高层建筑气动弹性的初步研究毕业论文.doc

摘要摘要随着科学技术的进步、社会的发展和城市化进程的加快，300米以上的高层建筑得到了迅猛地发展。由使用新材料、新工艺和新的施工技术建造起来的超高层建筑通常是轻质高揉结构，这类建筑对于风环境特别敏感，风荷载已成为超高层建筑的重要控制荷载。大量实验表明，超高层建筑的横风向动力响应通常要比顺风向的大。在工程应用中，横风向的等效静态风荷载有时甚至起到了决定性的作用。对于一些结构平面不规则的建筑，由于结构与风之间会相互影响，有时会使结构响应急剧放大而导致结构不稳定乃至破坏，影响结构使用和安全。因此，需要对一些超高层建筑进行气动弹性效应影响的研究。本文根据在建或已建成的众多超高层建筑为考虑对象，设计制作了具有一定通用性的方形截面气动弹性模型。该模型对应的原型为455m高，宽51米，高宽比为9：1。通过一系列的加速度风洞试验，运用随机减量技术(RDT)结合ERA特征模态分析法识别出了结构的动力响应参数。同时根据高层建筑结构振动控制原理，设计了倒悬质量块的减振装置(TMD)。通过可调质量块来改变减振装置的参数，使其达到最好的减振结果。结果发现，减振参数的选取对减振效果起着重要的关系。在00时对x方向（顺风向），降低了振动响应；由于减振装置的安装使结构的固有特性发生了改变，使得其对y方向（横风向）振动响应的控制非常有限，没有达到预期的效果。最后，通过和刚体模型数据进行了对比，发现在正常情况下，结构是很安全的，刚体模型试验数据是可靠的。虽然达到一定风速时，会有负的气动阻尼产生，但这只是短暂的且数值很小，可以忽略其影响。关键词：风洞实验；气弹模型；高层建筑；气动阻尼；随机减量技术；TMD减振控制；61AbstractAbstractAlong with societys development、improvement of technology and city-lized proceeding, many tall buildings are being constructed rapidly. For the use of new material、new craft and new construction technique， constructions are turning softer and lighter. To this kind of construction, the structure is especially sensitive to wind load. The wind load has become the extra-high buildings important controlling load.Massive experiments indicate that extra-high buildings dynamic response in crosswind is usually greater than that in along wind. In projects application, the equivalent crosswinds static wind load may play a decisive role. To some irregular structures, because of mutual influence between the structure and wind load, sometimes the dynamic response may be made to enlarge suddenly and cause the structure unstable. This will affect the structures use and security. Therefore, we need to do some aerodynamic research about the extra-high buildings.In this articles 3rd chapter, we design and manufacture a elastic model based on