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基于极值相关性的超高层建筑风荷载组合研究1

发布者:江苏扬州市恒运消防设备有限公司-不锈钢消防箱,消火栓箱,消防箱生产厂家  发布时间:2019-09-09  阅读:462次
为了研究不同长宽比超高层建筑三维风荷载组合,通过高频测力天平风洞试验得到了 5 种长宽比的矩形超高层建筑基底剪力、弯矩和扭矩时程。 基于试验数据和计算结果, 分析了三维风荷载效应的分布及其极值相关性。 在此基础上,对比分析了不同长宽比的超高层建筑顺风向与横风向、顺风向与扭转向以及横风向与扭转向之间的风荷载效应极值分布规律和统计参数。 最后, 采用概率统计方法评估了不同长宽比对结构三维风荷载组合系数的影响,并给出了一组基于极值相关性分析的结构三维风荷载组合系数推荐值。 结果表明: 对超高层建筑来说,虽然不同方向风荷载效应之间相关系数可能很低, 但其三维风荷载效应极值相关性不可忽略; 以横风向或扭转向为主方向进行组合时, 其余方向同步比值存在明显的非高斯分布特性; 对于不同长宽比超高层建筑,其极值相关性的差异会导致组合系数存在差别,在确定风荷载组合方法时,应考虑长宽比的影响。
    扬州市恒运消防设备有限公司主要生产:消防箱消火栓箱不锈钢消防箱消防水带消防栓箱、自救卷盘(消防水喉、消防软管卷盘)、聚氨酯消防水带、PVC消防水带等产品,是江苏省公安厅消防局消防设备定点生产企业,中国消防协会技术与产品信息中心成员之一。
  0 引言
    对于高层、超高层建筑,风荷载往往是其结构设计的控制荷载。 对风荷载的准确把握是进行结构抗风设计的前提。如所知,风对结构的作用是三维的[1-3], 包顺风向、横风向风荷载和绕竖轴的扭矩。 在进行结构抗风设计时,应考虑此三维风荷载的共同作用。 自Davenport 率先提出阵风荷载因子法[4]进行结构顺风向等效风荷载评估以后,各国学者先后开展了结构三维等效风荷载评估方法的研究[5-9], 提出了在一定保证率结构三维等效风荷载计算方法。 在高层建筑方面, 通过将结构等效风荷载分为拟静力项和惯性力项邹良浩等[10]Zhou [11, 12]推导了结构的等效风荷载评估方法。
    然而, 考虑到结构三维风荷载的随机性, 如何合理的将三维等效风荷载作用于结构, 即合理进行三维风荷载组合是结构设计兼顾安全性与经济性的重要保证。对三维风荷载组合问题的研究可以追溯到
20 世纪70 年代, Melbourne[13]通过分析高层建筑加速度响应概率分布, 开始关注不同方向风荷载效应的相关性问题。此后, Vickery [14] Solari [15-16]Uematsu[17]等分别针对圆截面烟囱、 杆状塔结构与挑蓬屋盖结构的顺向与横风向风荷载相关性和风荷载效应组合进行了研究, 提出了相应的荷载组合方法。 Tamura [18-21]提出结构三维风荷载极值的相关性与其风荷载相关性存在区别,并通过分析风洞试验得到的结构三维风荷载极值的相关性,对结构顺风向、 横风向和扭转向拟静力项风荷载组合方法进行了系统的研究, 认为即使是低矮建筑也应该考虑三维风荷载组合效应的影响, 该研究成果被应用于日本荷载规范。 国内的学者对高层建筑风荷载组合方面也有相关研究, 涂志斌等[22]和姚博等[23]基于 Copula 函数构造了高层建筑风荷载联合概率密度函数,并提出相应组合系数。 上述研究对确定高层建筑三维风荷载组合方法提供了参考。然而此前的研究往往集中于低矮或者中等高度高层建筑, 主要关注风荷载拟静力项部分, 对于超高层建筑而言,风荷载惯性力项的影响不能忽略; 同时, 组合方法中对建筑结构外形(如长宽比等) 涉及较少, 对于不同长宽比结构超高层建筑,其三维扰流以及尾流激励情况存在一定的差别[24-25], 其三维风荷载效应的组合可能也存在差别。因此有必要研究不同长宽比结构的三维风荷载组合效应。
