大跨屋盖结构风致振动

1、强/台风场作用下大跨屋盖结构风致振动的原型实测及风洞试验研究项目批准号：90715025项目类别：培育项目执行期：2008.01-2010.12 项目负责人及单位：傅继阳 研究员 暨南大学研究进展：一、 研究计划要点 在广州国际体育演艺中心上安装风速仪、加速度传感器和风压传感器等实测所需的仪器设备，利用远程控制技术建立起大跨屋盖结构的台风风场特性与结构风振响应远程实时同步监测网络，选择适当时机进行现场实测，并及时分析数据。 实施广州国际体育演艺中心的刚性模型的风洞多点同步测压试验，计算出结构的风振响应和等效静力风荷载。 将广州国际体育演艺中心的原型实测结果、风洞试验及数值分析结果进行比较，以验

2、证风洞试验及数值分析方法和结果的合理性与准确性，总结出相关的规律和特征，并在此基础上提出改进风洞试验模拟方法和数值分析方法的措施。二、研究进展1. 广州国际体育演艺中心（NBA ）屋盖风压分布特性及风致响应研究。以NBA 场馆为案例，进行了刚性模型多点同步测压风洞试验。试验模型的几何缩尺比为1: 200，在其上表面及4个侧立面共布置了629个测压点，试验以36个风向角在B 类地貌湍流边界层的来流条件下进行。本项目分析了NBA 场馆的风压分布特征，并将风洞实验所测得的数据结合结构有限元模型计算了结构风致响应，包括以下主要研究内容和基本结论： 对屋盖风压分布特征分析按照广州地区50年重现期的基本风

3、压0.50kN/m2考虑，屋盖结构的极值正压出现在东立上部距地面高度24m 的幕墙位置，极值正压为1.422kN/m2，这表明东立面东侧的低矮附属建筑物可能对幕墙风压产生不利影响；极值负压出现在屋盖上表面，为-2.501kN/m2。 采用完全二次型相关法（CQC ）计算了结构的风致响应。结构共有4270个有限元节点，单节点按6个自由度考虑。首先采用测点风压影响系数矩阵将风洞测压试验所得到的风压时程转化为作用于有限元节点上的风荷载，然后在频域采用CQC 方法计算出结构的风致位移响应，需要说明的是，为了提高计算速度，本项目采用了有关文献中提出的与CQC 方法完全等价的快速算法（谐波激励法）。计算结

4、果表明，屋盖的最大峰值位移响应发生在320风向角下的19号节点（主桁架梁的跨中位置），峰值位移为9.7mm ，其中平均风荷载作用导致的位移约为8mm ，风振系数约为1.4。 考察了分别计算背景响应和共振响应，再将其进行平方和开方所得的总响应结果（近似解）与CQC 方法所得的响应（精确解）之间的误差。对于典型有限元节点的分析表明，均方根位移响应的近似解与精确解的误差可达30%，对应的总响应的相对误差可达12%。近似解在某些节点可能高估结构的风致响应，而在其他部分节点则存在低估结构风致响应的现象，从而导致采用这些结果作为结构设计依据既可能导致结构过于保守使得建材浪费，也有可能使得结构处于不安全状态

5、。分析认为，忽略背景响应和共振响应之间的相关性是造成近似解误差的主要原因，对NBA 场馆部分节点的背景响应和共振响应之间的相关性分析表明，两者相关系数绝对值可高达10%20%。CQC 方法既能考虑多阶模态的影响，也能考虑各阶模态之间的耦合效应，因此，在工程中应采用CQC 方法所得的精确的响应计算结果作为确定结构等效静力风荷载的依据。2. 广州国际体育演艺中心屋盖等效静力风荷载研究。等效静力风荷载是运用某响应量极大值相等的原则，将作用在屋盖表面上的时变风荷载等价为一组静力荷载，从而可以方便地提供给结构工程师进行荷载组合与结构设计。本项目在采用完全CQC 方法精确计算结构风致响应的基础上，基于荷载

