超高层建筑涡激共振危险性研究

随着超高层建筑高度的大幅增加，其低频、轻质、小阻尼的结构特性越来越突出，因而在强风作用下发生涡激共振的危险性越来越大。由于超高结构的涡激共振是一种大幅度、高强度的简谐振动，在抗风设计时必须考虑其发生的可能性和发生后的危险性。但目前结构风工程界对各种体型的超高层建筑发生涡激共振的危险性和危害性还认识不足，相关的研究不够全面、深入。本申请项目旨在通过风洞试验、数值模拟和理论分析系统地研究典型超高层建筑在各种风场中和各种风向角下涡激共振锁定的激发机制和发生概率，研究其共振锁定发生后的响应，包括响应水平、持时及危害性。同时研究超高层建筑体型及刚心、质心的偏心对涡激共振锁定的发生和响应幅值的影响，并进一步研究局部气动措施对涡激共振锁定的发生和响应幅值的控制效果。该项研究将为超高层建筑涡激动力灾变的危险性评估奠定理论与实验基础并提供实用分析方法。

随着超高层建筑高度的大幅增加，其在强风作用下发生涡激共振的危险性越来越大。然而结构风工程界对各种体型超高层建筑涡激共振的激发机制及其发生的危险性和发生后的危害性的研究还不够完善。本项目针对600m以上的超高层建筑，通过气弹模型风洞试验系统地研究了典型超高层建筑涡激共振锁定的激发机制、发生概率和响应水平，取得了一系列重要成果。主要包括：1.分析了超高层建筑单自由度和多自由度气弹模型涡振响应和气弹参数的差异，指出了差异的根本原因，提出了多自由度气弹模型改进设计方法；2.通过多自由度气弹模型风洞试验直接测得和气动刚度对应的频率改变量，分析了超高层建筑横风向气动刚度随结构运动变化的规律与特点，揭示了体系振动频率与涡脱频率在涡激共振锁定风速范围内相互俘获的现象；3.通过分析多因素对气动阻尼及其产生的气弹效应的影响，构建了气动阻尼与结构阻尼、高宽比、斯科拉顿数等参数的关系，进而建立了具有普适性的考虑多因素的超高建筑横风向气动阻尼比经验评估公式；4.从频率改变量和流固相位关系的角度，给出了涡激共振响应时程不稳定的根本原因，解释了长期以来风工程界早就觉察但一直无法解释的现象，在此基础上，提出了共振发生概率评估模型，划分了共振和非共振的界限；5.针对涡激共振响应的波动性和体系频率的漂移现象，在改进的范德波尔模型的基础上，建立了考虑气动刚度和峰值参数的涡激共振响应评估模型，该模型可用于评估各种地貌中不同高宽比、不同斯科拉顿数的超高层建筑涡激共振响应水平；6. 通过一系列气动外形优化的气弹模型风洞试验，分析了典型气动外形的改变对涡振响应的影响，结合一拟建的838m高实际超高层建筑风洞试验结果，提出了超高层建筑抗涡激共振体型选取方法。本项目的成果为超高建筑结构抗风设计理论与方法的完善提供了依据,为保障600米以上超高层建筑的抗风安全性与可靠性提供了技术支撑。