Guangzhou west tower which is 432m high, 3rd high in china and 6th in the world. The building selects triangle round arc plane and uses core barrel encryption rib column structure. Through a series of acceleration wind tunnel test, use Random Decrement Technology (RDT) and Eigensystem Realization Algorithm (ERA) method to analyze the structures dynamic response and characteristic parameter. By comparing with the rigid body model data, we discover that in normal conditions, the structure is very safe and the rigid body experiment data is reliable. Although at some certain wind-speed, it will appear negative aerodynamic damping, it is slight and short, and it will not result in the structures damage. Its negative influence can be neglected.In the 4th chapter, according to the high-rise constructions vibration control principle, we design a TMD device. Change the anti-vibrations device character to achieve its great effect. The result appeared that in 0 angle x-direction (along wind), the acceleration response was decreased. While in 0 angle y-direction (crosswind), for the device changes the structures character and makes the first prime frequency move ahead, the vibration in this direction turns bigger. To some extent, this makes the structure unstable.Key words: wind tunnel test; aero-elastic model; tall building; aerodynamic damping; Random Decrement Technology; TMD anti-vibration control;目录目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1引言11.2超高层建筑抗风试验概述11.2.1风的特性11.2.2风对建筑结构的作用21.2.3超高层建筑风洞试验31.3国内外在本方向的研究现状51.4本文的主要工作7第2章风洞实验技术及试验方案92.1实验设备92.1.1风洞92.1.2振动测试分析仪器102.1.3加速度计量设备112.1.4风速测量设备112.2风场模拟112.2.1风速剖面112.2.2湍流度122.2.3湍流积分尺度132.2.4脉动风空间相干函数132.2.5脉动风速谱132.2.6C类风场风速模拟142.3实验模型设计原理162.4工程概述和模型参数确定182.4.1工程概述182.4.2材料和试验参数192.4.3模型尺寸20第3章广州珠江新城西塔气动弹性效应283.1概述283.2试验数据分析方法与试验工况错误！