基于风时程模拟的高耸结构风致响应有限元分析

高耸结构柔性较大,对风荷载较为敏感,相比一般风的影响,台风作用下的高耸结构更易产生强烈的动力响应.考虑台风的基本特性,选取合适的台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与结构竖向相关的18条脉动风载时程样本.采用有限元方法建立某高耸钢塔结构的三维有限元模型,并在时域内研究其在台风作用下的动力响应.侧重比较研究了结构线性与非线性对高耸钢塔结构风致动力响应影响,并与采用经典的Davenport谱的计算结果进行了比较.研究表明:同一种风谱计算的风载作用下,考虑几何非线性影响的高耸结构风致位移响应略大于线性情况下的计算结果,但差别不是太大;采用台风风谱计算风致结构动力响应的峰值和均方差比采用Davenport谱的计算结果大得多.     

带支撑广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析

工程中粘弹性阻尼器的安装通过支撑与结构进行连接,但在安装粘弹性阻尼器的耗能结构随机响应分析中,为了简化计算过程,将支撑的刚度看作无穷大或者忽略支撑刚度的影响。实际上,对支撑刚度的影响加以考虑更能符合工程实际。针对考虑支撑刚度影响的粘弹性阻尼耗能结构风振响应分析过程复杂的问题,提出了一种求解考虑支撑影响的广义Maxwell粘弹性阻尼耗能结构基于Davenport谱风振响应的简明解析解法。在广义Maxwell粘弹性阻尼器微分型本构模型基础上,给出了考虑支撑刚度的粘弹性阻尼器等效本构关系。将粘弹性阻尼器等效本构关系与结构运动方程联立,采用复模态法将其解耦,获得结构风振响应的统一表达式。将耗能结构在Davenport风速谱下的系列响应功率谱密度函数分解为频域响应函数与Davenport功率谱密度函数的乘积形式,基于随机振动理论中谱矩的定义,对响应功率谱密度函数积分后获得无积分项的系列响应谱矩表达式。在算例中通过与虚拟激励法计算结果对比,验证了所提解法的准确性,并分析了支撑刚度在耗能系统中的影响。     

复杂高耸结构风振响应研究

本文提出了基于高频动态测力天平试验的风振响应的频域分析方法,采用该方法可以用来求解复杂高耸结构的三维耦联风振响应,并给出了利用高频动态测力天平试验来确定广义模态力谱的计算方法.该方法利用高频动态测力天平试验得到的基底剪力自谱、基底弯矩自谱以及基底剪力与弯矩的互谱与脉动风荷载的自谱密度的相互关系并通过引入振型修正系数来求得广义模态力谱,求解结构的三维耦联风振响应.然后,采用本文方法对在建的河南省广播电视发射塔的风振响应进行了研究,结果表明横风向的位移和加速度响应的均方根值要大于顺风向,因此在计算中必须考虑横风向风振的影响.最后本文对计算振型数目和模态耦联项对结构风振响应的影响进行了分析.本文的方法对于求解复杂高耸结构的风振响应具有重要的借鉴意义.     

基于AR法的摩天轮结构脉动风速数值模拟

风荷载一般为高耸空间结构设计中的控制因素,而脉动风荷载是摩天轮结构动力效应研究的关键.结合功率谱与空间相关性,应用线性滤波法中的AR法(auto-regressive model)模拟摩天轮结构的脉动风速,通过对比模拟谱与目标谱的吻合程度,并结合摩天轮结构自身的特点,确定了适用于摩天轮结构的Davenport谱及其相关参数的取值.为摩天轮结构的风振响应分析奠定基础,并对相似结构的风工程应用方面具有参考价值.     

输电塔-线体系脉动风振耦合分析

为了研究脉动风引起的结构风致响应,以一塔二线输电塔-线体系为对象,模拟了不同风向角下风荷载导致的结构时程响应．以Davenport风速谱为验算目标来模拟脉动风场,在平均风速的基础上施加脉动风动力时程荷载,分析风向角分别为0°、90°和45°时输电塔-线体系的风振时程响应．依据三种工况下结构中的位移及内力分布情况,分析了主要构件的强度及稳定性,并与基于规范得到的结果进行比较．结果表明,当输电塔层数小于6时,按规范方法计算的强度应力均比按单向流固耦合(Fluid-Solid Interaction, FSI)方法计算的强度应力大;当层数大于6时,按规范方法计算的强度应力与按FSI方法计算的强度应力相当;在45°和90°风向角工况下,按规范方法计算的部分层数的强度应力略小于按FSI方法计算的强度应力．考虑到脉动风的随机性大,建议适当增加风振荷载系数,以确保输电塔-线结构体系的强度安全性．     

