超高层建筑涡激振动若干现象.pdf

第3 5卷 第5期 空气动力学学报 V o l . 3 5,N o . 5 2 0 1 7年1 0月A C T AA E R O D Y N AM I C AS I N I C AO c t .,2 0 1 7 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍 文章编号0 2 5 8 - 1 8 2 5 2 0 1 70 5 - 0 6 6 5 - 0 5 超高层建筑涡激振动若干现象 王 磊1 ,2,*,张振华1,梁枢果2,王述良2,邹良浩2 1.河南理工大学 土木工程学院,河南 焦作 4 5 4 0 0 0;2.武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 摘 要 基于超高层建筑多自由度气弹模型风洞试验测得了横风向风致响应, 通过测压试验获得了和振动位移同 步的表面风压, 借助随机减量法识别了不同折算风速下的气动阻尼, 通过位移响应谱和风压谱识别得到不同折算 风速下模型振动和流体涡脱的主频率。结果表明 在共振风速附近, 气动刚度造成的频率改变量不可忽略, 并且结 构频率与涡脱频率并不是传统认为的锁定与被锁定关系, 而是相互影响、 动态近似相等的关系。 关键词 超高层建筑; 涡激振动; 多自由度气弹模型; 气动刚度; 锁定现象 中图分类号TU 3 1 2. 1; TU 9 7 2. 8 文献标识码A d o i1 0. 7 6 3 8/k q d l x x b - 2 0 1 5. 0 1 8 4 收稿日期2 0 1 6 - 0 3 - 0 1; 修订日期2 0 1 6 - 0 8 - 0 3 基金项目 国家自然科学基金5 1 1 7 3 8 5 9,5 1 7 0 8 1 8 6 作者简介 王磊*1 9 8 7 - , 男, 河南商丘人, 讲师, 博士, 从事结构动力学和结构抗风研究. E - m a i lt u m u w a n g l e i 1 6 3. c o m 引用格式 王磊,张振华,梁枢果,等.超高层建筑涡激振动若干现象[J].空气动力学学报,2 0 1 7,3 55 6 6 5 - 6 6 9. d o i1 0. 7 6 3 8/k q d l x x b - 2 0 1 5. 0 1 8 4 WAN GL,Z HAN GZH,L I AN GSG,e t a l . S o m ep h e n o m e n ao f v o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o n i n s u p e rh i g h - r i s eb u i l d i n g[J].A c t aA e r o d y n a m i c aS i n i c a,2 0 1 7,3 55 6 6 5 - 6 6 9. S o m ep h e n o m e n ao f v o r t e x - i n d u c e dv i b r a t i o ni ns u p e rh i g h - r i s eb u i l d i n g WANGL e i 1,2,*, Z HANGZ h e n h u a 1, L I ANGS h u g u o 2,WANGS h u l i a n g2, Z OUL i a n g h a o 2 1.C o l l e g e o fC i v i lE n g i n e e r i n g,H e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,J i a o z u o 4 5 4 0 0 0,C h i n a 2.S c h o o l o fC i v i la n dA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,W u h a nU n i v e r s i t y,W u h a n 4 3 0 0 7 2,C h i n a A b s t r a c tB a s e do nm u l t i - d e g r e e - o f - f r e e d o mMD O Fa e r o e l a s t i cm o d e lw i n d t u n n e l t e s t s f o r s u p e rh i g h - r i s eb u i l d i n g,v o r t e xi n d u c e dv i b r a t i o nV I Vd i s p l a c e m e n ta n ds y n c h r o n o u sw i n d p r e s s u r ew e r em e a s u r e d . T h e a e r o d y n a m i cd a m p i n ga t v a r i o u s r e d u c e dw i n ds p e e d sw a s i d e n t i f i e d o nt h eb a s i so f r a n d o md e c r e m e n t t e c h n i q u e . T h e f r e q u e n c i e so f t h ev i b r a t i o ns y s t e ma n dv o r t e x s h e d d i n g w e r e r e s p e c t i v e l y c a l c u l a t e d b y t h e p o w e r s p e c t r u m o ft h e V I V r e s p o n s