未定义书签。3.2.1数据预处理错误！未定义书签。3.2.2随机减量（RDT）原理错误！未定义书签。3.2.3试验工况错误！未定义书签。3.3风致加速度响应313.3.1滤波前后对比313.3.2加速度随风速变化323.3.310年重现期加速度333.4阻尼识别结果353.4.1模型总阻尼353.4.2模型结构阻尼393.4.3气动阻尼413.5与刚性模型试验结果进行对比423.6东塔的干扰效应433.7本章小结45第4章广州西塔模型减振控制的初步研究464.1概述464.2减振原理介绍464.2.1几种常见的减振措施464.2.2TMD可调质量减振原理484.3西塔气弹模型减振装置的实现504.4减振实验结果及分析514.5本章小节55第5章结论和展望565.1本文的工作总结565.2未来研究工作展望57参考文献58致谢61个人简历与发表论文情况62第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言规范中对超过一定高度的超高层建筑横风向风荷载还没有明细的条文，仅有一些资料文献123和一些学术研究成果4，但大多不具有工程背景。对一些体型稍微复杂的，规范上建议进行风洞试验。虽然目前通过一些大型商业软件，也能对一些超高层建筑进行模拟试算，但对一些重要且结构平面不大规则的超高建筑仍需进行风洞试验。考虑到一般结构的基阶或前几阶响应对结果贡献很大，也为了模型制作的方便，常常使用刚体模型测压和力天平试验。虽然通过计算修正，考虑了实际风与结构的影响，但由于超高层建筑总体结构偏柔，仅由刚体模型数据进行修正，还不足以完全反映结构与风的作用机理。况且，横风向的几种激励相互影响，气流分离，再附，结构与风的周期性脉动，等等都会显著地放大结构的动力响应。所以，对一些截面形体不大规则的超高层建筑，要比较准确地进行响应分析，就需要进行气动弹性风洞试验。本文对在建的广州西塔工程项目进行了气动弹性模型风洞试验研究，并根据振动控制理论设置了减振措施。对气动弹性模型试验结果和刚性模型试验结果进行比较，能检验刚体模型实验的可靠与安全，对容易引起结构破坏的机理进行了试验研究。最后设置的减振装置可以考察其减振的效果，对改善结构响应、节约工程造价具有重要意义。本文的实验结果可以作为荷载复核的依据，也可作为相近工程的一些参考。通过卓有成效的研究，能对后续研究产生积极的影响，为本方向的研究积累一些数据。本文的工作的意义在于：（1）验证刚性模型试验的结果。（2）分析结构阻尼随变化而变化的规律，为同类重大土木工程的抗风设计提供一些依据。（3）安装减振装置有助于改善使用条件、节约工程造价。1.2 超高层建筑抗风试验概述1.2.1 风的特性我国自然灾害频繁，每年因地质气候灾害造成的损失高达数百亿元。对于城市中的建筑来说，地震和强风是造成损失的主要因素，其中以强风发生最为频繁。经过几十年的研究，人类对强风有了长足的认识，但对一些作用机理的研究仍然不够，还不能很好地解决和预测一些结构的风致破坏情况。风是空气相对于地面的运动。由于太阳对地球上大气加热和温度上升的不均匀性，从而在地球相同高度的两点之间产生压力差，这样不同压力差的地区产生了趋于平衡的空气流动，便形成了风。常见的有热带气旋、台风、飓风、季风和龙卷风等。风是一种随机过程，随着离地面高度的增加而增加，但当超过一顶高度后就趋于稳定。平均风速剖面是研究风速变化的一种主要方法，常用的主要有对数律和指数律两种：对数律：(11)式中大气底层内高度处的平均风速；摩擦速度；卡曼常数；地面粗糙长度（m）；有效高度（m）。目前，气象学家认为用对数律表示大气底层强风风速廓线比较理想。指数律：(12)式中：，标准参考高度和标准参考高度处的平均风速；，任一高度处的平均风速；地面粗糙度指数。指数律先由G.Hellman于1916年提出，后来A.G.Davenport根据多次观测资料整理出不同场地下的风剖面，提出风速沿高度的变化可由指数律来描述。1.2.2 风对建筑结构的作用风对结构的作用是一个十分复杂的现象，它受到风的自然特性、结构的动力特性及风与结构的相互作用三个方面的制约。