调谐液柱阻尼器-结构系统风致振动响应的CFD/CSD耦合分析方法

针对调谐液柱阻尼器(tuned liquid column damper, TLCD)难以建立其精确的非线性理论分析模型,且其力学性能试验成本高和耗时长等问题,首先采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对TLCD系统的力学性能和动力特征进行仿真模拟,在此基础上进一步提出了基于计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合分析方法,求解带TLCD系统的高层建筑结构的风致动力响应。通过开展某一TLCD系统在特定底部激励下的力学性能和动力特性试验,得到其内液体晃荡的自由液面波高和晃动力时程,验证了CFD数值模拟方法可以准确地分析TLCD水箱内液体的非线性晃动特征。随后对风工程领域广泛采用的76层建筑结构振动控制Benchmark模型,假设其顶部设置TLCD系统时主体结构在三种风速重现期(10、50和100年)风速对应的横风向动力风荷载激励下的风致控制效率,采用提出的CFD/CSD耦合分析方法,进行了数值仿真模拟分析。耦合分析结果表明,TLCD系统对Benchmark模型的风致加速度、速度和位移响应均有一定的控制效果,对加速度响应的控制效果要优于对位移响应的控制效果。该研究方法可为复杂TLCD系统对高层建筑的风振控制分析提供有效的参考。

基于DIC技术和贝叶斯FFT方法结合的结构位移监测和模态参数识别

文章基于计算机视觉技术拍摄的一系列结构振动图像,运用数字图像相关(DIC)技术获取监测节点的亚像素振动位移数据,在此基础上,采用快速贝叶斯FFT方法对被测试结构的动力模态参数进行辨识。为了验证计算机视觉结构振动测试和快速贝叶斯FFT方法相结合在结构模态参数识别中的有效性和准确性,以某实验室5.6 m跨钢桁架模型的振动视频为算例,针对结构有无构件损伤等6种不同工况条件下的振动视频数据,进行振动位移的提取,进而分析桁架不同位置处监测节点识别位移与实际位移之间产生的误差大小及其原因,并借助快速贝叶斯FFT方法,对从不同部位采集的振动视频数据进行结构动力模态参数识别结果的精确度和不确定性对比分析。实验结果表明,文章将DIC位移测量技术和贝叶斯FFT方法相结合,能够有效实现对结构动力模态参数的精准识别。

基于图像的建筑裂缝损伤特征自动评估方法

采用计算机图像的识别技术,提出利用轮廓法对基于图像的建筑表面裂缝进行分割,然后对其损伤特征进行基于定量分析的自动评估方法进行研究,详细介绍了其运行过程及实现步骤。研究发现在既有建筑物宽裂缝与细小裂缝的图像识别中,均能比较准确地定量测量出裂缝的面积、长度和宽度特征。

某办公区设备房冷却塔噪声预测分析

本文采用噪声预测与评估模拟软件,对某办公区设备房天面层由于安装了冷却塔机组后,进行了冷却塔机组的噪声预测分析,并与有关国家标准中相关规定进行了对比分析。通过对单台冷却塔进行噪声源强模拟分析,并与设备厂家提供的在噪声标准点的测量声压级作比较,以校核噪声源强模拟分析时所采用的各面声源源强的声功率值。再进一步考虑所有冷却塔均运行时,依据前述得到的面声源声功率数据,借助噪声预测分析软件,预测得到小区设备房,以及周边环境敏感点建筑物外的环境噪声。模拟计算分析结果表明:小区设备房区域范围内冷却塔白天高峰运行时,其预测噪声值并未超标厂界噪声标准。

装配式钢结构系统选型及节点连接技术分析

装配式钢结构模块化施工技术作为一种先进的施工方法,与传统现场施工技术相比,它提供更快的施工、更安全的制造、更好的质量控制和更低的环境影响。随着结构系统形式和材料的不断发展,装配式模块化施工方法在高层钢建筑中的实际应用潜力巨大。本文介绍了钢建筑装配模块化施工技术的最新进展,重点介绍装配式钢结构系统和节点连接技术的比较与分析,对高层装配式钢结构建筑的施工具有一定的参考价值。