门字型输电塔风振响应分析及风振系数的确定

门字型塔是一种综合性能比较好的钻越塔,风荷载对这种高柔结构的影响很大,但实际设计中风振系数按规范统一取值不是很合理,且取值较大,偏于保守。故本文针对门字型输电塔在脉动风作用下的响应、风振系数的求法及合理取值进行专门研究。主要建立了门字型塔ANSYS有限元模型,进行了模态分析;以Davenport风速谱为脉动风功率自谱,应用AR法编制程序顺风模拟了风荷载时程曲线,将由模拟风计算出的风载加载至门字型塔各塔段上对其进行动力时程分析,计算了风振系数并与高耸结构设计规范值进行了比较。研究结果表明:在风载作用下,塔身和横担均会产生较为明显的动力响应;塔身、横担风振系数可取均值,分别为1.39、1.59;规范计算得到的风振系数和本文时程分析得到的风振系数变化规律基本接近,但规范取值较大。     

矩形截面高层建筑横向风激励时程模拟

提出了一种改进的矩形高层建筑横风向脉动激励模拟方法。从牛顿第二定理出发,将沿建筑高度分布的横风向加速度和楼层质量转化为沿楼层高度分布的横风向惯性力计算公式;考虑横风向力谱竖向相干函数,由此导出了沿建筑高度方向分布的横风向脉动力互谱,进而采取谐波合成法模拟出了沿建筑高度分布的横风向脉动力时程数据。结果表明:横风向振动响应与结构固有频率相关,结构前2阶模态频率所对应的横风向加速度响应功率谱约占80%,且第2阶模态频率占主导;当在结构2/3高度增加粘滞阻尼器时,第2阶模态频率所对应的结构加速度功率谱值降低约为43.1%,减震效果明显。因此,结构横风向加速度分析至少考虑前2阶模态的影响。     

基于高精度数值积分的结构顺风向风振计算

对于采用Davenport风谱作为脉动风荷载功率谱密度函数的结构风振计算,建立一种适合高精度数值积分的计算格式,采用高精度的龙贝格求积法计算结构顺风向风振响应的数值解,并认为此解可以作为理论解的良好逼近;以本文的数值积分解作为比较依据,检验了基于背景分量共振分量的结构风振计算方法的精确度和适用性。     

建筑结构基于巴斯金风速谱的系列风振响应的简明封闭解

针对巴斯金风速谱激励下的建筑结构顺风向振动响应表达式复杂的问题,提出了一种简明封闭解法.巴斯金随机谱广泛应用于描述脉动风、随机地震动和路面不平顺等各种随机激励,本文基于留数定理给出巴斯金风速功率谱的二次正交式.综合运用复模态法和虚拟激励法获得了建筑结构系列响应(位移、层间位移及其变化率)功率谱的统一形式的二次正交式,并根据谱矩的定义获得了建筑结构系列响应的方差和谱矩及绝对加速度方差的简明封闭解.运用本文方法对一8层建筑结构进行分析,并与传统虚拟激励法进行对比研究,表明本文所得封闭解正确,并可用于验证虚拟激励法在谱矩和方差分析时的精度和效率.由于本文方法含有复模态法,故可用于各类线性结构基于巴斯金谱的随机响应分析和基于动力可靠度及舒适度的动力优化分析.     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

随机风场下高层结构振动隔震与TMD混合控制研究

针对风荷载作用下高层建筑结构振动控制问题,基于建筑隔震和调谐质量阻尼器振动控制原理,利用ANSYS软件分别建立高层结构带隔震层和带调谐质量阻尼器(TMD)的单一控制策略以及两者相结合的混合振动控制策略。根据Davenport脉动风速谱,采用自回归模型(AutoRegressive,AR)法,考虑竖向相关性、平稳的多变量随机过程以及它的互谱密度矩阵模拟生成具有随机性的脉动风速时程曲线和风速谱的功率谱密度,并用于20层钢结构Benchmark结构模型。系统比较三种振动控制策略在顺风向脉动风载作用下的控制效果,结果表明隔震与TMD混合振动控制方法可以有效地抑制结构风振响应,控制效果很好地弥补了单一振动控制的缺陷。本文方法可应用于大尺度高层结构振动控制中,实现高层建筑结构风振响应的可靠控制。     