    基于以上分析, 本文基于高宽比
10 5 种长宽比矩形截面超高层建筑刚性模型高频测力天平试验, 并通过振型加速度法[10]计算考虑惯性力项风荷载的高层建筑结构基底恢复力, 对高层建筑三维风荷载不同方向风荷载效应极值间相关性进行了系统研究, 分析各方向风荷载极值对应的其他方向风荷载的同步值及其概率分布随建筑物截面长宽比的变化规律。 在此基础上提出一方向取极值时, 其余方向在不同保证率下各长宽比的超高层建筑三维风荷载组合方法。 并给出了一组基于极值相关性分析的结构三维风荷载组合系数推荐值。
1 风洞试验
1.1 试验模型
试验通过使用高频测力天平对高层建筑刚性模型
    进行测力试验,模型主体为轻质木板,内部填充泡沫支撑,以保证模型质量轻、刚度大,模型几何缩尺比为1:300,底部与铝制连接板固定,铝板固定在高频测力天平上。试验共制作三种截面形式的模型如图 1a 所示,根据迎风面与侧风面长宽比(D/B)不同,分为 1/31/21/12/13/1 5 种工况。模型截面参数及尺寸如图1b 和表 1 所示,其中工况 1 与工况 5 模型外观相同,但工况 1 为模型窄边迎风,工况 5 为模型宽边迎风; 工况 2 与工况 4 与之类似。所有工况顺风向与 Y 方向重合,横风向与 X 方向重合。
试验模型及截面参数
1.2 风场的模拟
    本次风洞试验在武汉大学 WD-1 风洞实验室中进行。该风洞试验段长××高为 16 m×3.2 m×2.1 m,最大风速为 30 m/s,试验风速由 1~30 m/s 连续可调, 均匀流场紊流度小于1 %。采用档板、尖塔、粗糙元等装置模拟 C 类地貌风场, 模拟风速谱为 Von Karman [26],如图 2 所示,图中 /
znz V 为无量纲频率; nSV n ( ) /2为无量纲风速谱。 风洞模拟的 C 类地貌风速剖面和紊流度剖面图如图 3 所示,图中 z H / 为结构相对高度;/V V z H z 高度处风速与参考风速比值; IU 为来流风湍流度。 由图 2、图 3 可知,试验风速谱曲线与 VonKarman 谱曲线、试验风剖面与 C 类地貌风剖面趋势一致,表明试验风场与 C 类地貌理论风场吻合较好。
归一化风速功率谱
类地貌边界层平均速度和湍流度剖面模拟

1.3 试验方法及数据处理
    试验采用 6 分量高频测力天平,采样频率为 500Hz,采样时间为 600 s。 试验时风速仪安装在 1 m 高度处,试验风速设置为 7 m/s10 m/s 11 m/s 三种,对应的时间缩尺比分别为 1:421:60 1:66。高频测力天平得到的数据为风荷载拟静力部分,对得到的每个工况风荷载时程数据进行处理,采用参考文献[10]中提出的振型加速度法,假定结构为线性振型,结构频率根据我国规范[27]取值,计算得到由风荷载拟静力项与惯性力项两部分组成的结构基底恢复力时程, 进而研究高层建筑结构三维风荷载效应极值相关性。
2 结构风荷载效应相关性分析
2.1 风荷载系数计算
    采用通过处理测力天平试验数据得到的考虑惯性力项的建筑基底风荷载恢复力,包括两个水平方向的基底剪力 FX FY 和扭矩 M , 结构风荷载系数 CX CYCT 分别由下式得到:

式中, w v 0 = 0.52 为参考风压; 为空气密度; v为测试平均风速; 文中所有表达式, Y 表示顺风向分量,X 表示横风向分量, T 表示扭转向分量。
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