某百米级高层隔震结构风致效应研究

现行规范采用静力设计的方法可能对高层隔震结构的风致效应考虑不足,为此深入研究了高层隔震结构抗风设计与风致效应,结合现行规范提出高层隔震结构风致效应分析框架,并针对中国某百米级实际工程隔震结构展开风致效应的分析与评估。结果表明:现行规范采用等效静力的计算方式低估了高层隔震结构实际所受的脉动风作用,通过风荷载时程分析发现,隔震层X、Y向的水平剪力相比风荷载标准值作用分别增加了23.8%和27.7%,但从设计的角度出发,现行规范取1.4的分项系数能满足隔震层抗风稳定性的要求;在10年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部存在舒适度的问题,最大风振加速度达到16.2 cm·m^(-2),超出规范限值8%;在1年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部的最大风振加速度达到7.6 cm·m^(-2),其居住舒适性更难以满足,高层隔震结构的舒适度问题在今后的抗风设计中应予以重视;提出的分析框架能较系统和全面地反映高层隔震结构风致效应,可为现行规范提供理论参考依据。

内置垂直格栅矩形TLD水箱液体晃动特征的CFD数值模拟

为研究内置垂直格栅矩形TLD(Tuned Liquid Damper)水箱在外加水平激励下液体的晃动特征,文章基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,建立了相应的TLD水箱模型,并利用FLUENT软件进行液体晃动的力学性能数值模拟。将文章CFD数值模拟结果与已有类似试验的实验数据进行对比分析,进一步验证了CFD数值模拟结果的正确性。研究结果表明:①随底部水平外激励幅值的增加,液体晃动非线性逐步加剧,液体晃动幅度、阻尼比增大,无量纲水平控制力最大值逐步减小;②把垂直格栅放置在液体一阶晃动模态的归一化最大振幅处,能够有效地抑制液体晃动的非线性现象,垂直格栅放置位置越靠近水箱中部,TLD系统阻尼比越大;③随着TLD系统的水深比增大,内置垂直格栅构件的布置位置和尺寸相同时,TLD系统的阻尼比逐渐减小。

利通广场台风特性与风致振动分析

对利通广场实施了在台风"韦森特"影响下的楼顶风速、风向和风致加速度响应的实时同步测试。获取了本次台风影响时此超高层建筑顶部的湍流强度、阵风因子及脉动风速功率谱密度等风场特性。通过对风致加速度的分析,研究了风致加速度的频谱特征、结构自振频率及其振型等相关动力特征,采用随机减量法求得结构第一振型阻尼比与振幅的非线性关系。另一方面,通过对此超高层建筑在无风荷载的环境激励条件下GPS楼顶位移的测试和分析,探讨了GPS多路径效应的形成机制及消除方法。并将GPS位移以及风致加速度获得的结构自振频率,与有限元分析结果进行对比分析,验证了两种测试方法均能有效识别实际结构的自振频率等动力特征。上述实测分析结果可为超高层建筑抗风设计提供参考。

顶部带FPS-TMD系统的高耸结构风振控制效益分析

将摩擦摆FPS和调谐质量阻尼器TMD系统相结合,建立和推导了顶部带FPS-TMD系统的高耸结构在风荷载作用下的风振控制非线性动力方程,讨论了利用Newmark-β法和迭代法结合求解上述非线性动力方程的解法。以广州新电视塔为例,通过选用影响其风振控制效果的不同参数(主体结构阻尼比,主次系统质量比,滑道不同摩擦因数以及滑道半径等)作用下的主体结构风致位移和加速度对比,对顶部带FPS-TMD系统的高耸结构风振控制效益进行综合分析。分析结果表明,相比无控结构而言,在不同控制参数情况下FPS-TMD系统具有不同的减振效果,通过合理选择FPSTMD系统的控制设计参数,可使得主体结构能够达到最佳减振效率。

