加速度响应实测的相关研究仍相对较少,且已有结构风致响应测点多布置在实测建筑顶层。同时,还需要开展测压风洞试验与现场实测的多角度对比研究,以深化对高层建筑风效应的认识。并且,采用基于实测模态结果验证后的有限元模型进行风致响应的时程分析能够更好的提高结果的计算精度。此外,电梯作为高层建筑中重要的垂直交通工具,在台风作用下其水平振动将影响乘坐人员的安全性和舒适性,但国内外对台风影响下高层建筑电梯轿厢水平振动响应的研究尚未见报道。因此,有必要针对上述高层建筑台风风效应问题进行深入的研究,可为沿海地区高层建筑的抗风设计提供参考。本文开展了台风作用下温州某168m高层建筑的现场实测,较为全面的获得了顶部风场、第25层表面风压、多层楼面及电梯轿厢水平振动加速度响应等实测数据。统计分析了“苏力”、“潭美”、“菲特”、“麦德姆”、“凤凰”、“灿鸿”和“杜鹃”等7次台风的风场特性参数,在主要平均风向角为67.5°~135°的范围内,验证了台风作用下湍流强度和阵风因子随平均风速的增大而减小、湍流积分尺度随平均风速的增大而增大及Karman谱适用于描述该地区的顺风向脉动风速谱等规律,并进一步得出了当平均风速大于10m/s时,湍流强度和阵风因子随平均风速的增大趋于平稳的变化规律。提取了台风“菲特”影响期间,平均风向角在80.13°~92.41°范围内的32个10min实测风压样本,统计了测点的平均风压系数、脉动风压系数和峰值风压系数。计算了实测层的顺风向体型系数,并与规范值进行对比,结果表明,实测高层建筑所处地貌接近于C类风场。对比分析了脉动风压谱和脉动风速谱,验证了准定常理论在顺风向的适用性。归纳了32个样本的气动导纳函数,并据此修正了Kawai公式中的指数取值。研究了实测测点间的相干函数,验证了迎风面、背风面和侧面风压的不同生成机制。分析了实测脉动风压的概率分布特性,并计算了目标概率99.38%条件下的峰值因子,侧面测点的峰值因子最大值为4.91,该区域测点风压具有较强的非高斯特性。分析了台风“凤凰”、“灿鸿”和“杜鹃”3次台风作用下温州高层建筑多层实测加速度响应数据,给出了加速度响应均方根与平均风向和平均风速的变化关系,验证了高层建筑实测加速度响应均方根、峰值随平均风速的增大而增大的规律,而加速度响应均方根随平均风向的变化较小。从峰值因子的角度验证了10min实测加速度响应样本的概率密度分布基本满足高斯分布,为设计阶段的加速度响应预测提供了理论依据。采用峰值拾取法对厦门高层建筑实测加速度响应数据进行了频率、振型和阻尼比的识别,并通过随机减量法分析了第1阶阻尼比与加速度响应振幅之间的关系。同时,采用NEx T-ERA方法对温州高层建筑的加速度响应数据进行了频率、振型和阻尼比的识别。进而,结合实测模态结果修正了高层建筑的3D有限元分析模型,提高了其风致响应的计算精度。基于温州高层建筑的风洞试验数据,讨论了周边干扰对风压系数的影响,计算了测压模型的基底弯矩系数,分析了C类无周边下风压系数随高度的变化规律,研究了对应于实测层的模型测点局部体型系数分布特征,评估了脉动风压的概率分布特性,提出了一种小容量样本的平稳非独立序列的“除串”GPD方法。从风压系数、顺风向体型系数的数值和频域角度出发,对比分析了风洞试验结果与实测风压数据,结果表明,实测与风洞试验的平均风压系数、脉动风压系数、体型系数及脉动风压谱的变化规律较为一致,数值差异较小,据此验证并改进了风洞试验方法。进而,将风洞试验数据作为荷载加载到有限元3D分析模型上进行结构风致响应的时域分析,计算结果与实测结果较为一致,验证了该时域分析方法的合理性。在台风“海葵”、“潭美”影响期间,通过现场实测获得了温州高层建筑电梯的动力特性,揭示了电梯轿厢与结构振动响应间的相互作用机理,提出了一种以电梯安全性设计为目标的电梯水平风振力简化计算方法。同时,建立了台风影响下高层建筑电梯轿厢-导轨系统水平振动模型,并结合有限元风致响应的计算结果,得到了不同地貌类型下轿厢运行速度、导轨类型、导轨支架刚度对轿厢水平振动加速度的影响规律,所得结论可为制定台风影响下高层建筑电梯水平振动控制措施提供理论依据。
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