由于近地边界层的紊流影响，风的速度、方向及其空间分布都是非定常的（即随时间变化的）和随机的。当风绕过非流线型结构时，会产生漩涡和流动的分离，产生复杂的作用力。这种作用力将引起结构的振动（风致振动），而振动起来的结构又会反过来影响流场，改变空气的作用力，引起风与结构的相互作用机制，更加深了问题的复杂性。自然界的风可分为异常风和良态风。对很少出现的风，例如龙卷风，不属于异常风的称为良态风。为了从本质上把握风对结构作用的各种特点，通常要进行科学的抽象和分析，然后再综合起来考虑。首先，把风速分成两个部分：（A）平均风，假定它在时间上是不变的；（B）脉动风，包括来流本身的脉动和绕过结构时引起的脉动。其次，将结构按其动力性能分成两类：（A）刚性结构，在风作用下的运动或位移非常微小，可以看作静止不动；（B）柔性结构，在风作用下的运动或位移比较大，必须作为一个振动体系来考虑。最后，风与结构的相互作用也可以分为两类：（A）气动力受结构振动的影响很小，可以忽略不计；（B）气动力受结构振动的反馈制约，引起一种自激振动机制。风对结构的作用会使：（1）结构物或结构构件受到过大的风力或不稳定；（2）结构物或结构构件产生过大的饶度或变形，外墙、外装修材料的损坏；（3）由反复的风振作用，引起结构或结构构件的疲劳损坏；（4）气动弹性的不稳定，致使结构物在风运动中产生加剧的气动力；（5）由于过大的动态运动，使建筑物的居住者或有关人员产生不舒适感。横风向效应与顺风向效应的组合：结构呈现横风向风振效应的同时，必然存在顺风向风载的效应，结构的最大风效应（位移，内力）应是横风向和顺风向两种效应的组合，但此时顺风向振动应按随机振动考虑。假定结构物任意高度处横风向的风效应用表示，而顺风向的风效应用表示，则高度处的最大风效应表达式如下：(13)由统计平均法知，湍流速度、压强都可以分解为平均量和脉动量之和：(14)(15)横风向的动力响应由3部分组成：涡激振动（此时频率为旋涡脱落频率，S为Strouhal数）、横风向的脉动分量、结构与风的偶合振动。涡激力跟旋涡脱落有关，受到风场特性及结构外形的影响。横风向脉动分量决定于来流风场的特性。气动反馈与结构在风场作用下的运动有关。前两部分与结构本身的动力特性无关，对于相同风场下外形相同的结构，其作用相同。因此，可以通过刚性模型的测力或测压试验得到，而后者则需要通过气动弹性模型试验得到。1.2.3 超高层建筑风洞试验风洞试验是在实验室模拟大气边界层风环境和建筑结构的外形特征及动力特性，再现风对结构的作用过程，在实验室中考察实际结构的风效应。由于高层建筑风致动态响应问题的复杂性和现有的解决结构风效应的手段的局限性，在估算结构的风效应时，目前主要借助于大气边界层风洞实验或参考已有的风洞实验资料，并在此基础上进行相关的理论分析。借助航空学的理论和方法，用风洞实验作为研究和指导设计的手段早在理论分析方法和数值方法提出之前就已在使用和发展。早期的风洞实验都是在航空风洞中进行的。直到六十年代末和七十年代初才出现了现在使用的大气边界层风洞。这以后边界层风洞实验技术才逐渐得到发展。风作用下的高层建筑的运动方程可以写成（以单自由度体系为例）：(16)式中：分别代表结构的质量、阻尼和刚度，分别为结构的位移、速度和加速度响应，为风场施加给静止结构的外加风力，为由于结构在风场中运动而由风场附加给结构的自激力。假定结构体系是线弹性的，由于自激气动力的影响，方程(16)仍然是非线性的。研究高层建筑风致动态响应的主要困难在于获取方程(16)右端的外加风力和自激力。对于给定的高层建筑，它所受到的风力与极端风气候、地形及临近建筑物的干扰、建筑物的体型等因素有关，自激力还与它在风作用下的运动有关。这些力具有随时间和空间变化的特点。边界层风洞实验借助于物理模型实验来确定风荷载和响应。风洞试验要能正确再现结构风效应，应当做到以下几点：(1)、正确模拟风环境，包括边界层风场（平均风速剖面、紊流度、紊流尺度及脉动风功率谱等）和周边地形及邻近的干扰建筑物，以保证风速谱的输入是正确的；(2)、正确模拟建筑物的外形。建筑物的外形特征决定着风速谱将怎样被转化为作用在结构上的外加风力，即决定建筑的气动导纳。不仅如此，由于结构的响应将导致气动反馈问题，结构外形还将决定影响气动反馈作用的气动导数。