考虑空间三维模态及振型修正的高耸结构风振响应分析

采用某假想格构式高耸结构电视塔的高频天平测力风洞试验结果,在对其进行半刚性处理的基础上,用六种不同的方法分别考虑空间三维模态、非直线振型及各方向气动载荷耦合等因素,并考虑单方向一维直线振型的风致位移响应计算结果,在五个不同风向角下进行了电视塔顶部位移均方根响应的对比分析,对比结果表明五个风向角工况下得到的结论基本一致,对比本文算例考虑空间三维模态、非直线振型及各方向气动载荷耦合等因素,进行修正计算的结果在x和y方向减少近21%～37%。相比而言仅考虑振型修正的结果,比仅考虑三维空间振型耦合或基底气动载荷的相关性所产生的差异要大。

基于遗传算法的摩擦摆TMD系统参数优化分析

为使高层建筑顶部设置双向摩擦摆(FPS-TMD)系统的风振控制效果达到最优,本文采用自适应基因遗传算法,对此类被动控制系统的滑道摩擦系数和两个方向滑道半径的优化设计进行相关研究。并以广州新电视塔为实例,以顶部有无设置FPS-TMD系统的主体结构顶部风致位移或风致加速度均方根之比最小为风振控制优化设计的目标函数,采用自适应基因遗传算法,利用精英保存策略、自适应交叉和变异算子,以及自适应罚函数处理主体结构的风致层间位移约束、顶层风致位移和顶层风致加速度响应约束条件。优化分析结果表明,采用本文的自适应基因遗传算法,可以有效地对顶部带双向摩擦摆TMD系统的高层建筑,进行风振控制条件下的系统参数优化分析。

用多质点—弹簧模型研究沉管隧道土体地震响应

在质点—弹簧体系数学模型的基础上,结合有限元分析,提出了沉管隧道土体地震反应的离散化分析方法,并结合广州洲头咀隧道工程实例,采用人工合成基岩加速度时程,运用时程动力法分析了隧道底部土体表面的地震响应时程,并与剪切波速传播理论的计算结果进行了对比.结果表明,采用质点弹簧体系计算得出的土表峰值位移较大,分析认为是由于弹簧质点体系计算中阻尼比取值小于剪切波速传播理论中阻尼比取值所致,建议在实际使用中采用质点弹簧体系的计算结果,按照剪切波速传播理论的计算结果可作为参考.

广州中信广场台风特性与结构响应的相关性分析

基于台风'达维'登陆时广州中信广场风场及结构响应的现场实测数据,对于风场特性和结构加速度响应状况进行了计算分析,计算分析结果表明,城市上空强风'达维'的湍流度比较大,在台风'达维'作用下结构的横风向响应与顺风向响应接近;同时在不同的时距条件下对风场特性与结构加速度响应的相关性进行了分析,由分析可知取3min为基本时距时风速与结构响应的相关性系数值较高,说明在确定结构的风荷载和计算结构风致响应时取基本时距为3min更为合理。

土木工程相关的台风近地风场实测研究

采用三维超声风速仪现场观测了台风"珍珠"和"派比安"的登陆过程,分析了两次台风过程的平均风速、风向变化历程以及台风脉动风速的概率密度分布,进一步研究了台风湍流强度、湍流积分尺度与阵风因子.结果表明:在低风速情况下,台风脉动风速接近正态分布,湍流强度与阵风因子存在近似线性关系,可用相关经验公式进行拟合。两次台风过程实测风速谱均可与某种理论谱模型较好吻合,通过拟合可以降低实测谱与理论谱的偏差。

Matlab内建psd函数在工程随机振动谱分析中的修正方法

介绍了工程随机振动功率谱的计算过程,并对工程计算中应用广泛的Matlab软件的内建谱分析函数psd进行了详细分析,指出了该函数在进行随机振动谱分析中存在的问题,给出了修正方法,通过算例计算验证了该修正方法的正确性.

