高层建筑风压特性及风荷载反演研究

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超高层建筑作为城市建筑的主要形式,结构具有频率低和阻尼小的特点,使得风荷载常成为超高层建筑设计的控制荷载。风荷载的现场实测往往较难实现,基于实测风致响应,通过动力学反分析对风荷载进行反演是一种有效的手段。本文基于离散型卡尔曼滤波的反演方法,通过对气弹模型测压测振试验和刚性模型同步测压试验的结果进行分析,验证了反演方法的准确性和精确性。  为一个通用性强的气弹模型骨架设计了 CAARC高层建筑标准模型外衣,在风洞实验室进行风致振动和建筑表面风压的同步测量。基于该气弹模型的测压试验结果,对比分析了建筑表面平均和脉动风压系数随风向角、测点高度的变化规律,得出气弹模型表面的平均风压和脉动风压变化规律与刚性模型一致。研究了脉动风压在时域内的水平和竖向相关性、在频域内的水平和竖向相干性,发现气弹模型的脉动风压相干性衰减系数与刚性模型分布范围接近,但是拟合效果略差于刚性模型结果。  对多自由度气弹模型进行多组静力拉伸试验,识别了结构的自振频率和固有阻尼。对风洞试验测得的结构风致加速度运用随机减量法(RDT),并结合 ARMA模型时序法,识别出气弹模型的总阻尼,计算出各折减风速下的气动阻尼,研究了各风向角下气动阻尼随风速的变化规律。  对气弹模型进行风洞试验,基于离散型卡尔曼滤波技术,对测得的风致加速度响应进行风荷载的反演,并与测压试验的计算结果进行对比验证。研究了模态阶数、试验风速、反演荷载层高度等因素对气弹模型反演精度的影响,结果表明,在模态阶数满足能量贡献率大于99%的要求时,所取模态阶数越高,反演的精度越高;在本试验风速范围内,控制风速越高,反演精度越高;反演荷载层高度处于中上部时,反演精度相对下部较高。通过风洞试验测得的部分层响应去识别其他层响应,识别的响应与试验测量响应的时程和功率谱均吻合较好。  对一栋超高层建筑的刚性模型进行同步测压风洞试验,对离散型卡尔曼滤波反演方法的准确性进行评估。将反演所得风荷载与准确风荷载进行对比,研究表明:两种风致响应作为输入变量的情况下,反演荷载与准确荷载的时程和功率谱都吻合得较好,且位移响应的反演效果略优于加速度响应。
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