随机风-浪一体化降维建模及风机结构可靠度研究

基于随机脉动风场和随机波浪力场的谱表示降维模拟方法,采用脉动风速Davenport谱与波浪P-M谱对风、浪谱参数进行一体化构造,并应用相同的基本随机变量来保障风、浪模拟的概率信息一致,实现了随机风-浪一体化降维建模。进一步,基于ANSYS有限元软件建立了近海风机塔架数值计算模型,并以顶点位移为指标,进行了三种工况下结构的动力可靠度分析。数值算例验证了随机风-浪一体化降维建模方法的有效性。结构动力分析结果表明,风荷载对风机塔架顶点位移响应的影响占主导地位,同时波浪荷载的作用亦不可忽略。此外,随机风-浪一体化降维方法生成的代表性样本概率信息完备,可与概率密度演化理论结合实现海工结构在风浪共同作用下的精细化动力响应及可靠度分析。     

气动阻尼对高层建筑横风向风振响应的影响

引入横风力谱模型，分析了某高宽比为6 的方形截面高层建筑在不同地貌和风速条件下的横风向风振响应. 同时考虑正气动阻尼的影 响，获得该建筑在不同自振基频下的风振响应及气动阻尼影响的规律. 分析结果表 明，对于处于低粗糙度地貌并受较高风速作用的低频建筑物，当计算其横风向风振响应时，应适当考虑 正气动阻尼的影响，使计算结果更具真实性.     

模态加速度法在屋盖结构风致响应分析中的应用

对大跨屋盖结构应用模态加速度法新的表达式改进风致响应计算。推导了结构风致响应分析的模态加速度方法。对一平顶屋盖刚体模型进行了风洞试验，考虑到随机风荷载的空间相关性，试验中利用同步测量的脉动风压和结构模态获得随时间变化的广义力。对屋盖均方根响应进行了讨论，说明了本文所提方法的有效性。     

利用浅水水箱作为阻尼器的大连国贸大厦减振控制研究

针对一实际工程结构—大连国贸大厦,研究了风荷载作用下调液阻尼器的减振控制作用。首先建立了该结构的简化计算模型,利用Davenport谱给出了模拟风荷载;在大厦所处的位置进行多次测量,得到实际风速样本,选取其中风速较大、过程平稳的样本,对实测样本与模拟样本的频谱进行比较,验证了模拟风荷载的合理性。文中在大厦顶层设置浅水水箱,将其设计成可减少结构位移及加速度反应的控制装置TLD,以提高大厦在风荷载作用下的舒适度,并给出了高层建筑水箱减振方案实施的设计建议。数值计算结果表明,该大厦顶部设置TLD减振装置后,能有效地控制结构在风荷载作用下的反应。依据本文的TLD设计步骤,可供类似高层建筑进行TLD减小风振控制分析和设计时参考。     

具有基础隔振器结构在风载激励下的振动响应分析

具有分段线性特征的随机振动系统能借助于马尔柯夫扩散过程理论精确积分，并由此产生多维分布密度及统计量，本文应用这种协方差分析法确定具有基础隔振器的高层建筑在脉动风和平均风共同作用下结构响应统计量和多维分布密度。     

Wind tunnel and full-scale study of wind effects on a super-tall building

This paper presents the analyzed results from a combined wind tunnel and full-scale study of the wind effects on a super-tall building with a height of 420 m in Hong Kong. In wind tunnel tests, mean and fluctuating forces and pressures on the building models for the cases of an isolated building and the building with the existing surrounding condition are measured by the high-frequency force balance technique and synchronous multi-pressure sensing system under two typical boundary layer wind flow fields. Global and local wind force coefficients and structural responses are presented and discussed. A detailed study is conducted to investigate the influences of incident wind direction, upstream terrain conditions and interferences from the surroundings on the wind loads and responses of the high-rise structure. On the other hand, full-scale measurements of the wind effects on the super-tall building have been performed under typhoon conditions. The field data, such as wind speed, wind direction, structural acceleration and displacement responses have been simultaneously and continuously recorded during the passage of 12 typhoons since 2008. Analysis of the field measured data is carried out to investigate the typhoon effects on the super-tall building. Finally, the model test results are compared with the full-scale measurements for verification of the wind tunnel test techniques. The comparative study shows that the wind tunnel testing can provide reasonable predictions of the structural resonant responses. The resonant displacement responses are comparable to the background displacement responses so that the contribution of the background responses to the total displacement responses should not be underestimated. The outcome of the combined wind tunnel and full-scale study is expected to be useful to engineers and researchers involved in the wind-resistant design of super-tall buildings.