千米级超高层建筑气动及气弹性能研究

Research on the performance of 1000m-high supper tall buildings at the action of wind is a new challenge in Wind Engineering, which relate to many basic scientific problems, such as wind flow characteristics, wind-induced response and wind-induced vibration control, wind tunnel test method. In the proposal, aero-dynamic and aero-elastic studies of 1000m-high supper tall buildings, the most important issue, are selected to study. High frequency pressure integration wind tunnel test and locking aero-elastic wind tunnel test are carried out to get aero-dynamic force, aero-elastic damping ratio and the critical velocity of aero-elastic instability of 1000m-high supper tall buildings with aerodynamic treatments, i.e., building's plans are tapered, setback and helical with height variations, which are suggested by Prof. Yukio Tamura. In the test, the influence of height of boundary layer and aspect ratio are investigated. Based on aero-dynamic and aero-elastic characteristics, the proper aerodynamic treatments are provided. Moreover, wind-induced responses of 1000m-high supper buildings will be calculated at different velocity and the influence of structural parameters, especially the multi-modal, are investigated. Aero-elastic wind tunnel test with lumped model will also be carried out to verify the calculated results.

千米级超高层建筑抗风性能研究是风工程领域的全新挑战，涉及风场特性、结构风致效应与风振控制、风洞试验方法等诸多基础性科学问题，本项目结合气动措施，选取其中最为关键的风致气动、气弹性能为主要内容，开展研究工作。在合作者Yukio Tamura教授的指导下，选取截面沿高度锥形化、缩进、螺旋的气动措施，通过刚性模型同步测压风洞试验与刚性模型弹性支撑气弹风洞试验确定千米级超高层建筑三维气动力、气动阻尼比、气弹失稳临界风速等关键参数，并在上述试验中着重考察大气边界层高度、长细比的影响，获得千米级超高层建筑气动、气弹特征以及一般性规律，选取合适的气动措施。在此基础上，进行千米级超高层建筑风速全过程结构响应分析，获得结构响应随风速的变化特征，考察结构参数，特别是高阶振型的影响。完成集聚质量模型气弹风洞试验，验证分析结果的可靠性。

随着经济的飞速发展，城市土地资源日益稀缺，我国对超高层建筑的社会需求越来越强烈。近年来，全国范围内计划建造的超高层建筑数量激增，同时其高度也在不断突破。与以往重点关注的400米量级的超高层建筑相比，千米级超高层建筑风致效应问题更为突出和复杂，工程实践急需解决该类超高层建筑抗风设计的关键科学技术问题。在此背景下，围绕千米级超高层建筑的气动和气弹性能进行了研究，取得的主要成果及意义如下。.（1）对北京城市中心区的风场进行了连续5年的长期观测（2013-2017年），研究了大气稳定度对风场特征的影响；从边界层理论出发，重新定义了大气边界层，得到了包括内层、外层的季风型良态风场模型，将适用高度延伸至数千米，为工程实践提供了重要理论基础。.（2）成功测得2013年超强台风“苏力”和台风“潭美”，进一步揭示了台风风场特性；研发了拐点型风场被动模拟装置，首次在风洞实验室成功模拟台风型拐点风场，为研究台风气候条件下风敏感结构的抗风性能提供了重要试验工具。.（3）完成了4种季风型良态风场、2种台风型拐点风场条件下，5种高度、5种长细比的千米级超高层建筑气动性能风洞试验，系统研究了风场、高度、长细比对千米级超高层建筑气动性能的影响；引入POD、ICA等随机场分解方法，对超高层建筑风荷载作用机制进行了识别。.（4）研发了细长型结构底部一维、二维弹性支撑气弹试验平台，并通过电磁装置实现阻尼的连续可调，为系统研究超高层建筑气弹效应提供了重要实验平台；完成了千米级超高层建筑气动性能风洞试验，系统研究了不同条件下， Sc数对千米级超高层建筑气弹性能的影响。.（5）采用数值分析和物理试验相结合的方法，对千米级超高层建筑风速全过程风致效应进行了研究，得到了风致位移响应、加速度响应；研究了结构参数，特别是高阶振型对千米级超高层建筑风振效应的影响，为该类结构的抗风设计提供了重要参考。