王 磊,梁樞果,鄒良浩,王述良
(武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,武漢 430072)
風(fēng)工程研究和工程項(xiàng)目抗風(fēng)驗(yàn)算風(fēng)洞試驗(yàn)方式通常有測(cè)力天平[1]、剛性模型測(cè)壓[2]、強(qiáng)迫振動(dòng)[3]、氣動(dòng)彈性模型[1,4-7]等,其中,氣動(dòng)彈性模型尤其是多自由度氣彈模型被認(rèn)為是最為精確的試驗(yàn)方式。一般來說,對(duì)于高度不太高或氣彈效應(yīng)不太明顯的超高層建筑,通常采用剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)或測(cè)力天平試驗(yàn)進(jìn)行抗風(fēng)分析[2,8],而更為高柔的結(jié)構(gòu)則常常要進(jìn)行氣彈模型試驗(yàn),例如某菱形紀(jì)念碑[9]采用了擺式氣彈模型(簡(jiǎn)稱SDOF,下同)試驗(yàn),金茂大廈[1]進(jìn)行了多自由度氣彈模型(簡(jiǎn)稱MDOF,下同)試驗(yàn)。隨著建筑高度的增加,氣彈效應(yīng)尤其是橫風(fēng)向氣彈響應(yīng)變得更為顯著而復(fù)雜,氣彈模型試驗(yàn)就更為必要。對(duì)多自由度氣彈模型試驗(yàn)手段本身而言,既有相關(guān)研究還存在如下不足:一方面,對(duì)不同類型的模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析不夠全面,尤其對(duì)MDOF與SDOF兩種氣彈模型試驗(yàn)結(jié)果的差別沒有給予足夠的重視,Yoshie等[6]雖然初步提到,在相同的試驗(yàn)參數(shù)下,SDOF試驗(yàn)測(cè)得的橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)致響應(yīng)比MDOF試驗(yàn)明顯偏大,但未對(duì)其原因進(jìn)行深入分析;另一方面,有關(guān)MDOF模型簡(jiǎn)化制作方法還有待進(jìn)一步發(fā)展,Isyumov[10]、Yoshie等[6]、全涌等[11]、劉昊夫等[12]先后提出各自的制作方法,這些方法在彎曲振型和剪切振型所占成分控制、扭轉(zhuǎn)向頻率與平動(dòng)頻率的比例調(diào)節(jié)、高階振型與低階振型的比例關(guān)系和阻尼調(diào)節(jié)等問題上各有優(yōu)勢(shì)和局限性?;谏鲜龇治觯疚倪M(jìn)行了同參數(shù)的MDOF與SDOF模型試驗(yàn),分析了兩模型風(fēng)致響應(yīng)出現(xiàn)顯著差別的原因,并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的MDOF模型設(shè)計(jì)方法。
剛性測(cè)壓試驗(yàn)可以獲得建筑表面的脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程,進(jìn)而可根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、隨機(jī)振動(dòng)理論及流體相似理論算得建筑物的極值風(fēng)壓和風(fēng)致響應(yīng)等結(jié)果。剛體模型測(cè)力天平試驗(yàn)可直接得到在來流紊流、結(jié)構(gòu)尾流和特征紊流共同作用下脈動(dòng)風(fēng)荷載所引起的基底剪力和彎矩,即得到了建筑的一階廣義力,該試驗(yàn)方式直觀簡(jiǎn)捷,但無法反應(yīng)高階振型的貢獻(xiàn)。剛性模型測(cè)壓試驗(yàn)和測(cè)力天平試驗(yàn)無法計(jì)及氣彈效應(yīng)的影響,盡管如此,對(duì)氣彈效應(yīng)不顯著或不需考慮氣彈效應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)壓或天平試驗(yàn)可以滿足工程或研究需要。
強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)是通過機(jī)械裝置使上部剛性模型在流體中做定幅定頻振動(dòng),通常是用來研究不同振動(dòng)形式下模型表面的風(fēng)壓特性,該方式事實(shí)上考慮了流固互制作用,因而具有氣彈模型的特點(diǎn)。強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)所得結(jié)果較為穩(wěn)定,因而易于得到較為理想的內(nèi)在規(guī)律,但強(qiáng)迫振動(dòng)與建筑真實(shí)振動(dòng)形式有所差別,所以該方式所得的氣動(dòng)參數(shù)結(jié)果具有一定局限性,其結(jié)果只可做為定性參考。
