基于实测加速度的高层建筑风荷载反演研究

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风荷载是高层建筑的主要水平荷载,也是高层建筑结构设计的关键荷载之一。现场实测和风洞试验是获取建筑风荷载的主要途径,但是风洞试验的结果存在近似性,试验的结果与结构受到的实际风荷载存在一定的差别,现场实测能够更真实的反映高层建筑结构表面的风荷载特性及其风致响应。在实测中,由于现场实测环境的复杂性和仪器数量有限,仅能获取有限测点处的风压。风荷载反演能掌握建筑上作用的风荷载情况,能够直接分析风的湍流特性,分析结构在台风发展的不同阶段的风荷载特性,对高层建筑结构的安全性检测具有重要的基础意义。高层建筑风荷载的实测受到建筑体量大、风荷载分布不均匀等诸多因素限制往往无法实现直接测量,然而风致响应的实测有着成熟的方法,由实测风致响应来反演高层建筑的风荷载就成了间接获取风荷载的一条重要途径。本文首先介绍在台风下沿海某高层建筑风致振动加速度响应实测过程,分析台风发展过程中平均风速、平均风向的变化及风致响应结果。并以加速度响应为基础分析了结构的模态。其次,风荷载的反演需要构建计算模型,高层建筑楼层过多,采用传统的一层楼盖简化为一个质点的葫芦串模型自由度比较多,在结构风致响应实测中也是无法实现。缩聚串联模型简化方法是将多层楼盖简化为一个质点的方法,在保证简化模型精确度的前提下能大大减少结构的自由度,方便分析和计算,也易于现场实测。因此建立了实测大楼的5质点弯剪层简化模型,简化模型与实际结构质量和刚度均等效,动力特性也相似。以该模型的物理参数为基础进行后文的风荷载反演。再次,对去噪后的加速度响应积分别获取速度和位移响应,结合简化模型的物理参数,采用脉动风荷载动平衡方程反演简化模型上各个质点作用的脉动风荷载。结构的基频主导了结构的风致响应,以反演的风荷载为基础结合平均风速、平均风向反推了各测点层顺风向和横风向脉动风速时程和湍流度,结果表明顺风向湍流度沿高度均大于横风向湍流度。最后,将反演的脉动风荷载与平均风荷载叠加为总的风荷载,将该风荷载作用于简化模型上,进行风致响应的时程分析。加速度响应的时域和频域两方面都比较吻合,证实了反演风荷载的正确。
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