高层建筑楼顶钢塔风振效应的参数研究

本文针对高层建筑楼顶钢塔的风振效应开展研究,采用线性滤波法模拟了结构的脉动风荷载时程,探讨了主体结构、楼顶钢塔及二者整体工作三种情况的动力特性,分析了脉动风速谱、频率比、楼顶钢塔高度和跨度等6种不同参数对结构顺风向风振动力性能的影响,并对比分析了线性和非线性粘滞阻尼器及粘弹性阻尼器三种速度相关型阻尼器对结构楼顶钢塔风振效应的控制效果。结果表明,结构楼顶钢塔设计时应避开主体结构的前三阶自振频率,以降低鞭梢效应;风荷载作用下楼顶钢塔的风振响应远大于主体结构,随基本风压和钢塔高度的增大而增大,但随钢塔跨度的增大而减小;阻尼器可有效衰减楼顶钢塔的风振响应,粘滞阻尼器对楼顶钢塔风振响应的减振效果优于粘弹性阻尼器,而非线性粘滞阻尼器的减振效果又优于线性粘滞阻尼器。     

风对隔震建筑物居住舒适度的影响

在时域上通过数值模拟分析,研究了顺风向和横风向脉动风荷载对基础隔震建筑物居住舒适度的影响。隔震系统包括叠层橡胶隔震器和铅阻尼器,叠层橡胶隔震器采用退化滞回模型进行分析,铅阻尼器则运用双线形模型分析其恢复力。基于脉动风速的多点自咽归模拟方法,根据功率谱函数和空间相关特性模拟脉动风力时程曲线。通过实例,研究了隔震建筑物风振响应特性,讨论了相关参数对振动特性的影响,为脉动风载下隔震建筑物的居住舒适度分析与计算提供了一个有效方法。     

台风作用下大型风电结构破坏模式研究

针对沿海风电场及风电结构数量快速增长、结构频遭台风破坏问题,采用不随高度变化的台风脉动风功率谱,基于线性滤波法与竖向相关性简化表达式模拟沿海某风电场台风风场模型,并通过功率谱密度函数验证其准确性。建立风电结构-桩基础耦合有限元模型,计算风电结构在上、下限台风风速条件下动力响应时程,分析极端风况下风电主体结构可能破坏模式。结果表明,塔筒屈服区域集中在塔筒底端约4 m高度范围内,呈锥形分布。塔筒底端与基础预埋环连接处最不利。在上限台风风速条件下,塔顶水平位移超出容许值。两种风速条件下,最不利单桩轴力均未超出限值。该方法可为研究风电结构在极限风况下非线性倒塌奠定重要基础。     

斜拉索上瞬时风速与风荷载的数值模拟

基于线性自回归模型法,确定了随时间和高度变化的脉动风模拟方法,编制了瞬时风速和风荷载模拟程序。将此方法应用到斜拉索结构,对苏通大桥Z34号拉索表面的风速、风荷载进行模拟。对所得脉动风时程进行谱分析和数理统计分析。结果表明,模拟点处模拟谱与目标谱吻合较好,证明了模拟结果的准确性。     

大跨越输电塔线体系随机脉动风场模拟研究

为在时域内分析大跨越输电塔-线体系风振响应,根据结构体型特征和脉动风场的功率谱特性,考虑输电塔-线分布、平均风剖面变化、功率谱能量与相干性等影响因素,提出了简化作用于输电塔线体系的多变量三维脉动风场(n-V-3D)为多变量一维脉动风场(n-V-1D)分析方法。结合输电塔线体系有限元法风振响应分析的特点,应用谐波叠加法和谱分解的适当修正,建立了脉动风速时程数值模拟方法。实例模拟表明,数据符合统计检验,模拟功率谱与目标谱吻合,从而验证了模拟方法的有效性和模拟脉动风速时程适用性。     

基于POD的大涡模拟入流脉动合成方法研究

针对并行计算特点,发展适用于流体并行计算的大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)入流脉动直接合成方法。基于特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)型谱表示法合成入流面主要网格点脉动风速时程,采用有限元形函数空间插值获得入流面所有网格点风速时程,采用UDF(User Defined Functions)编程实现Fluent软件平台流体并行计算时合成的脉动风速时程读入及赋值。进行B类1:500缩尺比风场内宽高比1：6的单体方形截面高层建筑非定常绕流LES计算,将数值模拟所得风剖面、风速谱及结构风压系数统计值、自谱、相干性等,与刚性模型测压风洞试验及文献数值模拟结果比较。研究表明,该合成方法可较好模拟紊流风场,预测结构风荷载具有一定精度。     

