顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振效应实时混合实验研究

发布时间：2020-03-18 01:03

【摘要】：近年来随着建筑科学的发展与材料科学的进步,高层建筑高度不断突破,正朝着细长化、小阻尼、材料轻质高强的方向发展;高层建筑结构的基阶自振频率愈加接近强风的卓越频率,对风荷载极其敏感,在强风荷载的作用下结构的位移和加速度过大,在高层建筑结构设计中,风荷载往往成为设计的控制性因素。为了控制高层建筑在强风荷载作用下动力响应过大的问题,本文研究将摩擦摆调谐质量阻尼器(FPSTMD)系统置于其顶部,通过理论分析和基于小型振动台的实时混合实验相结合的研究手段,对顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振控制效率进行综合性研究,本文的主要工作包括如下几个方面:建立和推导了顶部带FPS-TMD系统的高层建筑在风荷载作用下的动力方程,同时采用状态空间法求解该动力方程,得到高层建筑在风荷载作用下的位移和加速度表达式。以一76层钢筋混凝土结构风振Benchmark模型为实例,采用谐波叠加法和准定常假设模拟此建筑顺风向的脉动风荷载时程,横风向荷载时程可以使用已有的风洞试验数据,以数值模拟手段分析顶部带FPS-TMD系统的此高层建筑结构实例在各类工况下的风振控制效率,分析了不同质量比、FPS-TMD系统的滑道摩擦系数、主体结构阻尼比等各种因素对FPS-TMD系统控制效率的影响。对采用实时混合实验对FPS-TMD控制系统进行动态特征研究涉及到的物理模型建模、考虑模型缩尺效应后各类物理量的相似比系数开展了相关研究。同时对本论文选用的基于小型电振动台,对顶部带FPS-TMD系统的高层建筑风振响应进行实时混合试验的总体架构,实时分析软硬件系统的组成,以及实施方案和步骤展开了详细的讨论。使用MATLAB/Simulink数值仿真工具,编写了顶部带FPS-TMD系统的高层建筑在风荷载作用下的动力响应实时分析程序。结合实时混合实验的要求,将MATLAB/Simulink程序编译成实时混合实验系统dSPACE系统所需求的实时仿真分析程序。并将MATLAB/Simulink程序计算的结构动力响应的结果与原有状态空间法的数值模拟分析结果进行对比,以验证MATLAB/Simulink程序的正确性。在基于小型电振动台实时混合实验中,分别使用10年和50年重现期风速对应的风荷载时程,主体结构使用不同阻尼比,以及FPS-TMD系统的质量与主体结构质量的不同百分比;综合研究了上述几个因素对本计算实例进行实时混合实验结果的影响。通过提取实时混合实验得到的主体结构顶部位移、速度和加速度数据,并与前述采用数值模拟分析结果进行对比分析。理论模拟和实时混合实验对于本论文中的大部分工况下的风振控制效率对比分析结果显示:两者得到的控制效率相接近,位移和加速度时程吻合度高。表明了本论文采用实时混合实验,对顶部带FPS-TMD系统的风振控制效率评估的有效性。通过本文的理论分析和实时混合实验相结合的研究手段,对高层建筑顶部带FPSTMD系统的风振控制效率进行的综合以上研究分析,说明实时混合实验以及数值模拟计算算法的正确性。同时本文研究的实时混合实验也为今后进行风振控制实验研究提供一种新思路、新方法,也有效地降低了此类被动控制系统风振控制效益评估的实验成本。
【图文】：

高耸结构,台风,风荷载,强风

（c）上海环球中心（d）深圳平安国际金融中心图 1.1 部分城市地标建筑1.1 结构风致灾害概述`高层建筑、高耸结构具有高宽比大、细柔而轻质等特点，，此类风敏感性建筑风荷载往往成为其结构设计的控制性因素。风荷载灾害造成的破坏也异常严重，特别是在台风肆掠的东南沿海地区，每年因台风造成的建筑结构破坏远大于其他自然灾害造成的损害如 2018 年 9 月份肆虐广东的“山竹”台风，曾使菲律宾 500 万居民受到影响，“山竹”台风在广东台山登陆后，造成 5 省（区）的 1200 余间房屋倒塌，800 余间严重损坏，近3500 间一般损坏；直接经济损失近 52 亿元。在强风荷载作用下，高层建筑和高耸结构产生过大的位移会使建筑结构的安全性和使用性产生严重影响，产生的过大加速度，使位于顶部楼层的使用者产生不舒适感。在风荷载的作用下，超高层建筑、高耸结构虽然还没有发生被强风吹倒的情况报道，

主体结构,调谐质量阻尼器,减振效果,TMD系统

图 1.3 常见的调谐质量阻尼器对主体结构产生减振效果的机理为：主体结构在受到风发安装在主体结构中的 TMD 系统运动，由于质量块的惯，质量块产生反向运动，从而控制系统对主体结构施加阻尼器由于振动而耗散能量。其具体作用机理如图 1.4
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU973.213

【参考文献】