e a n d s y n c h r o n o u sp r e s s u r e .T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea e r o d y n a m i cs t i f f n e s sc a n n o tb ei g n o r e dw i t h t h er e d u c e dw i n ds p e e dc l o s e dt or e s o n a n c ew i n ds p e e d .M o r e t h a n,t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e v i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dt h ev o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yc a n n o tb er e c o g n i z e da sac o m p l e t e l y i n t e r l o c k e d . T h ev i b r a t i o nf r e q u e n c ym a yb ea f f e c t e db yt h ev o r t e xs h e d d i n gs i g n i f i c a n t l yw h e n t h er e d u c e dw i n dv e l o c i t y i s c l o s e t o1 0. 5,a n d t h e s y s t e mf r e q u e n c y i s a p p r o x i m a t e l ye q u a l t o t h e v o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c y . K e y w o r d ss u p e rh i g h-r i s e b u i l d i n g;v o r t e x-i n d u c e d v i b r a t i o n;m u l t i-d e g r e e-o f-f r e e d o m m o d e l;a e r o d y n a m i cs t i f f n e s s;l o c k-i np h e n o m e n o n 0 引 言 在超高建筑涡致振动过程中, 气动弹性力包括气 动阻尼项、 气动刚度项和气动质量项。从既有研究来 看, 不论是气动阻尼、 气动刚度还是涡振响应评估模 型, 都受到了研究人员的长期重视, 并取得了大量成 果[ 1 - 4]。从既有结论来看, 通常认为气动质量项一般 可以忽略, 气动刚度对风致响应的影响也很小; 并且, 当涡脱频率接近结构频率造成锁定现象发生时, 涡脱 频率会被结构频率所俘获, 位移响应表现为大幅简谐 振动。但是, 当超高层建筑更为轻柔时, 其气动刚度 能否忽略则值得研究, 这是本文内容的一个方面。另 一方面, 由于共振过程中位移曲线并不是理想的正弦 曲线, 而是有一定的随机性和间歇性, 在共振时结构 振动频率与涡脱频率并非是传统认为的锁定与被锁 定的关系, 对此本文亦进行了初步研究。 以期为超高 层建筑涡振响应的精确评估提供参考。 1 风洞试验 如图1所示, 超高层建筑多自由度气弹模型尺寸 为1. 3m0. 1m0. 1m。该气弹模型很大程度上参 考了文献[ 5] 的制作方法, 模型具体制作调试方法见 文献[ 6] 。 图1 模型照片 F i g . 1 P h o t o so fMD O Fm o d e l 表1 模型自振参数 T a b l e1 N a t u r a l v i b r a t i o nf e a t u r e so fMD O Fm o d e l 工况号频率/H z当量质量/ k g m - 1 阻尼/ S c数 11 0. 8 31. 3 11. 0 22. 1 4 29. 0 21. 3 12. 8 96. 0 5 31 0. 61. 3 11. 4 32. 9 9 48. 7 02. 1 73. 7 21 2. 9 1 57. 1 72. 3 83. 6 01 7. 0 6 表1为模型各工况自振参数, 表1中频率为模型 一阶自振频率, 频率缩尺比约为1 0 0∶1, 尺寸缩尺比 为1∶6 0 0。表1中当量质量和S c数的计算公式如 下 M ∫ H 0m z ϕ 2 zdz ∫ H 0ϕ 2 zdz 1 S c2 Mξs ρaD 2 2 式中, mz 为单位高度的模型质量, ϕ z 为平动振 型,H为模型总高, ξs、ρa、 D分别为阻尼比、 空气密度 和模型迎风面尺寸。 试验测试内容为不同风速下的横风向风致位移 响应。在对模型测响应的同时, 在模型表面布置了一 定数量的风压测点 部分测压点位置见图1 。试验 风场类型为均匀流和D类粗糙度流场, 其平均风速 剖面和湍流度剖面见图2。 本文设计了一套吹气同步采样系统, 来实现风压 和位移的同步采集。在气流输入端吹气, 经过“ 三通” 分流成两股气流, 分别与扫描阀的一个通道和单点压 力传感器连接, 单点压力传感器与位移计连接在同一 个数采板卡上。吹气时两个采样系统有一个通道采 集的数据会在同一时刻出现脉冲峰 见图3 。以此 同步时刻为起始点来阶段数据, 即实现了风压和位移 的同步采集。 图2 D类风场调试结果 F i g . 2 T e r r a i nc a t e g o r yD 图3 同步脉冲信号 F i g . 3 S y n c h r o n i z a t i o np u l s e 2 位移响应分析 图4给出了工况1在均匀流场中不同折算风速 下的涡振位移响应时程。 