风载和地震波联合作用下风电机组钢混组合式塔架响应控制研究

为了探究钢混组合式塔架结构(混塔)在风载荷和地震波联合作用下的结构响应,建立了钢混组合式塔架的有限元模型,采用Davenport脉动风速谱,基于AR线性滤波法对脉动风速进行时程模拟;并基于结构所处的场地条件,对混塔进行相应的地震波时程分析。在此基础上,采用基础隔震结构、单个调谐质量阻尼器(single tuned mass damper, STMD)和分布式多重调谐质量阻尼器(distributed multiple tuned mass damper, D-MTMDs)结构、以及隔震结构和D-MTMDs结构组合而成的混合控制结构等一系列控制方法对混塔的响应进行了控制,并采用了七种评价指标对各控制方法的优劣进行了相应的评估。计算结果表明,混合控制结构可以结合隔震结构和D-MTMDs结构的控制优点,不仅展现对风载响应的良好控制,也显示出对风载和地震波联合载荷响应优异的控制效果。     

高层建筑结构的风荷载模拟及风振控制

针对高层建筑在风荷载作用下振动反应较大的问题,提出应用MR阻尼器对该结构体系进行风振控制的方法.首先在明确风荷载特征的基础上,采用Davenport风速谱并根据Shinozuka理论,应用简谐波叠加法分别模拟了脉动风速和脉动风压时程曲线,求出了该风谱的功率谱密度和相关函数,通过与实测相关曲线比较,验证了所述方法的有效性.最后建立了MR阻尼器的力学模型,选用半主动控制的准最优控制算法,提出一种改进的"开关"半主动控制策略,使MR阻尼器的出力近似等效于主动控制的最优控制力.结合某12层框架结构,利用数值分析方法对其风振反应进行了计算机模拟,结果表明此方法有效地减小了结构的动力反应,减振效果良好.     

基于有限振动信号的某移动天线有限元风荷载动力反应分析

提出了一种现场实测的有限振动信号与结构有限元模型模拟分析相结合的方法来获得结构（天线）在实际风荷载作用下的动力反应,即首先测试结构在脉动风荷载作用下的有限振动信号,如：加速度时程和频谱曲线,然后通过结构运动方程模拟出脉动风荷载时程并施加到结构有限元模型中,通过有限元计算求出模拟风荷载与实际风荷载之间的修正系数k,最后把修正后的风荷载时程再次施加到有限元模型中进而得出结构在实际脉动风荷载作用下的内力。通过比较,有限元分析结果与试验结果吻合较好,为结构在脉动风荷载作用下的全过程反应分析提供了一种简便方法。     

广东科学中心典型区域的风振响应及风振控制

以广东科学中心典型区域为研究对象,利用AR法模拟了该结构的脉动风速时程,进行不同风压、不同风向角下的风振响应分析,给出了采用非线性粘滞阻尼器的六种风振控制方案,并对不同方案的减振效果进行了对比研究。结果表明：所提减振方案对结构的风振反应具有很好的减振效果,结构顶点位移和加速度响应的最大降幅达18%和84.9%;对此类不规则大跨结构,建议将阻尼器安装在结构两侧以取得最好的减振效果;安装粘滞阻尼器对结构加速度的控制效果优于对结构侧移的控制效果。     

Wind-Induced Vibration Control for Substation Frame on Viscous Damper

In order to study the wind-induced vibration control effect of the viscous damper on the large-scale substation frame, this paper takes the large-scale 1000 kV substation frame of western Inner Mongolia as an example. The time-history sample of pulsating wind load is simulated by harmonic superposition method based on Matlab software. 6 kinds of viscous damper arrangement schemes have been designed, and SAP2000 finite element software is used for fine modeling and input wind speed time history load for nonlinear time history analysis. The displacement and acceleration of a typical node are the indicators of wind vibration control. The wind-induced vibration control effects of different schemes under different damping parameters have compared, and the damping parameters are analyzed for the optimal layout scheme. The results show that a viscous damper has installed in the lower layers of the substation; a viscous damper is placed between the ground column and the lattice beam. It is an integrated optimal solution. The wind-induced vibration control effect of the optimal scheme is sensitive to the viscous damper parameters, and the control effect does not increase linearly with the increase of the damping index and the damping coefficient. Corresponding to different damping indexes, the damping coefficient has a better range of values.     