(3)、正确模拟结构的动力特性。结构的动力特性决定了它的机械导纳，决定风力谱能否被正确地变换为结构的响应谱。高层建筑风洞试验有多种方法。根据对结构动力特性的不同处理方法，可以把高层建筑风洞试验划分为气动弹性模型方法和气动刚性模型方法两类。气动弹性模型方法不仅模拟风环境和结构外形，还模拟结构的动力特性。它用物理模型分别模拟方程(16)的左右两边，从而完全模拟高层建筑与风的相互作用过程和气动反馈效应。这种试验方法不测量建筑物所受到的气动力，而直接测量结构的动态响应。气动模型方法则只在风洞试验室中模拟风环境和建筑外形，模型是刚性的，不直接模拟结构的动力特性。通过试验，测量出作用于模型上的气动力后，用结构分析模型计算得到实际建筑的响应。在分析建筑物的动力响应时，考虑自激力的影响（通常用气动阻尼来表示其影响）。根据模型的复杂程度及测力的方式不同，气动模型和气弹模型还可以分成不同的类型。1.3 国内外在本方向的研究现状Kareem A35从表面压力测量风洞试验中得到的表面压力导出横风向气动力谱，在折减风速大于6时，用此气动力谱计算得到的响应低于用同一建筑气动弹性模型试验得到的响应。这表明结构运动导致的力不可忽略，气动弹性模型受到了负气动阻尼的作用。包含了负气动阻尼后，在高折减风速下的响应预测能提供与气动弹性模型响应相吻合的结果。Watanabe Y. et al39用一个闭合表达式把柱体的横风向气动阻尼表达为与顶部位移、外观比、紊流强度和截面形状有关的参数的经验函数。得出如下表达(17)(18)(19)(110)其中，函数参数；气动刚度；以质量阻尼比参数形式表达的气动阻尼比；气动阻尼比；质量比（空气密度/结构的密度）；Parkinson准定场理论导出项；斯脱落哈频率折减风速；参考点的风速；函数参数；表达和的耦合作用。这里假定，(111)其中：风速廓线指数；横风向平均基底弯矩系数；顺风向平均基底弯矩系数；风攻角。J. Katagiri et al37用自相关法对气动弹性模型风洞试验数据进行处理，作出了一系列气动阻尼比随折减风速和结构阻尼比变化的曲线图。从图中总结出以下规律：I、当折减风速U小于某一常数时，气动阻尼比随折减风速的增大而增大，当折减风速大于此常数时，气动阻尼比随折减风速的增大而减小；II、当U大于另一更大的常数时，气动阻尼由正变负；III、结构阻尼比越大，气动阻尼比越散乱。Marukawa H. et al38用单自由度气动弹性模型风洞试验研究了矩形柱的气动阻尼比随外形及结构阻尼比变化的规律。I、厚宽比（）的作用。当时，厚宽比越小，气动阻尼越大。但当时，气动阻尼随厚宽比变化的规律不明显。当时，气动阻尼比的测量值大于准定常理论的估算值。当时，测试结果明显比估算结果小。对于厚宽比为的模型的横风向气动阻尼在低折减风速时为正值，高于某一折减风速时，折减风速由正变负。气动阻尼由正变负时的折减风速比驰振临界风速小得多。II、高宽比（）的作用。顺风向气动阻尼受高宽比的影响不明显。但横风向气动阻尼由正变负的折减风速却随高宽比的增加而减小，这种趋势与功率谱密度中涡激力分量随高宽比的减小而增加有关。III、结构阻尼的作用。作出了=1,=6的结构阻尼比分别为0.5%,1%和2%的模型的气动阻尼随折减风速变化的曲线。在顺风方向，折减风速低于10时，在结构阻尼比为1%时有最小气动阻尼比；折减风速高于10而结构阻尼比为0.5%时气动阻尼比随折减风速的增加而持续增加；在顺风方向，气动阻尼比基本上总是正的。在横风方向，折减风速低于9时，为正气动阻尼比，且气动阻尼比随折减风速的增加而增加；折减风速大于9时，气动阻尼比随折减风速的减小很快变为负值。这与强迫振动测试结果相一致：振幅越大，阻尼由正变负的风速也越大。近年来，国内一些科研院所对超高层建筑或高耸结构的耦合风振做了不少研究。同济大学做了一些高层建筑和大跨空间结构的气动弹性模型研究，有金贸大厦43、虹桥体育场44、发电厂的冷却塔13等气弹模型，也制作了一些规则截面但参数可调的通用模型4（方形截面，高跨比为6的气弹模型），得出了气弹阻尼与结构阻尼、风速、风场等参数变化的一些关系，且给出了拟合的近似公式：(112)在实际工程中可进一步简化为：(113)其中，为模型顶部高度处的折减风速。