高层结构风致响应的实测与可视化研究

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随着轻质高强材料的应用,使得高层建筑具有轻质、高柔、低阻尼的特性。在台风作用下高层建筑易产生较大的风致振动,影响着结构的安全性及其居住舒适性。在台风登陆时,通过现场实测获取高层建筑的风致响应数据,可以有效的了解建筑结构的运行状况。其中,结构风致位移响应是反映结构在风荷载作用下振动状态的重要指标,但是由于仪器设备的限制,高层建筑结构的动态位移响应无法直接测量。同时,实测数据的表达方式往往采用二维图表的形式,可视化程度低,不便于研究人员了解实测结果。本文依托以台风“玛莉亚”登录时,温州某高层建筑的结构风致响应的测量以及实测结果可视化显示方法进行了研究,具体的研究内容主要归纳如下:首先,对高层建筑台风现场实测的场地、实测建筑、实测系统以及实测台风“玛莉亚”进行了介绍。通过实测获取了该建筑物的几个重点楼层的加速度响应及楼顶部的风场数据。同时,介绍了模态识别的方法与理论,通过对实测数据进行处理成功识别出该高层建筑动力特性参数,两个方向平动模态的频率和振型相近,表明实测结构两个方向的刚度大小较为接近。其次,介绍了结构风致位移响应计算方法。结构风致位移响应的计算分为脉动位移计算和静态位移计算。对于脉动位移计算,本文通过轮次检验法判别结构是否处于平稳振动阶段。选用平稳振动阶段的加速度数据,识别加速度时程中的极值点,以改点作为加速度的积分起点进行积分,再进行去趋势项处理得到速度时程。进而识别速度时程中的极值点,以改点作为速度积分的起点,再进行去趋势项处理得到脉动位移时程。对于平均位移计算,运用等效原理将实测建筑结构简化为五质点的弯剪层模型,利用风速和风向数据转化为平均风荷载,将平均风荷载施加到实测建筑简化模型上,计算得到结构的静态位移。将二者相叠加得到加速度测量楼层的风致位移响应。再运用线性插值法得到非加速度测量楼层对的风致位移响应。解决了高层建筑结构的风致位移响应无法直接测量的问题。对计算得到的风致位移响应进行分析分析,结果表明结果风致位移响应的均根与峰值随高度增加而增大,且两个方向的值大小较为接近。再次,介绍了Revit软件、Revit模型的创建过程以及BIM模型文件格式转化。同时,介绍了开发实测数据可视化显示系统涉及的Web GL及Java EE等计算机技术,并选用Three.js技术将转化后的BIM模型数据进行解析,成功的在Web端对实测建筑BIM模型进行了重构。解析重构的BIM模型与Revit中显示的三维模型结构连接与材质无变化,仅在光照和纹理图上有些许不同。并且通过转化后的BIM模型数据格式,有效的提高了电脑解析BIM模型的效率,为实现在BIM模型上进行结构风致响应动态显示奠定了基础。最后,利用BIM、Web GL及Java EE等技术,开发了基于BIM模型的结构风致位移响应的可视化显示系统。利用BIM技术三维可视化的优势,实现了将建筑与实测数据的联动,成功的在建筑BIM模型上对由实测数据计算得到的结构风致位移响应时程进行动态显示,使实测结果便于理解。
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