基于风振响应的超高层建筑风荷载反分析方法研究

The proposed project aims to investigate the inverse wind load identification of super-tall building in detail through field measurements, wind tunnel tests and theoretical analysis. An Internet-based Monitoring system will be installed in a typical super-tall building and significant field data can be acquired by the wind and vibration monitoring systems during typhoon and tropical cyclone storms. The dynamic properties and wind-induced characteristics of the tall building will be determined based on the field measurements. The practical method in both frequency and time domains for inverse wind load identification of super-tall building will be developed, which will be applied to the wind load of a typical super-building using the measured dynamic properties and wind-induced responses. The results may provide a fundamental improvement of knowledge in wind loading and the response of the super-tall building. The effect of variables such as the type of response, the level of uncertainty in dynamic properties of the structure, and the possible modeling errors, etc, on the wind load estimation will be evaluated in detail. The inverse wind load identification of super-tall building will be further developed and improved through a series of aeroelastic model tests. Moreover, the numerical analysis will be employed to evaluate the accuracy of the inverse wind load identification of super-tall building. The results generated from this comprehensive project are expected to be very useful to the wind engineering community and the wind-resistant design of super tall buildings.

本项目将现场实测、风洞实验和理论分析结合起来，系统地研究超高层建筑风荷载反分析方法。基于互联网技术建立超高层建筑风效应监测系统，测试强/台风登陆过程中的风特性及结构风致响应，获取超高层建筑的动力特性和风振信息；研究超高层建筑风荷载频域及时域反分析新方法，建立相应的理论模型；以实测动力参数及风致响应为基础反演超高层建筑顺风向、横风向的脉动风荷载，系统地研究超高层建筑风荷载的作用机理及风致响应的规律性特征，评估响应类别、动力特性参数估计误差及有限元模型分析误差等因素对风荷载反演结果的影响；开展气动弹性风洞实验，进一步发展和完善超高层建筑脉动风荷载的反分析理论；利用数值模拟评估脉动风荷载反分析方法的适用性及可靠性，提出实用的反演算法。研究成果将为超高层建筑抗风设计及相关研究提供有用的资料及依据。

随着轻质、高强材料的广泛应用，现代超高层建筑往更高、更柔的方向发展, 风荷载成为此类结构的主要控制荷载。一般的来说，超高层建筑风致响应的测量技术较为成熟，但风荷载却难以实现现场测量。因此，根据实测结构动力参数及风致响应来反演结构风荷载，成为间接量测超高层建筑风荷载的一种有效途径。.本项目综合运用现场实测、风洞实验和理论分析，系统地研究了超高层建筑风荷载反分析方法。建立了基于互联网的远程结构健康监测系统，测试了多次强/台风过程中的风场特征及超高层建筑结构风振响应，分析了城市上空的强/台风特性（包括平均风速、风向、湍流强度、阵风因子、峰值因子、湍流积分尺度和风速谱），验证了风场的湍流强度和阵风因子随风速的增大而减小、湍流积分长度随平均风速的增大而增大等规律，建立了典型城市中心的湍流剖面模型。在大量实测风致响应数据的基础上识别了结构的自振频率、振型，并与有限元计算结果进行了对比，利用随机减量法评估了结构阻尼比随振幅的非线性变化特征。基于卡尔曼滤波基本理论提出了三种风荷载反演新方法，并结合有限楼层的实测风致响应和动力参数实现了超高层建筑未知风荷载及风致响应的实时同步反演，揭示了超高层建筑风荷载的作用机理。完成了不同外形的超高层建筑物在不同流场条件下的风洞实验，利用实验得到的风致响应识别了结构风荷载，并与风洞实验结果开展了对比性研究，评估了风致响应类别、结构动力参数估计误差、模态截断、测量噪声及噪声协方差矩阵等因素对风荷载反演结果的影响，验证了三种反演新方法的有效性。对典型超高层建筑开展数值模拟研究，进一步评估了三种反演新方法的适用性及可靠性。研究成果将为超高层建筑抗风设计及相关研究提供有用的资料及依据。