土木工程畢業(yè)答辯

高層建筑考慮風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布的風(fēng)致響應(yīng)概率分析辯論人:***專業(yè):土木工程

****大學(xué)論文框架1緒論2高層建筑風(fēng)致響應(yīng)分析3高層建筑風(fēng)致加速度響應(yīng)重現(xiàn)期分析4高層建筑風(fēng)致加速度響應(yīng)動力可靠度計算5結(jié)論與展望匯報流程研究背景與意義課題方向論文要點(diǎn)結(jié)論1234研究背景與意義高層建筑開展迅速，如廣州西塔〔432m〕，京基金融中心〔439m〕,廣州塔〔600m〕，北京、上海、天津、香港、臺灣等許多城市均是如此。高層建筑共同特點(diǎn)：質(zhì)量輕，柔性大，阻尼小，

自振頻率較低因此，風(fēng)荷載在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往起控制作用。研究背景與意義風(fēng)荷載風(fēng)壓風(fēng)速高層建筑玻璃幕墻被強(qiáng)風(fēng)損壞示意圖風(fēng)荷載對高層建筑的作用不至于發(fā)生倒塌破壞，通常對圍護(hù)結(jié)構(gòu)有嚴(yán)重破壞及超限擺動，影響結(jié)構(gòu)的平安性和舒適性。研究背景與意義風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布方法1隨機(jī)過程極值超越法2年最大風(fēng)作用時序法3聯(lián)合分布概率型方法隨機(jī)過程極值超越法年最大風(fēng)作用時序法聯(lián)合分布概率型方法平均風(fēng)速看作具有速度大小、方向的一種二維平穩(wěn)隨機(jī)矢量過程。將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換成風(fēng)作用的系數(shù)和風(fēng)速（大小和方向）的關(guān)系式。構(gòu)造風(fēng)向頻度函數(shù)與各風(fēng)向角下風(fēng)速分布函數(shù)的乘積的條件概率分布模型。理論完善，實(shí)踐很難做到連續(xù)忽略氣動彈性影響，且多用于颶風(fēng)易發(fā)區(qū)。原理簡單，使用方便，但風(fēng)速大小和方向分離，且通常離散化。國外研究較多，Davenport教授國外有部分研究國內(nèi)有部分研究，建立較完善分布模型課題方向?

上述3種方法，均考慮風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布作用，用來解決哪些工程問題。高層建筑平安性舒適度通常滿足要求舒適度評判標(biāo)準(zhǔn)：10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)頂部最大加速度應(yīng)滿足下表使用功能最大加速度住宅、公寓0.15m/s2(15gal)辦公、旅館0.25m/s2(25gal)課題方向高層建筑結(jié)構(gòu)滿足舒適度要求考慮風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布重現(xiàn)期分析可靠度計算隨機(jī)過程極值超越法聯(lián)合分布概率型方法論文要點(diǎn)構(gòu)建加速度響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系式風(fēng)致加速度響應(yīng)重現(xiàn)期分析風(fēng)致加速度響應(yīng)動力可靠度計算123論文要點(diǎn)高層建筑以廣州西塔