底部彈性支撐的擺式氣彈模型試驗(yàn)?zāi)M了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,可以直接測(cè)得包含氣彈效應(yīng)的表面風(fēng)壓和結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng),但它只考慮了結(jié)構(gòu)的一階振型貢獻(xiàn),且模型沿高為線性振動(dòng),對(duì)于振型的差別可以通過振型修正來解決,但模型振動(dòng)形式的簡(jiǎn)化所帶來的氣彈效應(yīng)的差別卻難以評(píng)估,從長(zhǎng)期以來的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)來看,振動(dòng)形式的微小差異就可能顯著改變模型的氣彈效應(yīng),進(jìn)而造成風(fēng)致響應(yīng)結(jié)果相差懸殊(下文也說明了這一點(diǎn))。MDOF模型試驗(yàn)則考慮了多階振型的貢獻(xiàn),振動(dòng)形式與實(shí)際情況比較一致,顯然,MDOF模型在此方面是更具參考性的試驗(yàn)方式。
圖1顯示了SDOF與MDOF模型的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖,模擬對(duì)象是高寬比為10的600 m方截面超高層建筑,幾何縮尺比為1∶600,風(fēng)速縮尺比為1∶6,頻率縮尺比為100∶1,本文試驗(yàn)工況的模型一階平動(dòng)頻率約為9.3 Hz,二階平動(dòng)頻率約為27 Hz,在進(jìn)行其他工況試驗(yàn)時(shí)該比值具有一定的可調(diào)性。測(cè)試內(nèi)容為模型頂部橫風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng),試驗(yàn)風(fēng)速為4~16 m/s,預(yù)計(jì)的橫風(fēng)向共振臨界風(fēng)速為9.5~10.5 m/s。試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的地面粗糙度類別有B類和D類流場(chǎng),其湍流強(qiáng)度及風(fēng)速剖面見圖2。
圖1 單(多)自由度氣彈模型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Design of MDOF model and SDOF model
圖2 B類風(fēng)場(chǎng)和D類風(fēng)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果Fig.2 Wind velocity and turbulence intensity of exposure B and D
根據(jù)既有研究結(jié)論[13-14],橫風(fēng)向渦振位移隨 Sc增大而減小,并在風(fēng)場(chǎng)、模型尺寸等試驗(yàn)條件相同時(shí)與斯克拉頓數(shù)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系?;谶@一規(guī)律,本次試驗(yàn)兩模的型斯克拉頓數(shù) (Sc=2Mξ/ρa(bǔ)D2)都設(shè)定為為2.50左右(其中 M,ξ,ρa(bǔ),D分別表示模型當(dāng)量質(zhì)量、結(jié)構(gòu)阻尼比、空氣密度和模型寬度),以保證兩模型試驗(yàn)結(jié)果的可比性,同時(shí),兩模型的當(dāng)量質(zhì)量、阻尼、頻率也實(shí)現(xiàn)近似相等。
圖3給出了同參數(shù)SDOF與MDOF模型在B類和D類流場(chǎng)中的頂部橫風(fēng)向均方根位移響應(yīng),圖中V、n1,和D分別表示表示來流頂部風(fēng)速、模型振動(dòng)頻率和模型迎風(fēng)面寬度。從圖3可以看出,SDOF與MDOF模型的橫風(fēng)向位移響應(yīng)都隨折算風(fēng)速的增大而增加,并在折算風(fēng)速為11附近達(dá)到最大,之后又逐漸減小,這一點(diǎn)與通常的結(jié)論是一致的[5,13],但SDOF模型測(cè)得結(jié)果比MDOF模型明顯偏大,且最大值的相對(duì)差值甚至達(dá)到了100%。
圖3 SDOF與MDOF頂部橫風(fēng)向均方根位移響應(yīng)Fig.3 Across-wind RMSdisplacement of two methods
圖4 為Yoshie等[6]通過同參數(shù)SDOF與MDOF模型所得的橫風(fēng)向位移響應(yīng)(其試驗(yàn)?zāi)P偷哪M對(duì)象為400 m超高層建筑),可以看出,圖4中SDOF模型位移比MDOF模型要大,尤其是對(duì)長(zhǎng)邊迎風(fēng)的矩形截面柱體。對(duì)于本試驗(yàn)而言,由于模型相對(duì)較為高柔,兩手段試驗(yàn)結(jié)果的上述差異也更為顯著。為了探究?jī)赡P惋L(fēng)致響應(yīng)差異懸殊的原因,下文以B類風(fēng)場(chǎng)的模型試驗(yàn)結(jié)果,從響應(yīng)時(shí)程、響應(yīng)譜、氣動(dòng)阻尼、氣動(dòng)剛度和表面風(fēng)壓等幾個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析。
