偏转风作用下千米级超高层建筑气弹试验研究

作     者：唐龙飞 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑朝荣

授予年度：2021年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：偏转风场 气弹模型 气动阻尼比 千米级超高层建筑 气弹效应 

摘      要：21世纪的工业化推动了人口向城市集中,新材料、新技术的应用使城市建筑突破了建造的极限,社会发展的需求促使越来越多的超高层建筑不断涌现出来,世界第一高楼的记录不断被刷新。综观国内外的发展,可以预见未来超高层建筑的的高度将不断增加,会达到甚至超越千米高度。当建筑物高度达到千米量级时,由于其轻质高柔的特点,风荷载与结构的流固耦合现象明显,结构风荷载将成为结构设计的关键因素。此外,已有研究表明,水平风向会随高度发生显著的变化,此时超高层建筑的流固耦合效应与偏转风效应将会共同作用,故基于传统无偏风场的研究结果并不能准确地反映超高层建筑在真实风场下的风荷载及风致响应特性。因此,有必要对偏转风作用下千米级超高层建筑的气弹效应进行深入研究,从而填补相关研究的空白。气弹模型风洞试验方法是研究千米级超高层建筑气弹效应的主要方法,可获得精确的结构风致响应及气动阻尼比,本文通过设计制作气弹模型并进行风洞试验,探究偏转风作用下的气弹效应机理,主要研究内容有以下三个方面:1、采用“巨型框架-核心筒-伸臂桁架抗侧力结构体系,基于ANSYS软件建立了千米级超高层建筑的三维有限元模型;采用等效结构法设计了一种5柱式多自由度气弹模型,其频率可自由调节,且在动力特性不变的情况下,截面外形(方形、凹角、双凹角)可自由变换,极大地节省了试验成本与时间;进行锤击试验,基于Hilbert变换法和峰值拾取法识别了气弹模型模态参数,并调整得到了较为理想的气弹模型;在风洞中模拟了风向偏转角为25的偏转风场及对应的无偏等效风场,并进行了气弹模型风洞试验。2、采用遗传算法对随机减量法中的截断幅值和样本长度的选取方式进行了改进,并结合Hilbert-Huang变换方法识别了气动阻尼比;对偏转风作用下不同来流风速时千米级超高层建筑气弹模型的顶点加速度进行频域分析,确定了涡激共振区;最后分析了风向角、建筑外形、结构频率对模型X轴、Y轴和扭转方向的风致响应和气弹效应的影响规律,研究发现偏转风作用下方形气弹模型75风向角下合极值加速度大约是15风向角2倍,30、45、60出现了较为明显的峰值,分别为0.127 m/s、0.133 m/s、0.125 m/s,凹角与双凹角抑制了X向90风向角下旋涡脱落情况的发生,加速度均方根值急剧减小(凹角、双凹角分别减小了64.4%、62.9%)。3、对比了偏转风及相应无偏等效风作用下风向角、建筑外形对千米级超高层建筑风致响应和气弹效应的影响,比较了两者风场作用下涡激共振“锁定区以及临界风速的变化关系,为千米级超高层建筑的抗风设计提供有益参考。