臺(tái)風(fēng)梅花作用下風(fēng)場(chǎng)特性及風(fēng)振響應(yīng)實(shí)測(cè)研究

臺(tái)風(fēng)梅花作用下風(fēng)場(chǎng)特性及風(fēng)振響應(yīng)實(shí)測(cè)研究

單帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種柔性結(jié)構(gòu)，重量輕，剛度低，自振頻率低，頻率密集。在強(qiáng)風(fēng)下結(jié)構(gòu)變形明顯。這是風(fēng)的敏感結(jié)構(gòu)。風(fēng)負(fù)荷是其控制的負(fù)荷。臺(tái)風(fēng)是中國(guó)的主要災(zāi)害之一。目前,臺(tái)風(fēng)難以在試驗(yàn)室中模擬,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是研究臺(tái)風(fēng)特性及臺(tái)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最有效手段;對(duì)于結(jié)構(gòu)抗風(fēng),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性、長(zhǎng)期性的研究1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量總結(jié)1.1博物館主體結(jié)構(gòu)分析中國(guó)航海博物館位于上海浦東臨港新城,由1個(gè)2層的基座及其上的大型殼體結(jié)構(gòu)和2個(gè)側(cè)翼建筑構(gòu)成.其中,殼體結(jié)構(gòu)由2片帆體鋁板雙曲面屋面、帆體之間的南北兩面雙曲面單層索網(wǎng)玻璃幕墻及邊側(cè)弧線玻璃幕墻3部分構(gòu)成.帆體結(jié)構(gòu)高度約58m.博物館所在位置瀕臨東海,地勢(shì)平坦開(kāi)闊,常年風(fēng)速較大,并且在夏秋季節(jié)易受臺(tái)風(fēng)影響.博物館帆體懸挑結(jié)構(gòu)高,受風(fēng)面積大,強(qiáng)風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)安全是設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中需要重視的問(wèn)題.針對(duì)這一建筑結(jié)構(gòu),開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)環(huán)境及風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)監(jiān)測(cè),對(duì)于沿海建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究具有重要意義.1.2超臺(tái)風(fēng)建設(shè)和中國(guó)海場(chǎng):242011年第9號(hào)熱帶風(fēng)暴“梅花”(Muifa)于7月28日14:00在西北太平洋洋面上生成.隨后2度升級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),最大風(fēng)力為16級(jí),最高風(fēng)速為55m/s,瞬間最大陣風(fēng)為260km/h.中國(guó)航海博物館距離臺(tái)風(fēng)中心最小距離為230km,所處位置在臺(tái)風(fēng)影響范圍內(nèi).2風(fēng)速測(cè)量與風(fēng)環(huán)境分析2.1超聲風(fēng)速儀風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)位置選擇在博物館東西側(cè)翼的裙房樓頂,東樓和西樓各布置1臺(tái)R.M.Young81000型超聲風(fēng)速儀(見(jiàn)圖1).2個(gè)風(fēng)速儀的水平距離為73m,離地高度為26m.風(fēng)向角沿順時(shí)針增加,正北風(fēng)時(shí)為0°,正東風(fēng)時(shí)為90°.風(fēng)速采樣頻率為10Hz,風(fēng)速量程為0~40m/s,分辨率為0.1m/s.2.2平均風(fēng)速與風(fēng)向圖2給出了2011年8月6日11:37開(kāi)始至2011年8月7日6:39結(jié)束的10min時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速與平均風(fēng)向.由圖可知,平均風(fēng)速最大值為12.06m/s,最小值為5.54m/s,平均風(fēng)向變化范圍為343.6°~35.4°.隨著臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng),觀測(cè)點(diǎn)風(fēng)向由北偏東為主逐漸變?yōu)楸逼鳛橹?最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到33.26m/s.2.3脈動(dòng)風(fēng)速概率密度分布為分析近地實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)速的非高斯性,本文采用高階統(tǒng)計(jì)量分析方法.