圖4 Yoshie試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results by Yoshie
圖5 給出了兩模型在共振風(fēng)速下的頂部位移響應(yīng)時(shí)程,從圖5可以看出,SDOF位移整體值明顯大于MDOF位移,且SDOF體系的振幅比MDOF更為穩(wěn)定。通常認(rèn)為,當(dāng)發(fā)生鎖定現(xiàn)象時(shí),模型的橫風(fēng)向振動(dòng)會(huì)從隨機(jī)振動(dòng)變?yōu)榇蠓?jiǎn)諧振動(dòng)[15],且簡(jiǎn)諧振動(dòng)振幅與均方根之比為1.41(此處暫且稱其為峰因子),而新近研究發(fā)現(xiàn),鎖定時(shí)的振動(dòng)位移曲線并不是嚴(yán)格的正弦曲線[16-17],只是定頻變幅的類簡(jiǎn)諧振動(dòng),因而其峰因子并不是1.41。圖6給出了兩模型峰因子隨折算風(fēng)速的變化情況,可以看出,在小折算風(fēng)速時(shí)兩模型峰因子相當(dāng),而大折算風(fēng)速時(shí)SDOF模型峰因子明顯小于MDOF模型,這說明SDOF模型的振動(dòng)形式更接近簡(jiǎn)諧振動(dòng),也使得SDOF模型的均方根位移更大。
圖5 MDOF與SDOF頂部位移響應(yīng)時(shí)程Fig.5 Displacement time-history of two methods
圖6 峰因子隨著算風(fēng)速的變化Fig.6 Peak factor at different wind speed
圖7 為兩模型在部分折算風(fēng)速下的位移響應(yīng)譜,從圖7可以看出,小折算風(fēng)速下的響應(yīng)譜存在兩個(gè)譜峰,分別對(duì)應(yīng)于漩渦脫落頻率和結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率,在大折算風(fēng)速下,兩個(gè)譜峰“合二為一”并“停留”在結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率附近。由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率與氣動(dòng)勁度(主要為氣動(dòng)剛度)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系[3,5],從不同折算風(fēng)速下的響應(yīng)譜可以識(shí)別得到結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)頻率,從而考察振動(dòng)過程中氣動(dòng)剛度的變化。圖8給出了不同折算風(fēng)速下體系振動(dòng)頻率隨折算風(fēng)速的變化情況,從圖8可以看出,SDOF體系的頻率改變量較MDOF體系整體偏大,說明氣動(dòng)剛度對(duì)SDOF體系的影響相對(duì)較強(qiáng)。
采用隨機(jī)減量方法可以計(jì)算得到振動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)阻尼比,具體方法可參見文獻(xiàn)[5]。圖9顯示了兩模型在不同折算風(fēng)速下的氣動(dòng)阻尼比,可以看出,氣動(dòng)阻尼比隨折算風(fēng)速經(jīng)歷了由正變負(fù)的過程,并且,在小折算風(fēng)速時(shí),SDOF體系的氣動(dòng)阻尼比絕對(duì)值大于MDOF體系,這對(duì)風(fēng)致位移響應(yīng)起抑制作用,而在大折算風(fēng)速時(shí)則是相反的情況,此時(shí)的氣動(dòng)阻尼特性會(huì)加劇SDOF模型的風(fēng)致位移,從而使兩模型在大風(fēng)下的風(fēng)致響應(yīng)差別更為顯著。
圖7 MDOF與SDOF頂部位移響應(yīng)功率譜Fig.7 Displacement spectrum of two methods
圖8 頻率改變量Fig.8 Frequency drift magnitude
圖9 氣動(dòng)阻尼比Fig.9 Aerodynamic damping
圖10 MDOF與SDOF模型測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程Fig.10 Time-h(huán)istory of point pressure
為了進(jìn)一步分析兩模型風(fēng)致響應(yīng)出現(xiàn)顯著差別的原因,在模型表面布置了一定數(shù)量的測(cè)壓點(diǎn),用掃描閥同步測(cè)壓,測(cè)壓點(diǎn)布置及模型其他具體細(xì)節(jié)將在下一節(jié)給出描述。
同步風(fēng)壓時(shí)程見圖10(此處只分析了幾個(gè)典型測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)位置亦反映在圖10中)。從圖10可以看出,同一側(cè)面上下兩層測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓漲落趨勢(shì)十分一致,即二者的風(fēng)壓相位近乎相同,同一層不同側(cè)面測(cè)點(diǎn)間的風(fēng)壓漲落趨勢(shì)大致相反,說明二者相位差近似為180°,并且,SDOF體系的這兩種現(xiàn)象更為明顯。
