基于風(fēng)洞試驗(yàn)的超高層建筑風(fēng)振響應(yīng)分析

(華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 廣州 510641)

引言

超高層建筑結(jié)構(gòu)具有柔度大、質(zhì)量輕、周期長(zhǎng)和阻尼比小的特點(diǎn)，屬于風(fēng)敏感性結(jié)構(gòu)，受風(fēng)荷載的影響很大，風(fēng)荷載是超高層建筑結(jié)構(gòu)安全性和舒適性設(shè)計(jì)的控制荷載[1]。目前分析結(jié)構(gòu)的響應(yīng)主要有頻域法和時(shí)域法，頻域分析方法更加方便快捷但無(wú)法有效考慮作用于結(jié)構(gòu)上的荷載的時(shí)間性影響，也無(wú)法有效考慮幾何非線性和材料非線性的影響，不適用于結(jié)構(gòu)高層建筑的舒適度分析。本文以珠海某超高層建筑為工程背景，通過(guò)ETABS有限元軟件建立三維計(jì)算模型，基于風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析[2]，并將時(shí)程分析與頻域分析方法進(jìn)行對(duì)比，為工程設(shè)計(jì)提供建議。

有限元建模及風(fēng)荷載時(shí)程的獲取

本工程為框架核心筒結(jié)構(gòu)，建筑總高度236.1m，共51層，采用ETABS有限元軟件建立模型，對(duì)樓板進(jìn)行剛性隔板假定，有限元模型如圖1所示。本文針對(duì)該工程行了風(fēng)洞試驗(yàn)，使用實(shí)驗(yàn)室PWISR軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了36個(gè)風(fēng)向角的樓層風(fēng)荷載時(shí)程數(shù)據(jù)。之后使用MATLAB軟件讀取該數(shù)據(jù)得到了作用在實(shí)際結(jié)構(gòu)樓層處的X、Y軸向和扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)荷載時(shí)程記錄，其中作用在結(jié)構(gòu)頂層X(jué)軸向風(fēng)荷載時(shí)程如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 作用結(jié)構(gòu)頂層X(jué)軸向風(fēng)荷載時(shí)程記錄

風(fēng)振響應(yīng)分析

使用ETABS有限元軟件將風(fēng)荷載時(shí)程加載到剛性隔板質(zhì)心，采用時(shí)程分析方法分析結(jié)構(gòu)的頂部順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度響應(yīng)，0度風(fēng)向角順風(fēng)向加速度時(shí)程和橫風(fēng)向加速度時(shí)程如圖3、圖4所示。

圖3 順風(fēng)向加速度時(shí)程

圖4 橫風(fēng)向加速度時(shí)程

對(duì)比采用實(shí)驗(yàn)室PWISR軟件所用頻域方法和時(shí)程分析方法計(jì)算得出的加速度響應(yīng)，表1為0度風(fēng)向角時(shí)域分析方法與頻域分析方法結(jié)構(gòu)頂部加速度響應(yīng)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。

表1 風(fēng)振加速度對(duì)比(cm/s2)

結(jié)論

結(jié)構(gòu)頂層橫風(fēng)向的加速度響應(yīng)明顯大于順風(fēng)向加速度響應(yīng)，根據(jù)規(guī)范要求住宅結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度限值為15cm/s2，結(jié)構(gòu)頂部橫風(fēng)向加速度響應(yīng)已經(jīng)超出限值，應(yīng)對(duì)橫風(fēng)向響應(yīng)進(jìn)行風(fēng)振控制。時(shí)程分析方法和頻域分析方法的對(duì)比結(jié)果說(shuō)明將風(fēng)洞試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)的風(fēng)振時(shí)程分析相結(jié)合用于研究結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)是可行的。