偏度系數(shù)和峰度系數(shù)可用于分析數(shù)據(jù)的高斯分布特性.對(duì)于高斯時(shí)間序列而言,偏度系數(shù)為0,峰度系數(shù)為3.由圖3可知,順風(fēng)向、橫風(fēng)向和豎向脈動(dòng)風(fēng)速的偏度系數(shù)平均值分別為0.1776,-0.0198,0.2241,峰度系數(shù)平均值分別為2.7829,3.1514,3.4726,其中橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速分布與高斯分布吻合最好.將脈動(dòng)風(fēng)速除以標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行歸一化處理,分析其概率密度并與高斯分布比較,結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖可知,脈動(dòng)風(fēng)速概率密度分布基本符合高斯分布,這與文獻(xiàn)[7]中的結(jié)論一致.2.4平均風(fēng)速和準(zhǔn)差模型湍流度描述了風(fēng)速隨時(shí)間和空間變化的程度,反映脈動(dòng)風(fēng)的相對(duì)強(qiáng)度,通常定義為10min時(shí)距內(nèi)脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差與水平平均風(fēng)速U的比值,即式中,σ圖5為順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向湍流度隨平均風(fēng)速的變化曲線.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行y=ax+b形式的擬合,3個(gè)方向上的湍流度擬合參數(shù)a分別為0.843,0.649,0.428;擬合參數(shù)b分別為-0.054,-0.036,-0.024;決定系數(shù)R2.5陣風(fēng)因子與時(shí)間的關(guān)系陣風(fēng)因子反映了陣風(fēng)風(fēng)速與平均風(fēng)速之比,通常為陣風(fēng)持續(xù)時(shí)距t式中,分析可知,順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向陣風(fēng)因子隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致,同一時(shí)間下陣風(fēng)因子滿足G2.6個(gè)方向湍流積分尺度的分析湍流積分尺度是脈動(dòng)風(fēng)中湍流渦旋平均尺寸的量度.當(dāng)不能滿足空間多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量時(shí),湍流積分尺度可以根據(jù)Taylor假設(shè)(湍流凍結(jié)理論)進(jìn)行計(jì)算,即式中,L10min時(shí)距內(nèi)順風(fēng)向、橫風(fēng)向與豎向脈動(dòng)風(fēng)速影響下順風(fēng)向湍流積分尺度的平均值分別為57.9,16.22,4.80m,三者比值為12.1∶3.4∶1.0,較文獻(xiàn)[9]給出的5.5∶2.3∶1.0偏大;其中順風(fēng)向風(fēng)速影響下順風(fēng)向湍流積分尺度最大值為375.90m.圖7(a)給出了湍流積分尺度隨平均風(fēng)速的變化關(guān)系.由圖可見(jiàn),湍流積分尺度隨平均風(fēng)速的增大沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化.圖7(b)給出了湍流積分尺度隨湍流度的變化曲線.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,3個(gè)方向湍流積分尺度擬合參數(shù)a分別為106.833,30.756,5.448;擬合參數(shù)b值分別為-146.637,-46.837,-3.201;決定系數(shù)R2.7脈動(dòng)風(fēng)功率譜密度脈動(dòng)風(fēng)速功率譜描述了脈動(dòng)風(fēng)能量在頻率上的分布,反映了脈動(dòng)風(fēng)中不同尺度渦(頻率成分)的動(dòng)能對(duì)湍流脈動(dòng)動(dòng)能的貢獻(xiàn).其中,具有代表性的功率譜包括Davenport譜、Simiu譜、Kaimal譜、VonKarman譜等.本文計(jì)算得到10min時(shí)距內(nèi)順風(fēng)向、橫風(fēng)向與豎向脈動(dòng)風(fēng)速的歸一化功率譜,并與具有代表性的脈動(dòng)風(fēng)速經(jīng)驗(yàn)譜進(jìn)行比較.由于篇幅所限,僅選取平均風(fēng)速最大值(12.06m/s)的10min時(shí)距內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖8.圖中,n為脈動(dòng)風(fēng)頻率;S3風(fēng)振響應(yīng)性能分析3.1風(fēng)振點(diǎn)和傳感器布置本文選擇在南北兩面雙曲面單層索網(wǎng)玻璃幕墻上布置風(fēng)振測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖9),每面玻璃幕墻各布置5個(gè)KD12000L型IC超低頻加速度傳感器.