相干函數(shù)是直接描述兩點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)荷載頻域相關(guān)程度的參數(shù),通常來說,相干函數(shù)隨頻率的增大呈迅速衰減趨勢(shì)。但是,從圖11的測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓相干函數(shù)曲線可以看出,由于模型的大幅振動(dòng),相干函數(shù)都在振動(dòng)頻率附近顯著增大,且SDOF同側(cè)面不同高度的測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓接近于完全正相干而,而不同側(cè)面同一高度的測(cè)點(diǎn)接近于完全負(fù)相干,這種相位關(guān)系會(huì)加劇模型的風(fēng)致響應(yīng),而MDOF測(cè)點(diǎn)的這種趨勢(shì)相對(duì)較弱,這說明模型的振動(dòng)形式對(duì)表面風(fēng)壓的相干性有較大影響,進(jìn)而對(duì)風(fēng)致響應(yīng)產(chǎn)生影響。
圖11 MDOF與SDOF模型相干函數(shù)Fig.11 Coherence function of measuring points
事實(shí)上,從定性的角度來說,如果只考慮多自由度模型的一階模態(tài),并把多自由度模型的振型分為彎曲型、近似直線型和剪切型,則直線型多自由度模型的響應(yīng)會(huì)與單自由模型一致,彎曲型情況的響應(yīng)則大于單自由度模型,剪切型情況的響應(yīng)會(huì)小于單自由度模型,但當(dāng)考慮高階模態(tài)時(shí),尤其是高階模態(tài)頻率與基階模態(tài)頻率越接近時(shí),這一定性規(guī)律則可能發(fā)生改變,因?yàn)楦唠A振型參振后會(huì)使振動(dòng)形式發(fā)生改變,進(jìn)而引起氣彈效應(yīng)在某種程度上的不同,并可能造成風(fēng)致響應(yīng)的顯著差異。
2.2~2.6節(jié)的研究表明,只有一階模態(tài)參振的SDOF模型與多階模態(tài)參振的MDOF模型相比,不論是氣動(dòng)參數(shù)還是風(fēng)荷載特征,都傾向于使SDOF模型會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的風(fēng)致響應(yīng)??梢?,參振模態(tài)差別并不僅僅造成和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論對(duì)應(yīng)的響應(yīng)計(jì)算上的誤差,而是振動(dòng)形式的不同會(huì)很大程度引發(fā)流固互制效應(yīng)的差別,進(jìn)而造成風(fēng)致響應(yīng)的懸殊,換句話說,顯著影響試驗(yàn)結(jié)果的不是參算模態(tài)(computing modes)而是參振模態(tài)(modes computing to vibrating form)。多自由度模型雖然能在很大程度上解決這一問題,但不同制作方式也會(huì)造成MDOF模型的各階頻率比等方面有所差別,這種差別對(duì)氣彈效應(yīng)及風(fēng)致響應(yīng)的影響難以評(píng)估,下文將對(duì)此進(jìn)行針對(duì)性分析,同時(shí)考慮了彎剪振型成分控制和阻尼調(diào)節(jié)等問題。
圖12分別為文獻(xiàn)[10-12]所采用的MDOF模型制作方法,這些方法各有優(yōu)勢(shì)與不足。具體來說:①采用中間一根立柱的方式較為簡(jiǎn)易,但會(huì)使扭轉(zhuǎn)向剛度嚴(yán)重偏大,其振型成分主要為彎曲型,且不具有可調(diào)性;② 用彈性隔板的方式從理論來說可以考慮高階振型的貢獻(xiàn)和不同風(fēng)向振型的耦合作用,尤其是可精確體調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)向振動(dòng)特性,這種方式能夠比較合理的模擬實(shí)際結(jié)構(gòu),但制作要求和難度較高;③ 采用四周可移動(dòng)立柱的方式可調(diào)性較強(qiáng),制作過程亦較為便捷,當(dāng)立柱靠向中間時(shí)彎曲成分所占比例較大且扭轉(zhuǎn)剛度和二階平動(dòng)頻率相對(duì)提高(見圖13,圖中 d,L,fθ,f1,f2分別表示細(xì)柱間距、模型寬度、扭轉(zhuǎn)頻率、一階平動(dòng)頻率、二階平動(dòng)頻率),這種方式對(duì)高寬比不太大的建筑較為適用,而對(duì)更為高柔(如高度大于600 m)的結(jié)構(gòu)則有其局限性,因?yàn)閷?duì)于較高柔或高寬比較大的建筑,其λθ=fθ/f1通常較大,而 λ2=f2/f1則相對(duì)較小,例如天津高銀 λθ為2.62,長(zhǎng)沙J220的λθ和 λ2分別為2.08和2.23,所以四根立柱加方板的方式通常造成扭轉(zhuǎn)頻率較低而二階平動(dòng)頻率較大。結(jié)合上節(jié)分析可知,在氣彈模型制作時(shí)應(yīng)盡可能地保證各階頻率與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。
