基于高频底座测力天平风洞试验的超高层建筑抗风优化设计研究

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3、生□双证专业学位研究生□证专业生Ｎ单学位研究卫星孙学位：申请人Ｖ安副究员吴玖、徐研荣教授导师姓及职称：名土木工程学院）学院（研究所；工结构程学科专业：（领域）二—〇七年六：月论文提交：日期广州大学硕士学位论文基于高频底座测力天平风洞试验的超高层建筑抗风优化设计研究专业：结构工程硕士生：孙卫星指导教师：吴玖荣、徐安摘要超高层建筑具有柔度大、阻尼小等特点，属于典型的风敏感结构，风荷载是该类结构的主要水平控制荷载之一。风洞试验是获取超高层建筑风荷载与进行结构风效应评估的主要手段。本文基于高频底座测力天平（High-frequencyforce

4、balance，HFFB）风洞试验对超高层建筑的风效应与结构抗风优化设计的几个关键问题进行深入的研究，主要工作和创新之处包括：（1）基于瑞利商原理与功能转换关系，推导了圆钢管混凝土截面、箱型截面、工字型截面的应变能函数，并建立了结构自振频率约束的函数表达式。结合一21层框架结构优化案例分析验证了结构自振频率约束的正确性与后续结构抗风优化设计方法的可行性。（2）对高层建筑标准模型进行了HFFB风洞试验，采用两种方法分析了结构的风振响应，结果表明忽略背景与共振响应的相关性将给结构响应计算带来误差，在计算结构响应时有必要考虑背景与共振响应的相关性。基于HFFB技术讨论了一种考虑背景响应与共振响

5、应相关性的等效静风荷载计算方法，并通过案例分析验证了该方法的必要性与正确性。（3）基于HFFB风洞试验对一46层超高层建筑进行单风向下的抗风优化设计研究，建立了超高层建筑抗风优化的数学模型，并通过拟合方式建立气动弯矩功率谱密度和频率的函数关系，进一步建立结构加速度响应关于结构自振频率的显式表达式，将结构加速度约束转化为结构自振频率约束。案例研究结果表明结构在优化前不满足结构安全性和舒适度指标要求，而优化后满足这两者要求，且使结构总造价最低，说明了对超高层建筑进行抗风优化设计的必要性。此外，研究了结构在不同风气候下的抗风优化设计结果，分析了参考风压取值对于优化后结构总造价的影响。（4）为了

6、使结构的风荷载更加接近真实风环境，根据第三方咨询公司所提供的广I基于高频底座测力天平风洞试验的超高层建筑抗风优化设计研究州地区风气候模型来考虑风向因子对于超高层建筑风效应与抗风优化设计的影响。结合HFFB风洞试验对一46层超高层建筑进行考虑风向因子的抗风优化设计研究，优化结果表明，考虑风向因子可以提高优化空间，在满足所有约束条件的情况下，目标函数低于单风向下的优化结果，说明了考虑风向因子的必要性和意义。此外，在此基础上，基于HFFB技术推导了以结构自振频率为变量参数的位移响应的显式表达式，并建立了与自振频率约束等效的位移约束，实现了在优化设计中以频率约束取代位移约束的目的。最后将根据自振

7、频率建立的位移约束与根据虚功原理建立的位移约束下的优化结果进行对比，结果表明，在满足约束函数的前提下，两者优化后的结构总造价仅相差0.7％，这说明了该方法的正确性和可行性。关键词：高层建筑；风洞试验；风效应；结构抗风优化II广州大学硕士学位论文Wind-resistantstructuraloptimizationofsuper-tallbuildingsbaseonthewind-tunneltestofhighfrequency