基于風洞試驗的超高層建筑風振響應(yīng)分析

(華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室 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、周期長和阻尼比小的特點，屬于風敏感性結(jié)構(gòu)，受風荷載的影響很大，風荷載是超高層建筑結(jié)構(gòu)安全性和舒適性設(shè)計的控制荷載[1]。目前分析結(jié)構(gòu)的響應(yīng)主要有頻域法和時域法，頻域分析方法更加方便快捷但無法有效考慮作用于結(jié)構(gòu)上的荷載的時間性影響，也無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ETABS有限元軟件建立三維計算模型，基于風洞試驗數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進行時程分析[2]，并將時程分析與頻域分析方法進行對比，為工程設(shè)計提供建議。

有限元建模及風荷載時程的獲取

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，對樓板進行剛性隔板假定，有限元模型如圖1所示。本文針對該工程行了風洞試驗，使用實驗室PWISR軟件處理試驗數(shù)據(jù)，得到了36個風向角的樓層風荷載時程數(shù)據(jù)。之后使用MATLAB軟件讀取該數(shù)據(jù)得到了作用在實際結(jié)構(gòu)樓層處的X、Y軸向和扭轉(zhuǎn)向的風荷載時程記錄，其中作用在結(jié)構(gòu)頂層X軸向風荷載時程如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 作用結(jié)構(gòu)頂層X軸向風荷載時程記錄

風振響應(yīng)分析

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

圖3 順風向加速度時程

圖4 橫風向加速度時程

對比采用實驗室PWISR軟件所用頻域方法和時程分析方法計算得出的加速度響應(yīng)，表1為0度風向角時域分析方法與頻域分析方法結(jié)構(gòu)頂部加速度響應(yīng)計算結(jié)果的對比。

表1 風振加速度對比(cm/s2)

結(jié)論

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