武汉大学的邹良浩、梁枢果曾对外形长宽比为2:1，高宽比为6:1的矩形模型9进行了气动弹性性研究。得到了一些气动阻尼比随风速变化而变化的规律。浙江大学楼文娟10也对风与结的构偶合振动行了深入的理论研究，并对浙江省台州电厂的高耸输电塔进行了模型试验，得到了在低阻尼体系的理论计算中应考虑风与结构的偶合作用。通过对海洋动力学中的Morison公式进行分离，得到了单自由度系统的简化气动阻尼常数：(114)其中，空气密度；物体的迎风面积；平均风速；质量；固有频率。在模型试验中发现像钢结构那样柔性并阻尼较小的结构，气动阻尼的影响是不可以忽略的。在气动弹性稳定时，气动阻尼有助于减少结构的风振响应。1.4 本文的主要工作在一些结构平面不规则或风载环境比较复杂的超高层建筑中，结构风致振动已不能仅仅用动力放大系数简单调整，需要考虑风与结构耦合作用的影响，而进行气动弹性试验是研究风与结构耦合振动的直接方法。本文基于目前风与结构耦合理论，通过气弹模型试验，检验结构在与风的耦合振动中的一些规律，研究风与结构的相互作用对高层建筑阻尼和振动响应的影响，并期望能总结出一些拟合的实用公式。同时，与前人已有的工作不同，在对气动弹性模型直接测试响应之外，本文还针对模型制作并进行了同步测压试验，通过在模型上布置测压孔，以进一步研究超高层建筑风振耦合对风压及气动荷载的影响，为理论研究提供一些有价值的参考，也为工程应用提供一些合理依据。一般的超高层建筑往往具有较对称的截面，因此本文通过具有代表性的方形截面气动弹性模型风洞试验，考察了风致振动响应随风速的变化的规律。以及通过先进、系统的模态识别方法总结出气动阻尼的变化，并和结构刚性模型试验结果进行了对比。本文主要的工作如下：（1）设计制作方形截面高层建筑的气动弹性模型，根据实际工程经验，使用Ansys有限元软件调试确定气动弹性模型的几何参数和物理特性。并根据具体试验要求，设计试验工况和条件。（2）应用系统先进的时域方法识别结构的气动力参数，找出在气动力作用下结构振动响应特性，尤其是气动阻尼的变化规律。通过与刚体模型试验数据比较，总结分析试验结果。（3）以上述步骤制作的气动弹性模型为基础，制作同步测压模型，以最不利的台风地貌做为试验条件，研究风振耦合对气动荷载的影响，初步探究涡激共振对超高层建筑的影响，为以后的其他超高层相关工程提供参考依据。第2章 风洞实验技术及试验方案第2章 风洞实验技术及试验方案2.1 实验设备2.1.1 风洞风洞实际上是一种能在其中按需要造成一定速度的气流并能在其中进行各种空气动力学的模拟试验的装置，它广泛应用于航空、气象、工程等领域。风洞通常由收缩段、实验段、扩散段和测量控制段等部分组成。本试验在汕头大学风洞实验室的STDX-1风洞中进行。STDX-1是一座具有串置双试验段的全钢结构的闭口回流低速工业风洞，其中主试验段宽3米、高2米、长20米，最大风速可达45m/s，风速连续可调，风洞简图：图21 汕头大学建筑工业风洞简图2.1.2 测压系统测压试验采用美国SCANIVALVE公司的DSM3200电子扫描阀测压系统，其组成框图如Error! Reference source not found.所示。试验模型上各个测压孔以PVC管与压力传感器模块连接，通过测压试验可测量试验模型上各测压孔的局部风压，试验中采用的通道间隔为50微秒。2.1.3 振动测试分析仪器测量振动使用BK公司的单轴加速度压电传感器，如图22所示。加速度计有动态范围大，频率范围宽，线性度好，稳定性高，安装比较方便等特点。常用的有4384、4507、4506型，本文选用两个4507B型单轴压电式加速度计。图22 4507B型压电式加速度计示意图2.1.4 加速度计量设备图23 3560C型数据采集前端加速度计通过专用电缆与采集系统相连，本系统为B&K四通道便携式分析仪。核心为3560C型智能多通道数据采集前端，使用7753型处理模块，软件部分为7700型平台软件。实验时可对数据进行实时同步采集，通过网线传至电脑中。2.1.5 风速测量设备图24 TSI 8384A风速计为方便起见，风速测量则采用美国TSI 8384A风速计测量试验风速。8384型号可测定风速、温度及计算流量。