强风作用下超高层建筑风效应的实测和风洞试验研究

Full-scale measurement of the effect of strong wind on super tall buildings is an important and long-term fundamental research work. While overestimation of the wind effect may lead to uneconomical decision, underestimation of this effect will induce unsafe structures or uncomfortable living conditions for the occupants. Due to the uncertainties of structural dynamic modeling and wind field characteristics, the associated problems of the simulation technique in the wind tunnel modeling may cause differences between the model test and the site measurement. Results and conclusions of current studies in this area are still not sufficient to completely reflect the intrinsic characteristics of wind effects on super tall buildings. To this end, in this project we propose to construct a GPRS based wireless synchronized observation system for monitoring the wind effects on super tall buildings of different structural categories in the strong wind areas of China. Field measurement of the wind effect on tall buildings will be conducted and large amount of test data, that have a wide coverage on tall building parameters, will be obtained in a shorter period of time comparing to traditional measurement system. The corresponding effective method will be investigated and applied to analyze the full-scale test data, which will help to reveal the real characteristics of the structural dynamic properties and intrinsic characteristics of the aerodynamic wind load acting on tall buildings of different structural systems. Improved techniques for wind tunnel test and theoretical model will be developed based on the comparative and theoretical analyses of the prototype measurement and the wind tunnel experiment. This project is also targeted to find solutions for some important fundamental problems that have not been well addressed in wind-resistant investigation on super tall buildings. The accomplishment of this project will have great significances in improving basic scientific understanding and providing technical guidelines for wind-resistant design of super tall buildings.

强风作用下超高建筑的风效应实测是风工程非常重要的基础性和长期性工作。已有在超高建筑实测研究所取得的成果和结论还远不足以全面反映建筑风效应内在特性的规律，结构动力学模型、风场参数存在的不确定性以及风洞模拟试验技术存在的问题会导致模型试验的结果和原型的风效应之间存在一定的差别，因而会高估风效应而造成浪费或低估风效应而导致不安全或居住者不舒适性。基于此，提出本项目研究，针对我国强风地区不同体系的超高建筑，构建基于GPRS的远程实时同步监测系统，用较短时间获取量大和覆盖面广的结构风致响应数据，采用有效的分析方法对实测数据进行分析，获取不同结构体系建筑的结构动力特性和气动荷载特征，同时将实测数据和模型的风洞试验结果进行对比分析，为修正风洞试验方法和理论模型提供依据。通过本项目研究，进一步加深对超高建筑抗风研究中尚未解决的一些重要基础性科学问题的认识，为超大尺度的超高建筑抗风设计提供重要的技术支撑。

在基金项目（51278204）支持下对强风作用下超高层建筑风效应的实测和风洞试验开展系统性研究，研究包括以下方面：1). 针对我国强风地区不同体系的超高建筑，构建基于GPRS的远程实时同步监测系统，并利用该系统对建筑的风效应进行数年的持续观测；2). 研究风洞同步测压信号降噪的有效方法，分析现有信号参数识别的时、频域技术中存在的问题和可能的改进方法；3). 建筑结构风效应实测结果和相应风洞试验的对比；4).通过对测量信号的参数识别，研究结构模态参数随结构振动幅值变化的规律；5).建筑外形对超高层建筑横风效应影响及气动抗风措施；6). 不同宽度比和不同高度比的2个高层建筑间的风压干扰效应；7).完成4栋高度超过400m的超高层建筑的抗风研究试验，它们是：宁波城市之光主塔高451.5m，济南恒大国际金融中心高518m、南宁东盟塔高528m、合肥恒大中心高518m。项目的主要贡献在于以下几个方面：.1). 近6年来对位于珠江三角洲地区数栋建筑风效应的连续监测，遇见了和深圳地区10年重现期相当的最大风速，测到的最大峰值加速度仅为0.123m/s2，表明这些建筑的舒适度能够满足要求；2). 在对几类小波基降噪效果分析的基础上，发现symN小波是风洞测量风压时程信号预处理的最优小波基，通过调整其消失矩阶数可分别获得不同信噪比信号的最佳降噪效果；3). 提出了适合有色噪声激励参数识别、精度更高的改进贝叶斯谱密度方法；4). 对几栋超高层所历经几次台风过程测得信号进行参数识别，结果显示识别的不同风况结构自振频率变异性非常小，但基本上均高于设计阶段有限元数值分析的结果，且最大差别可达20%，而识别的阻尼比呈现离散性，且与已有研究的结论不同，识别的阻尼比和振动幅值不存在统计相关性；5).在风场和结构参数基本一致的情况下，实测结果和风洞试验结果具有良好的一致性，这说明风洞试验的可靠性；6). 提出了用于超高层建筑模型抗风试验的高频底座力天平的动力校准方法；7). 总结建筑外形对超高层建筑横风向效应的影响的基本规律，提出超高层建筑横风向气动力的控制策略及其适用性条件；8). 提出反映建筑并列布置时侧立面最大峰值风压干扰因子随并列间距变化的高精度回归关系式。.迄今为止发表论文11篇。