风与结构的耦合作用及风振响应分析精Word格式文档下载.docx

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１　　前言

作用于高耸建筑物

地震荷载和风荷载

结构显得越来越柔性振动频率随之降低

建筑物越柔而地震能量集中在高频区

因此

当建筑物总高度超过某一值时

深入分析高耸结构的风振效应就显得十分重要

大部分的研究都集中在顺风向的抖振分析上

从原理上讲

只是在计算过程中针对具体的分析对象有不同的处理方式对结构的计算模式作不同的简化等等

频域分析法比较直接方便

并且所需机时较长

在目前的风振响应计算中这对于一阶频率高于

0.5Hz的悬臂结构是可以接受的[5]

风与结构的耦合作用及风振响应分析17

虑风与结构耦合作用的风振响应模态分析方法确定了不同风速下风

与结构耦合作用所产生的气动阻尼采用三维离散的

桁架单元和梁单元模型并着重探讨了两个问题

（2采用Davenport谱和Kaimal谱对结构风振响应的差

异性

２　　风振响应频域分析法

任一结构采用合适的有限单元离散后在风荷载作用下的运动平衡方程为

大气湍流可以看成是一个平稳随机过程为了求得

风振响应的均方根值x

σ∂™™⊄∂↓•≥⊂（1进行求解

并且对于小阻尼体系

得风振响应的功率谱为

∑==n

jpjjjxSiHS1

2（（（ωωϕω（2

对于第q个自由度

分别为自由度及振型的序号

（ωpjS为j振型广

义力（tPj的自谱密度函数

按下式计算

jxjjx1

2σωσ&

（5

式中xjσ为第j振型的位移响应均方根值

对于第r个自由度

rrrrrACtvVtF（（ρ=（6

若第r个自由度位于节点i

和rA分别为i节点所对应的平均风速

rC为气动力系数

,（,,（（11

211

ωρϕϕωϕϕωkrSAACCVVkrSSvn

rkrkrkrn

kkjrjn

rFn

kkjrjPj∑∑∑∑======（7

式中k

rkrkrAACCVVk个自由度对应的平均风速迎

风面积

可表示为

18工程力学

,（（（,,（（（ωωωωkrcohSSkrSkvrvv=（8

式中（ωvS为脉动风速谱

至今为止

大致可以分为两类

另一类是谱密度随高度的

增加而减小分别采用了这两类谱中应用较为广泛的Davenport

谱和Kaimal谱[6]

３　　风与结构的耦合作用及气动阻尼

为了考虑风与结构的耦合作用采用风与结构

的相对速度来计算抖振力

风阻力为

假设脉动风速

（tVÏ

V的平方可以忽略不计

XAVCtAVvCAVCPDDDD&

ρρρ−+=（2

12（10显然式（10中的第一项为平均风力第二项即为脉动风速引起的抖振力

若将该非定常阻力引入运动方程（1

固有圆频率为0ω™∨∅•⊄∧V

作用下的气动阻尼常数为[7]

1500米

塔体总高达183米

居

浙江省最高

椒江是强台风区

最大瞬时风速达45米/秒以上４．１　动力特性分析

风与结构的耦合作用及风振响应分析19

首先分别采用如图2所示二种较严格的计算模式对该高耸输电铁塔（简称椒江塔进行动力特性分析

按空间桁架进行计算

将塔柱及横隔看作空间梁单元水平斜撑及塔头杆件为空间二力杆单元以下简称半刚架模式

计算表明

说明该

类铁塔完全可以按空间桁架模式计算

图1椒江塔示意图图2椒江塔计算模式

图3为椒江塔x方向和y方向的前三阶弯曲振型由于该塔的塔身横截面为正方形ｙ两个方

向的频率

该塔的一阶扭转频率为4.65HzÖ

xÈ

（ax方向1~3阶振型（by方向1~3阶振型

图3椒江塔x方向和y方向前三阶弯曲振型

４．２　抖振响应分析

采用以上所述的模态分析法进行抖振响应分析还要确定以

下主要参数

K和结构阻尼β

20工程力学

根据椒江塔所处的地貌特征椒江塔主要由薄壁钢管构成

钢管为12720×

φ在规范中纯

钢结构的阻尼比为0.01Ô

0.015

（2阻力系数D

C由风洞试验得到该塔在各风向角下的阻力系数如表1所示

[8]

