【摘要】本文根據(jù)靜安中心整體鋼平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從幾何外形相似、質(zhì)量系統(tǒng)相似、剛度相似三個(gè)方面設(shè)計(jì)了鋼平臺(tái)系統(tǒng)爬升后狀態(tài)的氣動(dòng)彈性模型。并在大邊界層風(fēng)洞中考察了風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)其風(fēng)致響應(yīng)的影響規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同一點(diǎn)進(jìn)行同樣的風(fēng)向角變化時(shí)，其位移和加速度響應(yīng)的變化趨勢完全不同，位移背風(fēng)向大于橫風(fēng)向，加速度橫風(fēng)向大于背風(fēng)向；此外迎風(fēng)面外掛腳手架局部位移響應(yīng)的均值和峰值偏離90度正迎風(fēng)向而是對(duì)稱出現(xiàn)于90度正迎風(fēng)向兩側(cè)，而加速度將在結(jié)構(gòu)與外圍護(hù)網(wǎng)影響下在橫風(fēng)向15度與165度角處出現(xiàn)突變的局部最值。

【關(guān)鍵詞】超高層；核心筒；整體鋼平臺(tái)；風(fēng)洞試驗(yàn)；氣彈性模型

高層建筑整體鋼平臺(tái)爬升模板腳手系統(tǒng)具有復(fù)雜的體型和較大的迎風(fēng)面且整體剛度較低，屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。目前其設(shè)計(jì)主要考慮重力荷載，對(duì)風(fēng)振效應(yīng)則僅依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與防護(hù)，沒有完善的標(biāo)準(zhǔn)可供參考，在大風(fēng)下難以保障其安全性。例如，2012年臺(tái)風(fēng)“?？笔股虾Ｖ行拇髲B主樓核心筒整體鋼平臺(tái)下掛腳手架的一角底部發(fā)生過大變形。目前對(duì)于整體鋼平臺(tái)系統(tǒng)風(fēng)致振動(dòng)的研究較少。駱艷斌等人[1-3]利用有限元分析和模擬的風(fēng)荷載，研究了上海環(huán)球金融中心整體鋼平臺(tái)腳手架系統(tǒng)的順風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)；高原等人[4]對(duì)上海中心整體鋼平臺(tái)系統(tǒng)的風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞氣彈試驗(yàn)研究，對(duì)比了均勻流場和紊流場的一些影響。但前人研究中對(duì)于整體鋼平臺(tái)局部風(fēng)振響應(yīng)的分析還極為有限。

本文以靜安中心整體鋼平臺(tái)爬升模板腳手系統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)氣彈模型為案例進(jìn)一步考察了鋼平臺(tái)局部位移和加速度響應(yīng)特點(diǎn)。

1、氣彈試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原型

靜安中心整體鋼平臺(tái)爬升模板腳手系統(tǒng)（下文簡稱為整體鋼平臺(tái)系統(tǒng)）主要由平臺(tái)系統(tǒng)、外掛腳手架系統(tǒng)、內(nèi)掛腳手架系統(tǒng)、大模板系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)等組成。位于體系頂端的鋼平臺(tái)由縱橫工字鋼梁組成，平面形狀為切角后的矩形，上覆平臺(tái)鋼板，外圍包裹擋板，通過連接梁與內(nèi)、外掛腳手架系統(tǒng)連接，形成一個(gè)完全封閉的施工環(huán)境。主次平臺(tái)梁由HN400×200×8×13型鋼組成。豎向吊架由C8槽鋼和48×3腳手鋼管組成，走道板為L40×4角鋼框架加鋼板網(wǎng)組成。

1.2 模型設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)整體鋼平臺(tái)系統(tǒng)為氣彈模型，核心筒為剛體模型。核心筒模型設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮了幾何外形相似，以木板為制成材料，按實(shí)際結(jié)構(gòu)確定總體開洞率。整體鋼平臺(tái)系統(tǒng)模型則需從幾何外形、質(zhì)量系統(tǒng)和彈性剛度三個(gè)方面進(jìn)行了相似性模擬。

實(shí)驗(yàn)經(jīng)阻塞率計(jì)算后選取的幾何相似比為1：25，此時(shí)阻塞率為（1.0136×1.714）/30 = 5.79 %，以此計(jì)算各相似關(guān)系如表1所示，其中對(duì)應(yīng)的風(fēng)速比為1：5。模型設(shè)計(jì)時(shí)將模型構(gòu)件所需滿足的截面慣性矩作為控制目標(biāo)進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)，考慮原型材料鋼材各向同性的材料特性選擇紫銅作為模型材料，并通過鉛絲配重保證質(zhì)量相似比。迎風(fēng)面構(gòu)件考慮迎風(fēng)面面積相似比設(shè)置ABS外衣，考慮外掛腳手架外圍包裹的密目網(wǎng)對(duì)整體鋼平臺(tái)的影響在外掛腳手架外圍設(shè)置了ABS材質(zhì)網(wǎng)格用以模仿密目網(wǎng)。

