基于现场实测的施工期高层建筑风致振动研究

摘要

在近几十年,由于暴风灾害给世界各国造成的巨大的损失,风荷载对结构的作用效应受到了人们的高度重视。同时风荷载在结构设计特别是高层和超高层结构设计中的重要性越来越突出。随着高层建筑在世界范围内的迅速发展,针对高层建筑的结构风工程抗风理论研究也逐渐成熟,各国学者对高层建筑的风场特性都做了不同程度的理论、风洞试验或者现场实验等方面的研究,在结构的风速谱及建筑物表面风压特性有了很系统的认识,但是对于高层建筑结构在施工期的风致振动响应研究则相对较少。因此,对于高层建筑,特别是结构异型的高层建筑而言,在工程现场实际测量施工期结构在风荷载激励下的振动响应情况,对于研究结构的动力响应及其特性有非常重要的意义。为此,本文作了以下工作:
　　①对于君御海城国际酒店项目,针对其建筑特性和现场条件,制定了实测的方案,进行了风速、风向以及上下两部分复杂造型钢结构的振动加速度的测量,获得了施工期风致结构振动加速度数据。
　　②基于实测的一系列风速谱与加速度曲线,运用MATLAB软件采用随机子空间的方法对数据进行分析得到塔楼顶部钢结构在水平方向的两个方向上结构的一阶振型频率大小均为0.62Hz;西面裙楼天窗及雨棚钢结构在水平X方向及竖直Z方向上结构的一阶振型频率大小为2.4Hz,而在水平Y方向上由于结构刚度相对X方向较弱,识别得到的Y方向一阶频率大小为0.92Hz;同时,通过程序分析也得到了结构每阶频率对应的阻尼比大小。对于西面裙楼天窗及雨棚钢结构:在X方向上,结构一阶振型频率为2.4Hz所对应的阻尼比大小为0.021;在Y方向上,一阶振型频率为0.92Hz所对应的阻尼比大小为0.013;Z方向上,一阶振型频率为2.4Hz所对应的阻尼比大小为0.022。对塔楼顶部钢结构:在X方向上,一阶振型频率为0.62Hz所对应的阻尼比大小为0.063;在Y方向上,一阶振型频率为0.62Hz所对应的阻尼比大小为0.085。通过测量数据识别出的结构阻尼比与当前各国的典型阻尼比值进行对比可以看出,鱼尾钢结构的阻尼比与通常认为的钢结构阻尼比2％吻合度较好,鱼头结构识别出的阻尼比大小与常用的典型阻尼比5％相比略微有些偏大。
　　③在实测数据的基础上,分析结构的峰值加速度振动响应,得到结构在台风“尤特/Utor”登陆过程中各个方向上结构最大振动加速度为0.059398m/s2。通过查找各国规范,与常用的舒适度标准中人们可以感受的限值0.10m/s2对比可以分析该酒店的居住舒适度满足要求。
　　④采用SAP2000软件建模并对其施加风力时程分析结构动力响应特性,得到结构的一阶固有频率大小为0.54361Hz,通过与实测分析得到的结构自振频率0.62Hz进行对比可知,从现场实测数据分析得到的结构自振频率要普遍大于SAP2000软件分析得到的相应模态振型的计算频率,且其前几阶模态振型频率的误差一般在10％~20％之间。对其误差原因进行分析并可由准确的实测结果反推软件中的一系列参数,对其进行模型修正。