為工程背景，廣州西塔

地下4層，地上103層，高432米。簡化為102個質(zhì)點(diǎn)，306個自由度。有限元模型:分析得到質(zhì)量矩陣[M]、及結(jié)構(gòu)前6階自振頻率和振型f1f2f3f4f5f6自振頻率0.12770.13230.35980.4540.45880.8380論文要點(diǎn)X向(304)Y向(305)Z向(306)一階振型-0.00056-0.00351-3.5856e-7二階振型0.003515-0.00057-5.8048e-7三階振型5.27e-5-0.000110.00013387四階振型-0.00319-0.0029-3.1662e-7五階振型0.002952-0.00318-5.1223e-6六階振型0.000791-0.001070.00020957風(fēng)洞試驗(yàn)：在汕頭大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)向角以10°為間隔，通過測壓、測力及風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)獲得36個風(fēng)向角下建筑物的時程荷載。論文要點(diǎn)廣州西塔風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y壓試驗(yàn)參考坐標(biāo)系初始方向〔X軸〕為0度風(fēng)向角，逆時針旋轉(zhuǎn)。本文分析時將全風(fēng)向分為8個風(fēng)向角，正東方向〔X軸〕為0度風(fēng)向角，逆時針旋轉(zhuǎn)，其中45度、135度、225度、315度風(fēng)向角對應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)中40度、130度、220度、310度數(shù)據(jù)。論文要點(diǎn)1構(gòu)建加速度響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系式多自由度結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)動方程：根據(jù)位移振型分解法，結(jié)構(gòu)位移可以表示為：(1-1)(1-2)將式〔1-1〕代入式〔1-2〕，并左乘，得到廣義坐標(biāo)下的運(yùn)動方程：(1-3)對于第階振型，廣義坐標(biāo)下的運(yùn)動方程為：(1-4)論文要點(diǎn)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為：(1-5)根據(jù)維納—辛欽關(guān)系式便可得到模態(tài)力功率譜：模態(tài)位移響應(yīng)譜可由模態(tài)力譜計算：(1-6)(1-7)論文要點(diǎn)第j階振型下頻響函數(shù)：(1-8)第一階頻響函數(shù)模的曲線對于頻響函數(shù)模的曲線，可以分為三段來考慮，以第一階為例：1、第〔1〕段，2、第〔2〕段，3、第〔3〕段，趨于0，忽略論文要點(diǎn)根據(jù)式〔1-7〕及頻響函數(shù)，可知模態(tài)響應(yīng)譜可表示為：第一階模態(tài)響應(yīng)譜曲線對結(jié)構(gòu)模態(tài)位移的響應(yīng)功率譜積分，得到模態(tài)位移響應(yīng)均方根：第〔1〕段，背景響應(yīng)第〔2〕段，共振響應(yīng)論文要點(diǎn)同理可得模態(tài)加速度響應(yīng)均方根：加速度響應(yīng)的均值為零，對于背景響應(yīng)可以忽略，于是可得〔第一階，不失一般性〕模態(tài)加速度均方根響應(yīng)為：無量綱化處理論文要點(diǎn)對于廣州西塔工程，風(fēng)振加速度響應(yīng)的前2階模態(tài)響應(yīng)足以滿足計算要求。結(jié)構(gòu)頂部截面質(zhì)心處x方向加速度響應(yīng)的表達(dá)式：本文計算結(jié)構(gòu)頂部在質(zhì)心處加速度響應(yīng)時，以X方向?yàn)槔?，同理可得Y方向表達(dá)式，不在論述。論文要點(diǎn)式中和為需要擬合的參數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)可得10年、50年、100年重現(xiàn)期時程荷載，因此，分別進(jìn)行擬合，參數(shù)結(jié)果取加權(quán)平均。0度風(fēng)向角45度風(fēng)向角10年重現(xiàn)期一階振型論文要點(diǎn)45度風(fēng)向角0度風(fēng)向角0度風(fēng)向角45度風(fēng)向角10年重現(xiàn)期

二階振型50年重現(xiàn)期一階振型論文要點(diǎn)0度風(fēng)向角45度風(fēng)向角100年重現(xiàn)期

一階振型0度45度90度135度180度225度270度315度β3.64e-111.62e-112.27e-125.98e-123.15e-119.08e-121.29e-112.37e-11α-4.5326-4.0242-3.6216-5.0474-2.7500-3.8587-2.0925-2.3575一階振型下參數(shù)加權(quán)平均后和論文要點(diǎn)2風(fēng)致加速度響應(yīng)重現(xiàn)期分析1、隨機(jī)過程極值超越理論〔Davenport〕年超越概率與風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布密度函數(shù)關(guān)系表達(dá)如下：平穩(wěn)隨機(jī)過程中，和相互獨(dú)立，把看作高斯分布，那么(V、α)論文要點(diǎn)又統(tǒng)計頻率(年循環(huán)率)被定義為那么年超越概率：風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布概率密度函數(shù)滿足舒適度要求對應(yīng)的限值風(fēng)速由前述風(fēng)致加速度響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系式確定，即論文要點(diǎn)舒適度判別標(biāo)準(zhǔn)：a=0.25m/s2中V服從weibull分布〔廣州站氣象分析報告〕實(shí)際工程分析中做不到連續(xù)化，本文將全風(fēng)向離散化為8個風(fēng)向角，因此假定：論文要點(diǎn)〔1〕8個風(fēng)向角中相鄰兩風(fēng)向角之間風(fēng)速成線性變化；〔2〕8個風(fēng)向角中每個風(fēng)向角在順逆π/4弧度內(nèi)風(fēng)向頻率不變。風(fēng)向角0度45度90度135度180度225度270度315度風(fēng)向頻率14.69.831.77.32.42.49.822.0各風(fēng)向角風(fēng)向頻率風(fēng)向角0度45度90度135度180度225度270度315度尺度參數(shù)C9.78.510.57.46.56.67.59.2形狀參數(shù)K2.11.52.61.81.54.12.52.4Weibull分布參數(shù)論文要點(diǎn)風(fēng)向角0度45度90度135度180度225度270度315度超越概率0.00640.05220.00378.3e-44.9e-62.1e-61.7e-56.4e-5確定各風(fēng)向角下年超越概率，及全風(fēng)向年超越概率全風(fēng)向年超越概率：N(V,α)=0.062