2、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ-3大氣邊界層風(fēng)洞進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為2m高×15m寬×14m長。由于整體鋼平臺(tái)系統(tǒng)總高度不高，在其高度范圍內(nèi)風(fēng)速變化不大，因此試驗(yàn)未模擬風(fēng)剖面，而采用均勻流場，試驗(yàn)湍流強(qiáng)度為10%。

采用激光位移計(jì)和加速度計(jì)測量了氣彈模型兩個(gè)位置的位移和加速度響應(yīng)，測點(diǎn)布置如圖2所示，其中D1和D2為激光位移計(jì)，A1和A2為加速度計(jì)?？疾炝巳鐖D2所示13個(gè)風(fēng)向工況和不同風(fēng)速條件下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特點(diǎn)。D1和A1 測量方向?yàn)閄向，D2和A2測量方向?yàn)閅向。

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 位移響應(yīng)

3.1.1 隨風(fēng)向角變化規(guī)律

如圖3（a）為風(fēng)速6m/s時(shí)，D1測點(diǎn)處位移響應(yīng)均值和峰值隨風(fēng)向角變化曲線。可以看出，在0到75度風(fēng)向角范圍內(nèi)，位移均值和峰值逐漸增大；在105到180度風(fēng)向角范圍內(nèi)，位移均值和峰值逐漸減小。均值和峰值的最大值均出現(xiàn)在105度風(fēng)向角，最大均值為1.9mm，最大峰值為2.2 mm。位移最大值并未出現(xiàn)在正迎風(fēng)風(fēng)向0度工況下，這是由于105度風(fēng)向下，模型具有更大的迎風(fēng)面積。因?yàn)槟Ｐ陀星薪牵⒎峭耆珜?duì)稱，因此在0到180度范圍內(nèi)位移響應(yīng)并不完全對(duì)稱。注意到0度和180度工況下位移方向相反，但0度時(shí)位移絕對(duì)值較小，這是由于切角減小了0度時(shí)結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)荷載。

如圖3（b）為風(fēng)速6m/s時(shí)，D2測點(diǎn)處位移響應(yīng)均值和峰值隨風(fēng)向角變化曲線。從0度至180度風(fēng)向，D2測點(diǎn)由背風(fēng)向—橫風(fēng)向—迎風(fēng)向變化?？砂l(fā)現(xiàn)在0度至75度范圍內(nèi)，位移逐漸減小，105度至180度范圍內(nèi)位移逐漸增大。但90度工況下位移絕對(duì)值比臨近風(fēng)向角75度和105度大，這是因?yàn)?0度為橫風(fēng)向，漩渦脫落導(dǎo)致橫風(fēng)向風(fēng)振略微加劇。最大位移出現(xiàn)在180度風(fēng)向下，即D2測點(diǎn)正面迎風(fēng)時(shí)，最大均值為1.9 mm，最大峰值為2.5 mm?？傮w上，迎風(fēng)時(shí)的位移比背風(fēng)時(shí)位移大，順風(fēng)向位移比橫風(fēng)向位移大。

3.1.2 隨風(fēng)速變化規(guī)律

如圖4（a）和4（b）分別為測點(diǎn)D1和D2的順風(fēng)向和橫風(fēng)向位移響應(yīng)峰值隨風(fēng)速變化曲線。可以看出，順風(fēng)向和橫風(fēng)向位移峰值的絕對(duì)值均隨風(fēng)速增大而增大。相比而言，順風(fēng)向位移比橫風(fēng)向位移大。最高風(fēng)速6 m/s時(shí)，D1測點(diǎn)的順風(fēng)向位移峰值最大值約為2.0 mm， 而橫風(fēng)向位移絕對(duì)值僅為0.2 mm；D2測點(diǎn)的順風(fēng)向位移峰值最大值約為2.5 mm， 而橫風(fēng)向位移絕對(duì)值僅為0.3 mm。另外可以發(fā)現(xiàn)，D1和D2測點(diǎn)的順風(fēng)向位移均隨風(fēng)速增大而明顯增大，而橫風(fēng)向位移隨風(fēng)速增加不明顯，這說明順風(fēng)向位移隨風(fēng)速變化更加敏感。橫風(fēng)向位移均沒有出現(xiàn)隨風(fēng)速變化突然增大的現(xiàn)象，因而可以判定，小于6m/s風(fēng)速下，模型并未發(fā)生橫風(fēng)向渦激共振。

3.2 加速度響應(yīng)