2.5%

-Ë

1ω振动的单自

由度物体

其中平均风速V取塔架中点高度（H=90m处的

风速90

V表２　　椒江塔气动阻尼a

β风速10V（m/s152********045

50风速90V（m/s20.427.234.040.847.654.461.268.0气动阻尼a

β0.0046

0.0060

0.0076

0.0091

0.0106

0.0120

0.0140

0.0150

根据上述所取参数

分别采用Davenport谱和Kaimal谱对椒江塔进行了抖振响应计算

并以图4

图4顶点位移均方根值与风速10V的关系图5顶点加速度均方根值与风速10V的关系

风与结构的耦合作用及风振响应分析21表３　　铁塔顶点风振响应风速V10（m/s1520位移均方根值σx（cm253035404550151.551.651.531.61加速度均方根值σx（0.01g203.653.153.393.02256.325.225.684.93309.497.898.217.3535404550不计气Davenport谱1.162.744.747.1410.4014.6419.7425.74动阻尼Kaimal谱1.242.363.925.948.468.827.7411.5415.1619.4412.1815.8620.3210.3413.3416.813.8419.2826.2834.2511.2515.3720.1725.8611.7416.2021.0927.0310.2913.7717.7422.35考虑气Davenport谱1.142.544.286.18动阻尼Kaimal谱1.202.283.705.52结构风振响应随速度非线性单调增加并且采用Davenport谱所得的结构响应明显大于采用Kaimal谱所得的结构响应风速越大二者的差距越大考虑气动阻尼后二者的差距虽有所减小但椒江塔在设计风速V10=36.6m/s下Davenport谱仍然比Kaimal谱所得结果大15%图中还反映出气动阻尼或者说风与结构的耦合作用对计算结果有较大的影响在气动稳定的情况下气动阻尼随风速而增大因而其影响程度也随风速的增大而增大当考虑气动阻尼后在风速V10=36.6m/s时采用Davenport谱结构响应可减小18%采用Kaimal谱则减小10%因此对于象钢结构那样柔性并阻尼小的结构气动阻尼的影响是不可忽略的它将减小铁塔风振响应理论计算结果与试验结果的对比如图6图7所示图6为0o风向时塔头170m高度处顺风向的加速度响应图7为45o风向时塔身121m高度处顺风向的加速度响应图中曲线明显地反映出采用Kaimal谱并考虑气动阻尼所得的结果与试验结果较接近当风速达到设计风速时二者吻合得很好而采用Davenport谱所得结果偏大尤其是不考虑气动阻尼时计算值比试验值大得多约偏大20%因此在输电铁塔风振响应的计算中建议采用Kaimal谱并有必要考虑风与结构的耦合作用从图中可以直观地看出图60o风向角塔头170m高度处加速度响应比较图745o风向角塔身121m高度处加速度响应比较５　　主要结论1对于低阻尼的钢结构体系在理论计算中应考虑风与结构的耦合作用这一耦合作用在气动稳定时可转化为气动阻尼的影响文中采用拟单自由度法确定了不同风速下的气动阻尼从而简化了三维多自由度体系风与结构耦合作用的计算2在气动弹性稳定时气动阻尼随风速的增大而增大因而其影响程度也随之增大对于象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忽略的它将减少结构

22工程力学的风振响应3理论计算与试验结果的对比表明采用Kaimal谱所求得的风振响应与试验值吻合较好而采用Davenport谱加速度响应偏大达20%左右尽管目前许多国家（包括我国的规范均采用Davenport谱但运用该谱所求得的风振响应偏于保守而Kaimal谱比较接近实际参考文献[1]AhsomKareem.Dynamicresponseofhigh-risebuildingtostochasticwindloads[J].J.WindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1992,41-44:

1101-1112.[2]HTsukagoshi,et.al.Responseanalysesofalong-windandacross-windvibrationsoftallbuildingsintimedomain[J].J.WindEngineeringandIndustrialAerodynamics,1993,46-47:

497-506.[3]GSolari.

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