论文题目：空中钢连廊建筑风致动力效应分析
摘要：改革开放以来,中国修建了许多带有空中钢连廊的高层建筑,这些建筑结构特征表现为柔度大、阻尼小和造型奇特,对风的作用也愈加敏感,受力性能明显区别于普通高层单塔建筑,因此其设计和风振动力响应分析面临着许多超越规范的难题。但截止至目前,对于我国东南沿海地区空中钢连廊的高层建筑风振响应分析,至少面临以下三个主要困难:其一、东南沿海受台风影响严重,而现有可供结构设计参考的实测资料匮乏;其二、数值模型的可靠性,风振计算的合理性缺乏系统规范的验证方法;其三、不同荷载工况下,超高层双塔空中钢连廊结构缺乏系统的风致动力效应参数研究分析。本文以装有结构健康系统的厦门湖里区国贸金融中心空中钢连廊高层建筑结构为研究对象,通过该建筑顶层风速风向实测数据研究了东南沿海高层建筑的风场特性;其次,通过风振响应分析方法对有限元模型进行数值模拟,对比实测加速度与应变数据,验证了模型的合理性以及风振计算的可行性;最后,基于参数研究理论研究了空中钢连廊建筑内外部不同参数改变时结构的风振响应变化规律,确定了结构最不利荷载工况以及给出相应的设计参考建议。主要包括以下几方面的内容:通过在高层建筑屋面层设立风速风向仪获取实际风场数据,运用矢量分解法得到平均风速和平均风向,探讨了厦门国贸金融中心附近的季风统计特性,并以平均风速为自变量,对比研究了季、台风湍流风场特性的改变规律,对高空风场的水平相干性进行了研究,同时对顺风向和横风向的脉动风速谱进行估计,获得了该地区较为精准的风场特性描述,为风场模拟及风致动力效应作基础。数值模型的合理性通过对比模态和振型相关性系数验证。以实测数据为参考,采用谐波叠加法模拟实测建筑物在台风作用下的风速时程,同时参考风洞试验结果的体型系数计算出作用于结构上的风荷载。基于风振计算理论以及ANSYS动力分析平台计算出所建模型的风振动力响应,并与监测系统同步实测结果进行对比,验证了所建模型用于风振计算的可靠性。基于结构风振参数研究理论,分别从不同的荷载工况、钢连廊结构的设置、整体结构参数敏感性分析三个角度展开,研究结构的动力特性变化规律,并确定了最不利荷载工况下整体结构及空中钢连廊结构的风致动力效应。本文的研究基于实测数据展开高耸异形建筑的风致动力效应分析,为东南沿海地区带空中钢连廊的高耸异形建筑的抗风设计提供参考。
关键词：超高层建筑;钢连廊;监测系统;风场模拟;风振响应
学科专业：结构工程
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 研究现状
1.2.1 东南沿海高层建筑实测风场特性分析
1.2.2 高层连体结构风振计算研究现状
1.2.3 双塔钢连廊建筑风致动力效应的参数分析
1.3 研究内容
第二章 东南沿海高层建筑实测风场特性分析
2.1 风场分析的基本理论
2.1.1 风速风向
2.1.2 风玫瑰图
2.1.3 湍流强度
2.1.4 阵风因子
2.1.5 湍流积分尺度
2.1.6 脉动风速谱
2.1.7 互谱及相干函数
2.2 空中钢连廊结构的健康监测系统
2.2.1 项目背景
2.2.2 结构健康监测系统简介
2.2.3 相关传感器及安装
2.2.3.1 风速风向仪
2.2.3.2 光纤应变计
2.2.3.3 加速度传感器
2.3 基于健康监测数据的东南沿海高层建筑风场特性分析
2.3.1 季风统计特性
2.3.1.1 夏季风统计分析
2.3.1.2 冬季风统计分析
2.3.2 风场对比分析
2.3.2.1 台风概况介绍
2.3.2.2 样本的选取
2.3.2.3 平均风速和平均风向
2.3.2.4 湍流强度
2.3.2.5 阵风因子
2.3.2.6 湍流积分尺度
2.3.2.7 脉动风速谱
2.3.2.8 互谱及相干函数
2.4 本章小节
第三章 基于实测风场模拟的空中钢连廊风振响应分析
3.1 基本理论
3.1.1 基于实测数据的风场模拟
3.1.1.1 风场模拟的基本理论
3.1.1.2 谐波叠加法
3.1.1.3 风荷载的生成
3.1.1.4 模拟的步骤及流程
3.1.2 面向风振分析的结构有限元模型
3.1.2.1 有限元建模理论
3.1.2.2 模态分析理论
3.1.2.3 模型验证的基本流程
3.1.3 基于有限元模型的风振响应分析理论
3.1.3.1 风振计算基本理论
3.1.3.2 风荷载的确定
3.1.3.3 阻尼比的确定
3.1.3.4 风振计算的步骤
3.2 实例验证
3.2.1 风场数值模拟
3.2.1.1 模拟参数的选取
3.2.1.2 风速场模拟结果
3.2.1.3 模拟风荷载的生成
3.2.2 数值模型的验证
3.2.2.1 基于实测加速度数据的模态分析
3.2.2.2 有限元模型的建立与模态分析
3.2.2.3 结果对比及误差分析
3.2.3 风振计算及结果对比分析
3.2.3.1 加速度结果分析
3.2.3.2 应变结果分析
3.2.3.3 误差分析
3.3 本章小结
第四章 双塔钢连廊建筑风致动力效应参数研究
4.1 外部荷载改变引起风致动力效应分析
4.1.1 模型及计算工况的选取
4.1.2 不同工况体型系数的确定
4.1.3 荷载改变引起的风振响应分析
4.1.3.1 改变风向时结构响应规律
4.1.3.2 改变风谱时结构响应规律
4.2 结构自身参数改变引起的风致动力效应
4.2.1 无钢连廊模型概况
4.2.2 钢连廊对结构的影响
4.2.2.1 钢连廊结构改变
4.2.2.2 分析结果
4.2.3 结构参数敏感性
4.2.3.1 阻尼比
4.2.3.2 基本周期
4.3 最不利荷载作用下结构的动力响应
4.3.1 连廊动力响应分析
4.3.2 整体结构动力响应分析
4.4 本章小节
第五章 主要结论和研究展望
5.1 主要结论
5.2 研究展望
参考文献
致谢