3.2.1 隨風(fēng)向角變化規(guī)律

圖5（a）為風(fēng)速6m/s時(shí)，A1測點(diǎn)的加速度均方根值（RMS）隨風(fēng)速變化曲線。總體上，從0至180風(fēng)向范圍內(nèi)，加速度先逐漸增大再逐漸減小。但15度和165度風(fēng)向下，加速度比前后風(fēng)向工況較大，這可能是由于受到腳手架系統(tǒng)及外圍護(hù)網(wǎng)的影響，該風(fēng)向下結(jié)構(gòu)受到的脈動(dòng)風(fēng)荷載增大，進(jìn)而導(dǎo)致加速度突增。75度風(fēng)向角下A1測點(diǎn)加速度達(dá)到最大值，約為0.004m/s。

圖5（b）為風(fēng)速6m/s時(shí)，A2測點(diǎn)的加速度均方根值（RMS）隨風(fēng)速變化曲線。和D2測點(diǎn)一樣，從0度至180度風(fēng)向，A2測點(diǎn)由背風(fēng)向—橫風(fēng)向—迎風(fēng)向變化。但是A2測點(diǎn)的加速度隨風(fēng)速變化規(guī)律和D2測點(diǎn)的位移不同，這是因?yàn)榧铀俣软憫?yīng)受脈動(dòng)風(fēng)荷載的影響，而位移響應(yīng)主要受到平均風(fēng)荷載影響。橫風(fēng)向（90度）時(shí)，D2測點(diǎn)的位移響應(yīng)比背風(fēng)時(shí)（0度）還小，但是A2測點(diǎn)的加速度響應(yīng)比背風(fēng)時(shí)大；這說明背風(fēng)區(qū)承受的平均風(fēng)荷載較大，而脈動(dòng)風(fēng)荷載較小，因此位移響應(yīng)較小而加速度響應(yīng)較大?？梢钥闯?，A2測點(diǎn)的加速度從0至180度方向逐漸增大，迎風(fēng)時(shí)加速度均方根達(dá)到最大值，約為0.006 m/s。另外可以看出，從120度至180范圍內(nèi)，加速度對(duì)風(fēng)向變化最敏感。

3.2.2 隨風(fēng)速變化規(guī)律

如圖6（a）和6（b）分別為測點(diǎn)A1和A2的順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度均方根值隨風(fēng)速變化曲線。順風(fēng)向加速度和橫風(fēng)向加速度均隨風(fēng)速增大而增大，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，兩者大小相近，隨風(fēng)速變化規(guī)律也相近；但當(dāng)風(fēng)速超過4 m/s時(shí)（A2測點(diǎn)為3.5m/s），順風(fēng)向加速度對(duì)風(fēng)速增加更為敏感，逐漸大于橫風(fēng)向加速度。風(fēng)速6m/s時(shí)，A1測點(diǎn)和A2測點(diǎn)的最大橫風(fēng)向加速度均方根值相近，約為0.003m/s，但順風(fēng)向加速度A2測點(diǎn)更大。

結(jié)論：

通過對(duì)氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果就進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）迎風(fēng)面外掛腳手架長邊中心的局部位移響應(yīng)的位移均值和峰值的最大值均偏離90度正迎風(fēng)風(fēng)向，對(duì)稱出現(xiàn)在75度和105度風(fēng)向角下，進(jìn)行腳手架抗風(fēng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)應(yīng)予以注意。

（2）位移響應(yīng)迎風(fēng)時(shí)最大，背風(fēng)向時(shí)次之，橫風(fēng)向時(shí)最小，橫風(fēng)向位移最大值出現(xiàn)于與風(fēng)向角成90度時(shí)。

（3）同一點(diǎn)同一風(fēng)向角變化時(shí)加速度和位移響應(yīng)變化趨勢不同，加速度響應(yīng)在迎風(fēng)時(shí)最大，橫風(fēng)向是次之，背風(fēng)向時(shí)最小。這和位移響應(yīng)背風(fēng)向時(shí)大于橫風(fēng)向的規(guī)律相反。這說明外掛腳手架的背風(fēng)區(qū)主要承受平均風(fēng)荷載，脈動(dòng)風(fēng)荷載較??；而橫風(fēng)向作用區(qū)域主要承受到脈動(dòng)風(fēng)荷載作用。

（4）與順風(fēng)向位移和加速度對(duì)風(fēng)速變化敏感不同，在不超過6m/s風(fēng)速下，模型并未發(fā)生橫風(fēng)向渦激共振，橫風(fēng)向位移和加速度隨風(fēng)速增加不明顯。

（5）加速度將在結(jié)構(gòu)與外圍護(hù)網(wǎng)影響下在橫風(fēng)向15度與165度角處出現(xiàn)明顯大于前后風(fēng)向工況且僅略小于迎風(fēng)向加速度的局部最值。

參考文獻(xiàn)：

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