高层建筑风洞试验关键技术研究

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1、高层建筑风洞试验关键技术研究第一章绪论1.1风荷载问题提出随着我国在改革开放的道路上不断前进，我国的社会乃至经济都得到了长足的发展，尤其是建筑业已经逐渐成为我国在经济发展上的龙头行业。风荷载是存在于超高层建筑的控制荷载之一，尤其是在强风的作用下，其自身结构的风载荷以及所形成的风致效应都是结构设计中需要考虑其安全性、舒适性等各种影响因素。随着建筑物高度的增加和轻质建筑材料的应用,建筑物的结构也发生了相应的变化，柔韧性变大，阻尼减小。在以往对于静态风荷载的考虑就显得些许不合适，难以满足其实际需求，与此同时，在强风中建筑物的动态响应问题就

2、成为其解决的关键性问题。另一方面，在得到建筑的响应之后，如何用于设计？因此静力等效风荷载的计算是一个重要的方面，如何合理的计算并考虑最不利情况也需进行大量的研究（如横风向风振、风荷载组合问题、等效静风荷载等效原则、振型修正等问题）。1.2国内外研究现状目前国内外对于高层建筑负荷的测量以及预测结构受到的风响应现象主要有以下几种方法：(1)风压测量：对于风压的测量主要应用的是压力传感器对需要测量的建筑物进行直接的测量或者对其模型进行直接的测量。使用这种方法的得到的是局部点的平均压力和脉动压力，该结果对于建筑的局部设计有着极为重要的帮助作

3、用。除此之外，还可以通过相应的数学原理，也就是积分对整体的平均荷载进行求解。(2)气动弹性试验：该模型使用的是几何相似以及动力相似的气动弹性模型，直接测量模型的动静态荷载和响应，试验结果比较可靠。但如果高层建筑的结构进行了调整，须根据新的方案重新进行测试。(3)高频动态天平试验：采用自有频率较高、灵敏度好的专门设计的测力天平，直接对结构基底的具有广泛意义上的载荷进行测量，并遵循结构参数，通过分析整理的方法获得该建筑物的动态响应。考虑到风荷载规范中只有简单的体型系数，每个高层建筑都要进行风洞试验比较费事，因此有研究人员[2]进行不同形

4、状、高宽比、风场等的高层建筑基底弯矩谱（可计算一阶动力响应）的数据库的工作，美国、日本已进行过类似的工作[3][4]。由于高层建筑通常不是孤立的一栋，因此周边建筑的气动干扰效应也是一个热点问题。高层建筑的风致响应分为顺风向、横风向、扭转响应，在实际的计算过程中，关于结构的顺风向动态响应的一般计算是按照脉动风速为平稳高斯过程，并充分合理对假定建立脉动风速与脉动风压之间的关系进行利用。通过对风工程的发展历史进行分析探究，可以发现顺风向风致响应的研究与横风向和扭转响应研究相比，该类研究的发展时间更早。究其原因，是因为横风向响应存在着复杂的

5、产生原因，可以划分为以下类型：（1）尾流激励，该类型是一种与漩涡脱落相关的垂直于风向的激励。产生的原因主要是因为其横风向的动力周期是由斯托罗哈数进行确定的。（2）来流紊流激励，这种类型的激励主要与气动的特性有着紧密的联系。（3）由结构横风向运动所形成的激励，例如：涡激振动。在现实生活中存在的实际高层建筑的横风向激励本质上是以上几种激励共同作用的结果。因此，气流在建筑外边及周边产生复杂的压力分布。..第二章高层建筑同步测压试验技术研究2.1概述高层建筑同步测压试验存在诸如阻塞比、雷诺数、管路系统的频响影响、同步化技术等关键问题的干扰影

6、响，本文通过设计系列试验研究相关关键因素对试验结果的影响，并提出修正技术，同时建立试验数据的处理技术。2.2风洞测压试验技术的发展及存在问题1893年，丹麦人J.O.VIrminger[6]通过风洞试验的方法对建筑物刚体模型的表面风压进行了测量，并与实测结果进行了分析比较。这一风洞测压实验的成功，为后续的广泛应用奠定了基础。静态风洞测压实验技术只能得到建筑物表面的平均风压，这对于建筑物的抗风研究而言肯定是远远不够。建筑抗风研究同时也包括风致振动的研究，这就需要风载信息中的脉动风数据，于是须对建筑物的脉动风压进行测量。随着社会的发展，

7、脉动风压所需的测量设备如扫描阀、传感器相继出现，这使得对建筑物的脉动风压进行测量变成现实。以往测一个压力点需用一个压力传感器，为了测多个压力点就得用多个传感器。好的传感器通常比较贵，后来出现了机械式扫描阀，这种扫描阀用一个压力传感器而用机械方法切换测压通道以达到测多个压力（常用的是48个通道）。李建英[7]等对动态测压系统中的机械式扫描阀系统的原理进行了解释，其系统框图如图2.2-1所示。首先，依据测压实验的不同要求以及所需测量的点数，对扫描通道进行选择。接着在测压的过程中，选通扫描阀通道是通过电脑发射的信号来完成，同时电脑发出信号

8、控制其进行自动扫描。各测点的实测压力值由传感器转换为电源信号，然后经过已选通的扫描通道由放大器进行放大，同时经过转换器以及滤波器等进行相关处理以后传入电脑内进行采样。然后电脑继续发出信号进行选通，扫描阀进入下一个通道，与此同时，计算机