大跨结构风效应的现场实测和风洞试验及理论分析研究

摘要

随着科技的进步与新型轻质、高强材料的使用，建筑物不断向跨度越来越大、高度越来越高的方向发展，导致建筑物的柔度越来越大，自振频率与结构阻尼也越来越小，结构动力敏感性变大，风荷载成为此类结构设计的主控荷载。同时，大跨结构与超高层建筑往往是某区域的地标性建筑，因此有必要对这些建筑的风致荷载进行深入研究，以确保结构设计的安全。
　　 本文以广州国际会展中心为工程背景建立了风效应实时监测系统，测试了2008年台风“鹦鹉”登陆时风特性及风致振动响应，获得了有实际工程意义的大跨结构风效应的实测数据。采用功率谱峰值拾取法、频域分解法以及随机减量法拾取其振动模态，将实测结果与有限元数值计算结果进行对比，评估了数值计算的有效性；在时域内利用随机减量技术评估了大跨屋盖结构非线性阻尼比特征，并给出了随振幅非线性变化的阻尼比的取值范围；在大气边界层风洞中对该大跨结构开展同步多点测压试验，在时域与频域内详细分析风致荷载特性。在相同条件下，对比风洞试验加速度响应结果与实测结果的差异，评估了风洞试验手段的有效性。
　　 通过对某一大跨平屋盖结构开展6种来流湍流工况下的同步多点测压风洞试验，从涡心位置与旋涡作用范围深入研究了锥形涡的发生、发展机理。基于测点的脉动风压功率谱特性分析了特征湍流中旋涡脱落特点，分析了测点的概率统计特性，评估了脉动风压的非高斯特性。
　　 本文基于近海岸100米高测风塔的现场实测数据，分析获得了台风登陆时平均风速剖面与湍流度剖面。在大气边界层风洞中重现此台风风场与规范B类风场条件，分别对某一体育场刚性模型开展了测压试验工作，详细分析与对比了两类风场条件下大跨屋面风荷载分布规律特征，评估了台风风场条件下风荷载取值。
　　 对两个双曲面大跨屋盖结构开展了风洞测压试验，详细分析了双曲面屋盖结构体型系数的变化规律，并与规范值进行比较。同时以某一大跨度火车站建筑为工程背景，研究其在规范B类风场条件下的风致荷载特性，分析了站台轨道上火车数量对屋面风荷载的影响，基于测点的概率密度函数讨论了峰值因子的取值。
　　 本文基于POD技术将风压场分解为仅与时间有关的主坐标和仅与空间有关的本征向量的组合。编制了三角网线性插值法、最近邻点法、距离反比法和克里金法的Matlab插值法程序，对本征向量进行空间插值，实现了对大跨屋盖风荷载的空间预测，并从时域、频域以及统计特征上对比了4种插值方法获得的预测风压的误差水平。最后介绍了POD缩阶技术结合CQC法和SRSS法计算风致响应的过程，揭示了利用POD缩阶技术能大幅减少计算工作量。
　　 本文综合应用现场实测、风洞试验与理论分析等手段详细研究了大跨结构的风致荷载特性及风效应。研究成果可为大跨结构的风荷载设计提供依据。