可测风速范围达050m/s（热传感器）。测量参数：范围：050m/s，精度：读数的3%(最小0.15m/s)，分辨率：0.0lm/s，满足试验要求。2.2 风场模拟2.2.1 风速剖面在梯度风高度以下，由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地面高度的减小而降低。描述平均风速随高度变化的规律的曲线称为风速剖面。常用的有对数率和指数率，实际应用中平均风速随高度变化的规律常用指数函数来描述，即：(21)其中、：任一点的平均风速和高度；、为标准高度处的平均风速和高度；幂指数为地面粗糙度系数，随不同地形而变化。我国建筑结构荷载规范将地貌类别分成A、B、C、D四类，对应的风剖面指数分别为0.12、0.16、0.22和0.30。2.2.2 湍流度流体在静态时不能承受除法向压力之外的任何定常应力，而在动态时，可承受随时间变化的剪应力。因此，在流体动力学应用中，通常可假设所涉及的应力或是法向应力，或是粘性引起的剪应力，具有剪切内应力的流体称为粘性流体或牛顿流体。在粘性很小的流体运动中，涡量具有保持性，这时，强旋涡是主宰流动的主要要素。湍流场必定是有旋的，它的涡量是随机分布的，并由各种尺度不同的脉动涡量（湍流）组成。风在某种意义上也可以看成是一种可压缩流体大气流体，但在通常风速较低时可归为不可压缩流体，由于粘性系数较低，其脉动湍流度较液体流体大得多。所以一些流体力学定理如遗传算法、神经网络、模糊数学方法、联想记忆系统，也可应用与大气湍流的研究。均匀湍流场在平均等剪切的作用下，产生各向异性湍流，它生成的雷诺应力不短从平均流中觅取能量输送到湍流脉动中去。湍流脉动并非完全不规则的随机过程，而是在不规则的脉动中包含可辨认的有序大尺度运动，这种有序的大尺度运动随机地出现在剪切湍流中，并主宰湍流的动量、能量和质量输运。剪切湍流可分：1、壁湍流-剪切湍流 2、自由剪切湍流。随高度z变化的湍流强度定义为：(22)其中：是高度z处的风速方差；是高度z处的风速均值；是高度z处的湍流密度，也称湍流强度和湍流度，是一个无量纲的量，它是地面粗糙度类别和离地高度z的函数，但与风的长周期变化无关。实测结果表明，平均风速随高度z的增加而增加，湍流度随高度增加而减小，靠近地面一般可达20%30%。2.2.3 湍流积分尺度又称紊流长度尺度。通过某一点气流中的速度脉动，可以认为是由平均风所输运的一些理想涡旋叠加而引起的，若定义涡旋的波长就是旋涡大小的量度，湍流积分尺度则是气流中湍流涡旋平均尺寸的量度。相对一定尺寸的建筑物而言，涡旋的大小对作用于建筑物上的风荷载有较大的影响。湍流积分尺度 在数学上定义为：(23)式中，是两个顺风向速度分量和的互相关函数，是，的均方根值。日本建议的湍流积分尺度经验公式：(24)2.2.4 脉动风空间相干函数当结构上一点的脉动风压达到最大值时，与点距离为的点脉动风压一般不会同时达到最大值。在一定的范围内，离开点越远，脉动风压同时达到最大值的可能性越小，这种性质称为脉动风的空间相关性。通过对脉动风速大量的观察和研究，认为脉动风的阵风脉动可近似作为各态历经的平稳随机过程。由随机过程理论，在点和点测得的随机过程，即点和点两个脉动分量的连续记录的数学期望为时域内的互相关函数，用表示。互相关函数由维纳辛钦关系可得频域内的互谱密度函数，再由相干函数的定义，相干函数的平方根取下面的式子：(25)式中，为相干函数的平方根，和分别为点和点的脉动风速谱密度函数。2.2.5 脉动风速谱脉动风速谱包括顺风向和横风向的脉动风速谱。由于高层建筑和高耸结构的横风向振动机理比较复杂，其响应与横风向脉动风速功率谱无明确的关系，因此，通常只研究顺风向风速谱。常见的有：Davenport A.G.谱、Kaimal谱、Simiu谱和Hino谱。a、 Davenport风速谱(26)式中 脉动风频率；脉动风速功率谱；地面粗糙度系数；10米高平均风速；。Davenport谱不随高度变化。b、 Kaimal风速谱卡曼（Kaimal）提出的风速谱的数学表达式为：(27)式中 ；高度处的平均风速；其余符号同前。c、 Simiu风速谱西谬提出的风速谱采用分段表示，数学表达式为：(28)式中(29)但对于时，下面公式更为合适(210)式中 为摩擦速度，其余符号含义与前相同。