圖12 MDOF模型既有制作方法Fig.12 Exist making method of MDOF model
事實(shí)上,如果能將文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]的制作方法相結(jié)合,則在保留上述制作方法優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又能很好地解決其不足之處,圖14給出了相應(yīng)的氣彈模型改進(jìn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖,所模擬對(duì)象為高寬比為10的高層建筑。為滿足鋁板的剛度和質(zhì)量要求,所加工的鋁板為厚10 mm的異形鋁板,該鋁板在很大程度上借鑒了文獻(xiàn)[11]的制作方法;在模型中心設(shè)置了一方形立柱,用以保證模型的整體穩(wěn)定性、彎曲振型的特性和高階振型與低階振型的相對(duì)關(guān)系;四邊有四根3~5 mm的方形柱可以左右(前后)移動(dòng)以調(diào)節(jié)剛度,并控制偏心的具體位置;為控制方柱的移動(dòng)精度及牢固動(dòng)在剛性方板上設(shè)置了若干卡槽;剛性鋁板上8個(gè)豎向備用螺孔可用于固定特制的質(zhì)量塊;對(duì)于通常來說較難實(shí)現(xiàn)的阻尼調(diào)節(jié)問題,采用了在模型內(nèi)部加泡沫條的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)(見圖15)。
按照上述設(shè)計(jì)方法建立有限元模型,圖16顯示了有限元軟件計(jì)算的模型平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振型圖。圖17給出了幾條自由振動(dòng)曲線,可以看出,模型的振動(dòng)模式是十分規(guī)則的衰減正弦曲線,并且,每條振動(dòng)曲線代表了不同阻尼下的衰減曲線,說明上述調(diào)整阻尼的方法取得了很好的效果。
圖13 細(xì)柱間距與頻率比的關(guān)系Fig.13 Relationship betweenfrequency ratio and column distance
圖14 氣彈模型設(shè)計(jì)圖Fig.14 Design of MDOF model
圖15 氣彈模型效果圖Fig.15 Impression drawing
圖16 模型振型圖Fig.16 Mode shape
圖17 模型自由振動(dòng)衰減曲線Fig.17 Free vibration decay curve
本文討論了氣彈模型的優(yōu)勢(shì)及改進(jìn)制作方法,結(jié)論如下:
(1)只模擬一階模態(tài)的SDOF模型與實(shí)際振動(dòng)形式不太吻合,與多階模態(tài)參振的MDOF模型相比,這種偏差并不僅僅造成和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論對(duì)應(yīng)的響應(yīng)計(jì)算上的誤差,而是振動(dòng)形式不同會(huì)很大程度造成流固互制效應(yīng)的差別,進(jìn)而引起風(fēng)致響應(yīng)的懸殊,即顯著影響試驗(yàn)結(jié)果的不是參算模態(tài)而是參振模態(tài)。
(2)SDOF模型在發(fā)生渦致振動(dòng)尤其是大幅渦振時(shí)的負(fù)氣動(dòng)剛度和負(fù)氣動(dòng)阻尼相對(duì)MDOF模型更為顯著,SDOF模型所測(cè)的表面風(fēng)壓,在同一側(cè)面不同高度測(cè)點(diǎn)之間近乎完全正相關(guān),在兩側(cè)面對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)之間則近乎完全負(fù)相關(guān),而MDOF模型的此種現(xiàn)象則不太明顯,這些特征都傾向于使SDOF模型會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大的風(fēng)致響應(yīng)。
(3)采用中間立柱、四周細(xì)柱加剛性方板的方法制作多自由度氣彈模型,能夠合理解決彎曲振型和剪切振型所占成分控制、扭轉(zhuǎn)向頻率與平動(dòng)頻率的比例調(diào)節(jié)、高階振型與低階振型的比例關(guān)系、阻尼調(diào)節(jié)和模型制作的便捷性等問題。
(4)對(duì)于較難實(shí)現(xiàn)的阻尼調(diào)節(jié)問題,采用在模型內(nèi)部加泡沫條的方法可在保證結(jié)構(gòu)剛度不變的同時(shí)較較好地調(diào)試出不同的阻尼。
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