台风作用下高层建筑风特性及风致响应实测研究

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由于高层建筑结构新颖、体型日趋复杂,其轻质、高柔、低阻尼的特点,导致其风致响应问题突出。近年来台风在福建和浙江登陆的次数越来越频繁,而针对这区域的风特性、风压、风致响应研究远远不够,特别是对台风作用下高层建筑扭转效应的实测研究,同时国内外对同一栋建筑进行长时间的风特性、风压、风致响应同步实测研究也非常匮乏。
  本文依托厦门三栋高层建筑、温州某高层建筑建立抗风实测基地,于2014~2018年分别对台风“麦德姆”、“凤凰”、“灿鸿”、“杜鹃”、“苏迪罗”、“尼伯特”、“莫兰蒂”、“鲇鱼”、“泰利”、“玛利亚”进行风场、风压、平动加速度响应和扭转向加速度响应的同步实测研究。本文取得的主要成果如下:
  (1)基于台风风场实测数据,分析了建筑顶部的平均风和脉动风特性,包括湍流度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速谱。记录了“莫兰蒂”台风作用下厦门三栋建筑顶部风场数据,研究了脉动参数之间、脉动参数与阵风持续时间的关系,分析了三栋建筑顶部风湍流的相关性。记录了“麦德姆”台风作用下温州建筑顶部风场数据,研究了不同时距的风特性。探讨了厦门、温州风场的差异性,其结果表明温州试验楼位于典型的城市地貌中,其风场的脉动性大。
  (2)基于台风风压实测数据,分析了风压的脉动特性,包括风压系数、脉动风压概率、峰值因子和脉动风压的相关性。探讨了厦门、温州的风压特性的差异性。研究表明:选取来流方向较为平稳的数据进行分析时,其子样本之间的差异性较小;迎风面上的压力系数时程相似且峰值较大,而背风面、侧风面的压力系数时程的峰值较小;各测点的脉动风压不满足高斯分布特征,在相同目标保证率下,实测峰值因子大于相应规范值。
  (3)首次采用RA013扭转加速度传感器对台风的扭转效应进行了实测研究;采用991C型传感器记录了台风作用下的平动加速响应。基于多个楼层的水平加速度实测,分析了水平加速度和扭转加速度响应的高斯特性,其结果表明台风风向对水平向加速度响应的高斯特性有很大的影响,而扭转向加速度的高斯特性与平均风速有关;基于目标保证率提出了水平向和扭转向加速度峰值因子的取值范围,在相同目标保证率下,基于高斯特性的规范取值偏低;研究了加速度均方根与风速的关系,在台风作用下,建筑结构的加速度响应的峰值与均方根随风速的增大而增大,当平均风速和加速度幅值较大时,加速度响应与平均风速的指数关系越明显。
  (4)基于实测的水平向加速度响应和扭转向加速度响应,利用Welch方法、改进的ERA-NExT法识别结构的水平向、扭转向模态参数,探讨自振频率与平均风速、结构阻尼比与加速度均方根的关系,为研究台风作用下高层建筑动力特性提供了参考。
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