成果名称: 强风作用下超高层建筑风效应的实测和风洞试验研究
完成单位: 华南理工大学
主要人员: 谢壮宁,石碧青,刘慕广,时丽珉,邓挺,李小康,徐安,张乐乐,廖晓辉,潘浩然,胡小俊
介绍:

    本科技成果来源于国家自然科学基金面上项目:强风作用下超高层建筑风效应的实测和风洞试验研究,编号51278204。对于华南沿海时常受到台风侵袭的超高层建筑而言,风荷载及风效应是此类结构设计的控制性因素,相关研究日益受到结构风工程研究领域的重视。风洞试验与现场实测是超高层建筑抗风研究的主要手段,其中风洞试验是结构抗风设计的重要信息来源和依据,但在某些参数的选取上还存在着一些不确定性;现场实测则被认为是获取超高层建筑风荷载及风效应最为可靠的方法,是理论分析和数值模拟的重要前期基础性工作,且风洞试验和数值模拟的研究结果也需要通过现场实测进行验证。不仅如此,基于现场实测的风致响应数据还可作为环境激励下的输入结果来识别结构动力特性,通过与理论设计的对比修正而提高建模的精准度,为结构安全运营及风振控制提供重要的技术支持。

    但是现有超高层建筑风效应现场实测研究的相当多实测结果均是在小风或者微振情况下获取的,真正在强风作用下的结构响应数据极少;现有的实测报道基本都是在单栋建筑的测量分析结果,绝大部分数据是源于100m高度以下建筑的测量结果,在量的广度及代表性、结构体系的覆盖面依然存在明显的不足,需要扩大实测的规模、建立高度自动化的远程监测系统,从而有望在短期时间内积累到更多数量的有效数据;实测中参数识别的精度和可靠性仍有待于进一步的提高;大量超高层建筑风洞试验结果缺乏有效的验证,通过实测结果的对比分析进一步改进风洞试验技术也是需要研究的重要内容。

    因此本成果针对我国强风地区(珠三角地区、厦门和上海)不同体系的超高建筑,构建基于GPRS的远程实时同步监测系统,并利用该系统对这些建筑的风效应进行数年的持续观测,积累了大量台风作用下结构风致振动的第一手观测数据;研究测试信号降噪的有效方法,针对现有信号参数识别的时、频域技术中存在的问题提出新的改进方法,并依此分析研究强风作用下结构模态参数随结构振动幅值变化的规律,发现不同风况结构自振频率均高于设计阶段有限元数值分析的结果,且最大差别可达20%,已有研究结果不同、识别的阻尼比呈现离散性且和振动幅值不存在显著统计相关性;通过现场实测结果和风洞试验的对比,分析了影响实测值和试验值差异的关键因素,验证了一些重大工程的前期风洞试验结果;发明了用于超高层建筑模型抗风试验的高频底座力天平的动力校准方法和考虑双重耦合情况下的超高层建筑风振分析方法;发明了模拟风与超高层建筑结构之间相互作用的气弹模拟系统并提出相应的参数识别方法,解决了在临界风速下超高层建筑气动阻尼识别精度差的难点;发明结构风致过冲内压的捕捉和测量方法、完全和名义封闭下建筑内压的测量方法和避免气柱共振影响的开洞建筑风致内压的试验方法。这一系列针对性技术和方法的提出显著地提高了超高层建筑结构风致效应的评估可靠性和准确性。

    本科技成果研究过程积累了较为丰富的超高层建筑强风效应的实测数据,并由新的参数识别方法获取的结构动力特性的变化规律,对比分析现场实测和风洞试验的结果,提出了一系列风洞试验的新技术、新方法进一步提高了超高层建筑结构风效应的分析和估计结果的可靠性。本科技成果可为超高层建筑的结构动力特征的变化、结构风效应的评估并指导超大尺度超高层建筑结构抗风设计提供重要参考,迄今为止已应用于包括宁波城市之光主塔(451.5m)、济南恒大国际金融中心(518m)、合肥恒大中心高(518m),深圳恒大中心(400m)、华润深圳湾总部大楼(400m)、武汉周大福金融中心(468m)、武汉国华金融中心(465m)这8栋高度超过400m在内的100多项超高层建筑的抗风咨询项目,取得了显著的社会效益和经济效益。

批准登记号:
登记日期: 2021-03-02
研究起止时间: 2013-01-01至2016-12-31
所属行业: 建筑业
所属高新技术类别:
评价单位名称: 国家自然科学基金委员会
评价日期: 2017-03-15