6、响应相关法（LRC ）法研究了NBA 场馆的结构等效静力风荷载。包括以下主要研究内容和基本结论： 采用上述方法得到的等效静力风荷载与用规范方法所计算的荷载值相比，规范方法所得结果偏于保守。 为了验证等效静力风荷载计算方法的有效性，本项目对比分析了直接采用CQC 方法得到的峰值位移响应与将等效静力风荷载作用于结构上所产生的位移，结果表明，两种方法在位移最大节点所得的结果是一致的，而在其他位置所得的位移值与位移变化梯度都有很大差别。这是由于节点振动实际上处于一个振幅区间，不可能所有节点同时达到位移最大值。按照所有节点同时达到最大值进行计算显然偏于保守，将导致不必要的浪费。等效静力风荷载计算得到的响

7、应是当指定位置的响应的最大值和真实情况相同的情况下，结构其它部位响应的实际值，这也说明等效静力风荷载计算方法是合理的。 本项目方法的关键优点在于不再分别计算结构的背景响应和共振响应，而是采用完全二次型组合法直接计算结构的整体动态响应；而且该方法还考虑了多阶模态的贡献以及各阶模态响应间的相关性。与已有文献的方法相比，本方法的优点更在于可以计算高层建筑、高耸建筑、大跨屋盖、桥梁等任意复杂体型的建筑结构的等效静力风荷载，即使这些复杂结构具有三维的多阶模态，或者各阶固有频率均非常接近的情况也能处理。3. 广州国际体育演艺中心健康监测研究。在NBA 场馆的适当位置安装了超声风速仪、螺旋桨风速仪、加速度传

8、感器、风压传感器和应变传感器等健康监测所需的仪器设备，利用远程控制技术建立起大型复杂土木结构的台风风场特性与结构风振响应远程实时同步监测网络，并对其进行调试，做好了现场实测的准备。包括以下主要研究工作和基本结论： 自主研发了基于网络新技术的大型复杂土木结构的健康监测系统，该系统具有如下特点：传感器与主控计算机之间通过子站进行数据采集与传输，实现了各种类型数据（风速、风压、加速度、应变等）的采集界面统一化、数据存储数据库化，从而能够方便的实现数据的远程传输与共享；基于IPV6的数据传输技术的应用保证了实测数据不间断的通过以太网传输到远程监控中心，监测人员无需在建筑物现场即可完成所有操作，真正实现

9、了远程同步监测；系统实现了高可靠性，如果控制采集子站运行的前端主控电脑出现故障，将由备用电脑在数秒钟之内自动启动并接管主控电脑的所有任务，从而保证数据采集和传输不会中断；该系统还采用了数据挖掘技术，将大量监测数据进行清理、集成、选择、变换和挖掘，进而进行评估、预测和可视化，从而大大提高了数据的存储和分析效率。 在广州国际体育演艺中心主场馆施工和设备安装过程中，传感器布设与现场施工协调进行，通过该健康监测系统对结构进行了持续、全方位的健康监测，有效地指导施工过程，为施工过程中相关控制措施的采取及评价提供了可靠的依据，有力地保证了整个项目的施工进度和施工安全。 已有的建筑物风效应实测研究多关注于风速、风压及加速度、位移等结构响应，本项目除也进行此类研究之外，还在结构主桁架的上弦杆、下弦杆和斜腹杆的关键位置上安装了应变传感器，可以实测台风过程中主要杆件的变形并在此基础上计算其应力变化情况；同时本项目还以建筑物生命周期为导向，建立了广州国际体育演艺中心结构健康监测档案，为结构的安全运营和维护维修提供完整的数据资料，相关研究成果可为工程结构抗风的相关研究提供参考。三、存在的问题及工作打算1对大跨屋盖结构风致响应和等效静力风荷载的研究目前仅限于以峰值位移等效为目标，应进行多目标的计算，还应考虑主要杆件应力等为目标的等效静力风荷载，项目组计划在此方面开展进一步的