强风作用下超高层建筑风效应实测中的几个关键问题的研究

Full-scale measurement of super high-rise buildings under strong wind is a long-term fundamental research work. Although many achievements have been made, there are still many problems worthy of further study. For example, most of the existing research results are obtained in the case of weak wind-induced vibration instead of strong wind-induced vibration; there are great differences in the conclusions on wind-induced damping characteristics of super high-rise buildings; reliable analysis methods are lacking for the parameter identification of complex coupled systems with modal coupling (MCE) and wind-structure interaction (WSI) effects; weak signal with poor signal-to-noise ratio is difficult to compare effectively with wind tunnel test results. In view of the above problems, this project will propose a reliable modal parameter identification method for super high-rise buildings with MCE and WSI effects. The influence of WSI effect and other potential factors on the structural dynamic characteristics including frequency and damping ratio will be revealed, and suggestions on the damping ratio of super high-rise buildings with different structural systems are further given and an effective aerodynamic load estimation method will be further established. The wind tunnel test results will be compared with the full-scale measurement data under strong wind vibration, which provides a basis for modifying the wind tunnel test method and theoretical model. The research of this project will further improve the reliability of wind effect evaluation of super high-rise buildings and provide technical support for the improvement of wind-resistant design of super high-rise buildings.

强风作用下超高层建筑现场实测是一项长期的基础性研究工作。已有研究虽取得了许多成果但仍存在不少值得继续研究的问题如：已有绝大多数研究结果均是在弱风振而非强风振情况下获取的；超高层建筑风致阻尼特性的研究结论存在较大差异；对存在模态耦合效应(MCE)和风与结构相互作用(WSI)效应的复杂耦合系统的参数识别仍缺乏可靠的分析方法；信噪比差的弱振信号很难以与风洞试验结果进行有效比较等。为此，本项目将研究适用于在强风作用下存在MCE和WSI效应的超高层建筑的参数识别方法，通过对已有和后续获取的强风振实测数据进行参数识别和分析，揭示WSI和其它潜在因素对结构动力特性(频率和阻尼比)的影响规律，建立有效的气动荷载估算方法；将强风振实测数据和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。本项目的研究将进一步提高超高层建筑风效应评估的可靠性，为超高层建筑抗风设计的进步提供技术支撑。

在基金项目（51908226）支持下对强风作用下超高层建筑风效应实测、风洞试验和不同方法相互验证问题开展系统性研究，内容包括：1).超强台风期间珠三角地区不同高度和平立面外形的超高层建筑的风效应实测研究，选择有代表性的项目进行现场实测与风洞试验的对比验证以及横风向风致振动机理的探索；2).以台风“山竹”期间深圳地区结构响应最大的超高层建筑为原型设计了其多自由度气弹模型并进行了系统地风洞试验研究，对超高层建筑的动力特性进行了归纳总结；3).针对HFFB试验中天平各分量之间相互耦合以及BMS对气动荷载的动力放大作用，基于一种自适应盲源分离算法提出来HFFB的时域校准方法；4).适用于各种复杂的气动荷载信号畸变情况的高频底座力天平畸变气动荷载信号的通用修正方法研究；5).基于高频底座测力天平（HFFB）试验的复杂超高层建筑结构三维耦合风振响应的计算方法的研究。.项目主要贡献如下： .1)分析总结了超强台风时珠三角地区数栋超高层建筑的风致响应实测结果的规律性,结合实测和风洞试验分析和评价代表性超高层建筑的抗风性能，为风洞试验的改进提供思路，验证了风洞试验的准确性。.2)通过多自由度气弹模型试验重现了超高层建筑现场实测中发现的新特性和新规律，并系统性总结了具备该特性的超高层建筑的风振特性，验证了风洞试验对该类建筑评估的准确性。.3)解决了当前HFFB的动力校准中无法得到准确的校准后时程信号的难题，提出了一种基于自适应盲源分离算法的HFFB时域校准方法。.4)提出了高频底座力天平畸变气动荷载信号的通用修正方法，全面攻克了各种复杂的气动荷载信号畸变难题，并且能有效抑制噪声干扰，还能获取修正后的时程信号便于进一步的时程分析。.5)考虑双耦合系统(天平-模型系统和结构原型系统)，建立了基于HFFB试验的超高层建筑结构耦合风振响应、等效基底内力的通用计算方法。.本项目迄今为止发表论文13篇、获发明专利授权2项，合作培养硕士研究生1名。