高层建筑抗风优化设计和风振控制相关问题研究

高层建筑由于自振周期长、阻尼小,其高柔的特征使其对风荷载特别敏感,风荷载是沿海地区超高层建筑的主要水平控制荷载,因此在强/台风作用下,其抗风设计须在满足规范安全要求的前提下,同时又要经济实用和结构性能高效,为此,开展高层建筑抗风优化和风振控制方面的研究具有十分重要的现实意义。该文在对高层建筑抗风优化设计和风振控制研究现状做简要介绍的基础上,首先根据风荷载的特点,着重研究了考虑风速风向联合概率分布和基于可靠度及性能化的高层建筑抗风设计方法,采用最优准则法,以结构的总重或总造价为目标函数,以顶部位移、层间侧移以及顶部风致加速度为约束条件,对高层建筑结构杆件截面抗风优化设计的相关问题进行了研究。同时为提高基因遗传智能优化算法的收敛速度和获得最可能优化解,该文提出了传统基因遗传的改进算法(如基于改进罚函数及分级遗传算法)用于结构抗风优化设计。在结构拓扑抗风优化方面,则主要引入分层优化的概念,对变密度法和改进动态进化率的双向渐进拓扑优化方法,应用于抗风结构的拓扑构型优化算法进行了相关研究。通过实例分析验证了上述结构抗风优化算法的高效和正确性。在风振控制方面,该文结合摩擦摆系统和调谐质量阻尼器各自的优点,提出了摩擦摆调谐质量阻尼器(FPS-TMD)被动控制系统,对其力学和动力特性,以及高层建筑顶部带FPS-TMD系统的风振控制理论,进行了相关研究。以结构控制第三代Benchmark模型为实例,研究顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效果,同时结合该文开发的基于小型电振动台的实时混合实验测试平台,采用风振控制实时混合实验结果与理论模拟计算结果的对比,验证了该文提出的FPS-TMD被动控制系统,应用于高层建筑风振控制的有效性。

大跨屋盖结构风效应的风洞试验与原型实测研究

以广州国际会展中心为工程案例,进行了刚性模型风洞试验和有限元模态分析,在此基础上计算了屋盖的风致位移响应,结果表明,对于屋盖风振响应影响最大的因素是结构的基阶振型,其次才是风荷载;随着阻尼比的增加,位移响应谱的共振峰得到了有效平抑,峰值位移响应也随之减小.基于现场实测,提出功率谱点积识别大跨屋盖结构竖向整体振动固有频率的方法,并与有限元计算结果进行了对比分析,实测得到的前4阶固有频率与振型均能与有限元模型较好吻合,其中基阶固有频率的相对误差仅为0.3%,证明了该方法的有效性.

大跨屋盖结构考虑模态耦合的等效静力风荷载

基于荷载响应相关法提出了一种计算大跨屋盖结构等效静力风荷载的新方法.该方法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;而且这种方法能够考虑多阶模态的贡献和各阶模态响应间的耦合效应.最后,将一大跨屋盖结构(深圳市民中心)作为实际工程应用案例,计算了它的等效静力风荷载,并将其与其他方法的计算结果进行比较,以验证方法的有效性.

大跨楼板结构的车致竖向振动控制

为解决地下停车场内车辆通过减速带致使上部楼层竖向振动不满足舒适度要求的问题,提出一种用于楼板结构的车致竖向振动控制的减振装置。基于被控结构-减振带-车辆的一体化有限元模型,以楼板结构竖向振动加速度幅值及车辆荷载幅值为指标,对减振带进行参数优化分析,并通过实地实测验证了所选参数的合理性与减振带的有效性。

高层建筑实测风场环境的非平稳性分析研究

首先采用应用较广泛的矢量分解法,对超高层结构西塔顶部的实测数据进行处理,总结了矢量分解法的三个方面的局限。然后针对这些局限且为获取较准确的脉动风速时程,考虑了风速非平稳特性,给出了获取螺旋桨风速仪的正交两方向的脉动风速时程的平稳模型与非平稳模型的数值表达公式。依据上述两种风速模型,进一步从湍流强度、阵风因子、概率密度分布和风速谱等指标进行对比分析,结果表明非平稳风速模型能更精确地描述高层建筑顶部实测风速数据的真实状态。