中小尺度嵌套下考虑停机位置的大型风力机体系风振响应分析

国内外风工程界采用的风力机体系风效应分析方法通常基于良态气候模式,而台风边界层风特性不同于良态气候模式,台风作用过程中会表现出明显的时空变异性和多尺度涡结构。针对现存土木工程台风模型理论体系过度简化的问题,引入考虑真实台风场强变异性和衰减效应的中尺度天气预报模式(WRF)对“鹦鹉”台风进行高时空分辨率模拟,重点对比台风登陆前、登陆时和登陆后台风风向和风强特征,并结合模拟台风中心路径与实测路径的对比结果验证了中尺度台风“鹦鹉”模拟的有效性。以中国东南沿海地区某风电厂5 MW水平轴风力机为对象,基于WRF模拟获得近地面三维风场数据,并结合小尺度CFD大涡模拟技术分别对叶片单个旋转周期不同停机位置工况进行三维非定常数值模拟。在此基础上,结合有限元完全瞬态法对不同停机工况进行了风振响应动力时程分析,提炼出停机位置对体系风振响应和风振系数的影响规律,最终归纳总结了台风作用下大型风力机体系最不利停机位置。结果表明:采用WRF模式可以有效模拟近地面台风风场,拟合的台风剖面指数为0.076;台风下塔架内力和风振系数显著增大,尤其是与塔架相对位置最近的叶片风振响应最为不利,内力最大增幅达35%。分析发现:当台风作用下大型风力机处于停机状态,下叶片与塔架完全重合(工况1)时为最不利,旋转至上叶片完全重合(工况5)时安全余度最大。     

结构风振被动控制措施

由风激起结构振动导致破坏早已众所周知。对于实际结构,如何设计合适的减振器,尤其对于已经建成的结构,若发生风振,如何采取改进措施,是工业界关心的问题。Ｃｈｒ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ在１９８２年已对此进行了探讨。本文的目的在于借振动噪声控制杂志一角介绍Ｃｈｒ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ的工作,主要介绍几种减振方法,它们能通过不同的力学机理耗散能量用以达到减振目的,并且便于用于已建成的结构。     

多阶梯被动变阻尼装置设计、试验及结构风振控制分析

针对粘滞阻尼器出力范围窄,磁流变等变阻尼装置需能量输入和反馈控制的局限性,在前期单阶梯被动变阻尼装置研制基础上,设计制作了一种多阶梯被动变阻尼耗能装置(Multi-stage Passive Variable Damping Device,MPVDD),该装置采用被动控制方式,在不同速度区间拥有不同的阻尼系数变化规律。对其进行了相关性能验证试验和基于该装置结构风振控制效果的数值计算,试验和分析表明:装置可根据外部激励速度变化,实时机械式改变阻尼系数,实现宽域值变阻尼力的输出,且不需外部能源供给和状态反馈;安装耗能装置高层结构风振下的加速度和位移响应均得到有效控制,保证了风载下结构的舒适性和安全性要求。所做研究为该装置的应用打下了良好的试验和理论基础。     

利用SMA开发耗能阻尼器的实验研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简记为SMA)是一种新型的智能材料,除了具有形状记忆效应(Shape Memory Effort,简记为SME)外,还拥有相变伪弹性(Pseudo-Elasticity,简记为PE)性能和高阻尼耗散因子的性能。文章基于SMA的相变伪弹性的力学原理,设计并制作了SMA耗能器,并对器件进行了性能测试。结果表明,(1) SMA耗能器具有非常显著的阻尼耗能性能,平均等效粘滞阻尼比最大可达到33.56%,最小也有14%,能较好地满足结构被动耗能振动控制的要求;(2) SMA耗能器的阻尼性能与加载频率有关,在低频加载时阻尼性能较好,但随着加载频率的提高,阻尼性能逐步下降;(3) SMA耗能器的阻尼性能与最大行程的大小有关,当最大行程过小或过大时,其等效粘滞阻尼比较小,当最大行程为极限行程的1/2大小时取得最大等效粘滞阻尼比;(4) 在多次循环加载时,器件的应力应变滞回曲线具有整体向上的漂移现象,吻合了其他学者进行的SMA材料试验结果,这一现象的发现提高了此次研究中检测到的试验数据结果的可信度;(5) 实验结果与理论分析结果吻合程度较好,表明器件的设计是合理的、加工制作的工艺满足了理论要求。     

MR智能阻尼器对空间网壳结构的风振抑制分析

磁流变液（MR）智能阻尼器是一种新型智能材料减振装置,可用于空间网壳结构的风振抑制。以适当方式和空间网壳结构结合即形成智能材料杆件空间网壳结构。建立了智能材料杆件有限元模型,研究了磁流变阻尼器布置方式和控制策略对空间网壳结构抗风减振的影响。将MR阻尼器设置于网壳结构径向肋杆处优于设在结构环向杆件处。不同控制策略导致不同的风振控制效果。Passive—off控制策略的风振抑制效果较差;Passive-on策略对控制结构的位移响应效果较好,而对控制结构的速度响应和加速度响应效果不佳。半主动控制策略对控制结构的位移响应、速度响应和加谏序响府均掂瑚相．针对不同风荷载作用,采用相同阻尼器布置方案和控制策略,结构风振控制效果大致相同。     