重現(xiàn)期為年論文要點(diǎn)2、經(jīng)驗(yàn)公式法〔EmilSimiu〕EmilSimiu和ToshioMiyata給出了風(fēng)速服從Weibull分布的重現(xiàn)期計算公式N年重現(xiàn)期10米高度平均風(fēng)速，可由風(fēng)致結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系式確定，然后換算到10米高風(fēng)速論文要點(diǎn)3、結(jié)果比照經(jīng)驗(yàn)公式法規(guī)范隨機(jī)過程理論法風(fēng)速15.022.015.824.3超越概率0.062折減系數(shù)0.950.720.950.95重現(xiàn)期9.0613.8111.01958.31016.13比照隨機(jī)過程極值超越法：風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布經(jīng)驗(yàn)公式法：不考慮風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布標(biāo)準(zhǔn)氣象報告10年、43年重現(xiàn)期風(fēng)速計算得限值風(fēng)速〔45度、180度〕論文要點(diǎn)風(fēng)致加速度響應(yīng)動力可靠度計算3

聯(lián)合分布概率型方法：采用條件

概率分布的形式確定風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布滿足舒適度要求的失效概率。假定：8個風(fēng)向角中每個風(fēng)向角在順逆π/4弧度內(nèi)的風(fēng)向頻率和失效概率一樣。驗(yàn)算點(diǎn)法——當(dāng)量正態(tài)化論文要點(diǎn)建立結(jié)構(gòu)功能函數(shù)：可由前述風(fēng)致加速度響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系式確定，那么極限狀態(tài)方程：可靠度計算工況1：工況2：風(fēng)速V是唯一變量風(fēng)速V，阻尼比均是變量阻尼比取值：1%阻尼比均值：1%標(biāo)準(zhǔn)差：0.5%論文要點(diǎn)驗(yàn)算點(diǎn)法：當(dāng)量正態(tài)化：聯(lián)立上述5個式子迭代計算可確定結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)及失效概率，結(jié)果如下表。論文要點(diǎn)0度風(fēng)向角設(shè)計驗(yàn)算點(diǎn)風(fēng)向角0度45度90度135度180度225度270度315度β5.3213.5525.4745.6086.9067.6596.2415.8255.159e-81.912e-42.199e-81.023e-82.492e-129.369e-142.174e-102.855e-9工況1結(jié)合風(fēng)向頻率，得全風(fēng)向失效概率：論文要點(diǎn)風(fēng)速V、阻尼比為隨機(jī)變量阻尼比均值：1%標(biāo)準(zhǔn)差：0.5%風(fēng)向角0度45度90度135度180度225度270度315度β5.3213.5525.4745.6086.9067.6596.2415.8255.217e-81.948e-42.250e-81.065e-82.751e-111.029e-132.273e-103.013e-9各風(fēng)向角可靠指標(biāo)和失效概率全風(fēng)向失效概率：工況2全風(fēng)向失效概率：工況2工況1比照結(jié)論〔1〕構(gòu)建風(fēng)致加速度響應(yīng)與風(fēng)速的關(guān)系式時，對做無量綱化處理后進(jìn)行曲線擬合中，10年重現(xiàn)期的數(shù)據(jù)擬合效果很好，50年次之，100年擬合效果不理想。主要與結(jié)構(gòu)固有頻率取值范圍有關(guān)，即擬合區(qū)間范圍，C.M.Chan提到結(jié)構(gòu)固有頻率取值在0.1~1.0間。因此對于不同類型結(jié)構(gòu)，建議擬合區(qū)間取值在結(jié)構(gòu)峰值響應(yīng)對應(yīng)的頻率與結(jié)構(gòu)響應(yīng)夠足小時對應(yīng)的頻率之間。本文主要結(jié)論如下：結(jié)論〔2〕在廣州西塔工程滿足舒適度要求的風(fēng)致加速度響應(yīng)重現(xiàn)期計算結(jié)果比照中，可以看出：標(biāo)準(zhǔn)要求為10年，按EmilSimiu