傳感器靈敏度為5V·s3.2最大加速度與風(fēng)速圖10為測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2從2011年8月6日13:00起的加速度時(shí)程曲線.5個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大加速度值分別為0.1824,0.2504,0.1619,0.1514,0.2236m/s為了分析索網(wǎng)測(cè)點(diǎn)加速度與風(fēng)速的關(guān)系,計(jì)算加速度10min時(shí)距內(nèi)RMS值與10min時(shí)距內(nèi)平均風(fēng)速的正風(fēng)分量(與索網(wǎng)垂直的分量),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行y=ax3.3加速度的偏度分析圖12為10min時(shí)距內(nèi)加速度偏度系數(shù)和峰度系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線.由圖可知,加速度數(shù)據(jù)的偏度系數(shù)與高斯分布較接近,峰度系數(shù)均比高斯分布大,最大達(dá)到41.究其原因主要在于,索網(wǎng)結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)作用下表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性,在接近高斯分布的來(lái)流風(fēng)作用下,響應(yīng)具有較強(qiáng)的非高斯性.3.4加速度響應(yīng)功率譜對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換.圖13給出了測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的加速度響應(yīng)功率譜;表1列出了由功率譜識(shí)別出的各測(cè)點(diǎn)前5階自振頻率.由此可知,各測(cè)點(diǎn)的自振頻率較為接近.3.5結(jié)構(gòu)非線性阻尼比與加速度振幅的關(guān)系結(jié)構(gòu)阻尼是結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的重要參數(shù)之一,阻尼比對(duì)于索網(wǎng)設(shè)計(jì)階段響應(yīng)大小的評(píng)估具有重要意義.目前,關(guān)于結(jié)構(gòu)阻尼比的實(shí)測(cè)研究主要集中于高層超高層結(jié)構(gòu),而關(guān)于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的阻尼比實(shí)測(cè)研究則鮮有涉及.隨機(jī)減量法是一種評(píng)估結(jié)構(gòu)非線性阻尼比的有效方法圖14為測(cè)點(diǎn)1前2階模態(tài)阻尼比隨加速度振幅截取閾值的變化關(guān)系,截取閾值取為加速度均方差的0.1~5.0倍.由圖可見(jiàn),隨著振幅的變化,阻尼比變化可分為以下2個(gè)階段:①振幅為加速度均方差的0.1~1.5倍時(shí),阻尼比與振幅基本呈線性遞增關(guān)系,可認(rèn)為是阻尼比線性遞增段;②振幅大于1.5倍加速度均方差時(shí),阻尼比基本不變,可認(rèn)為是阻尼比平穩(wěn)段.選取平穩(wěn)段均值作為阻尼比表征.表2為利用隨機(jī)減量法得到的各測(cè)點(diǎn)阻尼比.3.6主要系統(tǒng)特性分析隨機(jī)子空間法可以從狀態(tài)空間方程中識(shí)別出結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù),而無(wú)需傅里葉變換,在空間模態(tài)較為接近的系統(tǒng)識(shí)別中具有優(yōu)勢(shì),可以比較準(zhǔn)確地識(shí)別出系統(tǒng)頻率、振型等參數(shù)使用有限元軟件對(duì)單片玻璃幕墻索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.表3給出了基于4種方法得出的自振頻率.由表可知,利用譜分析法、隨機(jī)減量法、隨機(jī)子空間法等方法計(jì)算得到的自振頻率較為一致,且與有限元計(jì)算結(jié)果相近.利用有限元法計(jì)算得到的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)前2階振型見(jiàn)圖16.4湍流積分尺度1)通過(guò)分析偏度系數(shù)和峰度系數(shù)發(fā)現(xiàn),3個(gè)方向的脈動(dòng)風(fēng)速均基本符合高斯分布.湍流度隨著平均風(fēng)速的增大而減小,平均值分別為0.33,0.31,0.20.陣風(fēng)因子隨著平均風(fēng)速的增大而減小,平均值分別為1.49,1.40,1.26.順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向脈動(dòng)風(fēng)速影響下順風(fēng)向湍流積分尺度平均值的比值為12.1∶3.4∶1.0,湍流積分尺度與平均風(fēng)速相關(guān)性較小,隨湍流度的增大而減小.順風(fēng)向、橫風(fēng)向及豎向脈動(dòng)風(fēng)速