黏滞阻尼器-基础隔震混合体系优化研究

针对隔震层设置黏滞阻尼器的基础隔震结构,提出了非支配排序遗传算法-Ⅱ(NSGA-Ⅱ)的黏滞阻尼器的参数多目标优化方法。采用Bouc-Wen模型模拟隔震层的力-变形行为,建立受控结构运动方程,并进行非线性时程分析,选用隔震层位移及上部结构顶部相对隔震层位移为优化目标,采用NSGA-Ⅱ遗传算法优化得Pareto最优前沿解集。以某六层基础隔震结构为例进行数值分析,通过分析隔震层振动响应的快速傅里叶变换(FFT)谱及反应谱,以及通过调整优化目标的约束条件及参数的优化范围,利用NSGA-Ⅱ算法获得了较为集中的阻尼器参数分布,然后通过其它地震波验证了黏滞阻尼器的减震效果。结果表明,优化所得阻尼器能有效减少了隔震层的位移;当优化所得阻尼器对上部结构地震响应不利时,可通过降低阻尼器的减震效果使上部结构地震响应控制在合理范围内;不同地震波作用下阻尼器减震效果存在差异,在第一周期范围内,当隔震层的激励频率趋向低频时,阻尼器对隔震层位移控制效果越好;阻尼器减震效果与隔震层的附加阻尼有关,提供过大的附加阻尼比对上部结构较高阶动力反应不利;设计者基于隔震层位移控制的阀值及缩小的阻尼器参数优化范围,可获得应用于实际工程的阻尼器参数。     

电流变减振器的参数估计与减振性能研究

本文对研制的多层极板式电流变减振器进行了正弦和随机激励实验，发现这种减振器在低频时减振效果非常明显，在高电场时减振器表现出明显的非线性特性，减振器还具有移频特性，即减振器的刚度在电场作用下发生变化。为了比较，对一种滑动极板减振器进行了对比实验。最后用递归最小平方法估计了减振器的粘性阻尼和库仑阻尼，估计时考虑了刚度的变化，估计的结果与实验结果一致。     

基于多体动力学方法大型风力机台风致响应特性与偏航影响

为研究强台风下考虑偏航效应的大型风力机气动力及动态响应特征,以美国可再生能源实验室5 MW风力发电机组为研究对象,基于多体动力学及混合多体系统建模方法,建立了整机刚-柔混合多体动力学模型,并对该模型进行了动力特性分析与模型有效性验证。同时,基于谱分解法模拟了台风眼壁区域强干扰阶段的三维随机风场,并基于叶素-动量理论对7种偏航工况下风力机体系气动力进行数值模拟,分析了偏航对强台风下整机气动荷载的影响。最后,基于多体动力学模型对考虑不同偏航的大型风力机体系进行了动力时程分析,提炼了偏航对于结构风致响应的影响规律。结果表明,本文建立的多体动力学模型使用较少的自由度能有效描述了5 MW大型风力机的动力特性;当大型风力机处于30°和120°停机偏航角时,结构的台风致风荷载和风振响应显著增大,属于典型的不利工况,应在风电场实际控制时予以避免。主要研究结论可为强台风极端风况下大型风力机抗风设计提供科学依据。     

基于建筑需求的新型黏滞阻尼器开敞式布置机构研究

黏滞阻尼器耗能减震结构的减震效果与阻尼器在结构中的安装方式密切相关,已有黏滞阻尼器布置机构主要考虑结构减震需求和安装连接简单方便,而未考虑建筑需求。针对现有黏滞阻尼器布置机构占用结构框格内空间、阻碍视野的不足,提出了一种新型黏滞阻尼器开敞式布置机构。介绍了开敞式布置机构的构造与工作原理,并对机构的力学性能进行理论分析,推导了位移放大系数和等效阻尼比计算公式。设计并制作了一个设置黏滞阻尼器开敞式布置机构的钢框架试件,给试件施加正弦位移激励,分析了开敞式布置机构在动力作用下的受力性能,以及在不同位移幅值、频率工况下,框架侧移与阻尼器两端相对位移之间的关系,验证了该文提出的位移放大系数计算公式的准确性。采用SAP2000对比分析了一个无控钢框架结构,以及设置阻尼器对角布置机构和开敞式布置机构后的减震性能,验证了该新型布置机构在实际工程中应用的可行性。