d、 Hino风速谱(211)式中：，其余符号与上同。2.2.6 C类风场风速模拟根据广州珠江新城西塔所在的位置和周边地区的发展状况，确定采用荷载规范24的C类地貌来进行试验。采用尖塔和粗糙元来模拟流场，尖塔距风洞入口下游0.8m处，距离转盘14.2m，尖塔之间间隔为75cm，前部16排小粗糙元（8cm6.5cm5cm），迎风面8cm5cm，排列间距宽50cm；后部4排大粗糙元（10cm10cm10cm），迎风面10cm10cm，排列间距宽50cm，共20排，均呈梅花型排列（图25）。图25 气弹模型风洞试验图26为C类风场的平均风速剖面和湍流度分布剖面，图27为C类风场下的风速谱谱曲线，其中湍流度分布接近于AIJ 199633的建议值。图26 平均风速和湍流度剖面图27 C类地貌试验区风速谱根据风洞试验段的试验要求，暂定试验风速范围为1520m/s（对应原型梯度风速400m高度处风速）。最大试验风速取重现期100年，C类地貌，地貌指数：0.22，其基本风压为0.6MPa。考虑风压高度变化系数，由公式(21)得梯度风速（400m高）为55.26m/s，按风速比确定，理论试验风速为17.439m/s，最大风速完全在风洞试验风速范围之内。频率比：=125，最终的试验风速和各缩尺比参数，根据模型敲击和实测结果进行调整。经调试，最终风速比调整为0.319657732，试验风速覆盖3年100年重现期风速。2.3 实验模型设计原理进行模型试验，要求对试验参数进行无量纲化，同时也要求具有相同的风场条件。风场的相似性可通过尖塔、挡板、粗糙元来模拟，而流场则要保证相同的斯特罗哈数（strouhal）和佛罗得数（florid）。Florid数涉及大密度流体且与重力有关，所以本文仅保证相同的strouhal数。(212)其中：模型频率；模型尺度；试验风速；原型频率；原型尺度；原型风速。令，其中、分别为频率比、缩尺比、风速比。将其带入公式(212)，可写为。由模型制作时确定，由模型敲击得到，最后由前两者确定，这样即可满足和原型结构相同的strouhal数。同样，由传感器纪录的模型加速度需经无量纲化转化为原型的加速度。加速度（）单位，量纲为L/T2。由相似比的无量纲化得：(213)(214)最终加速度缩尺比=0.0225911988。采用ANSYS实体建模，单元类型采用solid45体单元进行自适应网格划分。添加约束条件，通过改变模型尺寸参数来调整模型的频率和振型。考虑到前两阶的能量占主要部分，所以仅需调试前两阶的频率和振型（图28，图29）。图28 Ansys模拟的第1阶振型图29 Ansys模拟的第2阶振型以ETABS软件结果为依据，根据Ansys软件结果和实际敲击结果进行了比较。发现前两阶（横、顺风向）结果吻合良好（图210，图211），由于刚体模型试验得到结构的第3阶及其后的高阶模态对结构贡献很小，可不予考虑。图210 第1阶模态振型比较图211 第2阶模态振型比较2.4 工程概述和模型参数确定2.4.1 工程概述西塔作为广州珠江新城六大标志性建筑之一，位于珠江新城西南部核心金融商务区。东临珠江大道，西靠华厦路，南接华就路，北望花城大道，处于新城市中心的中轴线上。该项目占地面积三点一万平方米，总建筑面积约四十五万平方米，由地下四层、地上一百零三层的主塔楼和二十八层的附楼组成。设有双酒店大堂，分别位于首层和七十层，六十九到一百层为超白金五星酒店，为国内最高的酒店，其中，九十九到一百层为观光层、餐饮层和休闲中心，并设有全国最高的游泳池。项目投资概算六十亿元，2005年9月，由越秀集团旗下越秀投资、城建集团、城建开发三家公司联合体中标，并组建广州越秀国际金融中心有限公司建设经营。项目2005年底开始动工建设，将于2009年底竣工，作为2010年亚运盛会配套项目交付使用。广州珠江新城西塔地处城市中心位置，作为未来广州的新地标，是集酒店、商务办公、休闲娱乐为一体的超大规模综合建筑。按照规划，将来还会有一栋完全一样的建筑东塔。由于东西塔是分期开发，所以目前主要以西塔为试验研究对象，但也初步考虑了东塔的影响。图212 规划中广州未来东西塔效果图2.4.2 材料和试验参数确定模型的长度缩尺