从图4来看a 折算风速较小时, 位移时程有很 图4 共振前后位移响应时程 F i g . 4 D i s p l a c e m e n t t i m eh i s t o r yb e f o r ea n da f t e r t h eV I V 666 空 气 动 力 学 学 报 第3 5卷 大随机性, 其幅值很不稳定。b 随折算风速增大, 位 移时程接近于简谐; 在临界风速附近时, 位移时程简 谐性最强, 但远非理想简谐振动, 表现为为“ 间歇性不 稳定共振”。这与既有很多文献尤其是涡振响应评 估模型方面的文献结果有很大不同。造成这一现象 的原因是, 既有研究通常是基于单自由度气弹模型进 行的, 而单自由度模型相对于多自由度模型的不精确 性已被多次证实[ 6 - 7]。c 当折算风速继续增大, 位移 时程又重现出较明显的随机特性, 但较之小风速 小 于临界风速 下的时程, 其振幅则相对稳定。 图5给出了模型在D类流场不同折算风速下的 位移响应均方根值σ和极值峰因子。此处的峰因子 的含义为响应的最大幅值与均方根值之比, 它并不一 个严格的概念, 只做辅助理解之用。 a均方根位移 b极值峰因子 图5 各工况位移响应 D类流场 F i g . 5 D i s p l a c e m e n t r e s p o n s e r e s u l tt e r r a i nc a t e g o r yD 从图5可以看出 在临界风速之前, 涡振位移均 方根值很小, 至临界风速附近迅速增大, 而后又有所 降低。如果把均方根响应随着算风速的变化曲线看 成倒“V” 字, 那么峰因子就呈现出与之对称的正“ V” 字, 即都在临界风速附近达到极值。事实上, 峰因子 的大小是涡振位移时程曲线简谐程度的一种度量, 理 想简谐振动的峰因子为1. 4 1 4。图5中峰因子在共 振区域近似为2, 距离简谐振动还有很大差别。至于 共振区域之外的峰因子则明显偏大, 在45左右, 说 明此时涡振位移时程的随机性较强。 图6给出了模型均方根位移随斯科拉顿数S c 的变化曲线。从图6可以看出, 各模型均方根位移随 S c的增大而减小; 湍流场结果比均匀流场要小, 但差 别不太大, 这是因为D类风场上半部在梯度风高度 以上, 其流场特性已接近均匀流。就图6中相对位移 的变化趋势来说, 本文结果与既有文献的规律是一致 的。 图6 不同S c下共振均方根位移响应 F i g . 6 RM SV I Vd i s p l a c e m e n t r e s p o n s ev a r y i n gw i t hS c 3 气动阻尼分析 有关气动阻尼ξa的既有文献已经很多, 图7只 给出了一条典型变化曲线, 此处所用的气动阻尼识别 方法为随机减量法。 图7 气动阻尼随折算风速的变化 工况1, 均匀流场 F i g . 7 A e r o d y n a m i cd a m p i n gv a r y i n gw i t hV r t e s t c a s e1,u n i f o r mf l o w 从图7可以看出 当折算风速很小时, 横风向气 动阻尼比约为0, 随风速增大而增大; 折算风速增大 到8附近后, 气动阻尼比快速增加, 到折算风速达到 9到1 0之间的某个值时, 气动阻尼比达到最大正值; 随着折算风速的继续增大, 气动阻尼比又迅速回落, 并在折算风速1 0. 5附近达到最小负值; 此后, 随着风 速的增大, 气动阻尼比绝对值迅速回升, 而后又大致 保持在0附近。上述规律与既有研究结论是一致的。 766 第5期 王 磊等超高层建筑涡激振动若干现象 4 气动刚度分析 V i c k e r y [2]等虽然通过定频定幅的强迫振动试验 对气动刚 劲 度项进行了分析, 由此可结合建筑物密 度与流体密度的关系确定出气动刚度造成的频率改 变量。T a m u r a等[ 8]对于某塔式细柔建筑的频率实 测结果也表明, 当风致响应较显著时, 体系振动频率 会偏离其自振频率。但考察气动刚度和气动质量对 频率影响的直接方式是气弹模型试验尤其是多自由 度气弹模型试验[ 9], 因而用气弹模型直接对频率该变 量进行分析是必要而有意义的。 图8给出了振动模型系统频率n1随折算风速的 变化情况。从图8可以看出, 振动系统频率随折算风 呈 “V” 字形变化, 在折算风速小于8时, 频率改变量 为正, 当风速接近临界风速时振动频率迅速减小, 之 后又回升到比自振频率略小的相对稳定的值。从体 系频率偏离自振频率的幅度 频率该变量 来看, 在共 振风速附近的频率改变量与自振频率的比值接近 1 0, 可见涡振对体系频率的影响不可忽略。 图8 体系频率随折算风速的变化 F i g . 8 S y s t e mf r e q u e n c yv a r y i n gw i t hV r 5 “ 锁定” 情况分析 图9给出了由同步测压得到的风压谱和位移谱, 据此可算得共振风速附近风压频率 涡脱频率 与模 型振动频率的关系 见图1 0 。其中风压数据是在模 型中上部两侧全部测点叠加的结果。 从图1 0可以看出a在折算风速小于临界风速 时, 风压频率与位移频率差别很大, 说明此时不存在 共振锁定现象。b而当折算风速增大到某个值后, 模型振动频率与涡脱频率突然变得十分接近; 且此时 的体系振动频率受涡脱频率影响有显著降低, 涡脱频 率则受体系振动频率的影响比名义涡脱频率要大; 此 后的一段折算风速内 V r1 0. 31 1. 0 , 涡脱频率 十分接近且略小于体系振动频率; 随折算风速的增大 或者说随着由来流风速和S t数决定的名义涡脱频 率的增大 , 涡脱频率和体系频率都在逐渐增加。c 当折算风速达到1 1左右后, 涡脱频率显著大于结构 频率, 锁定现象消失。d折算风速在1 0. 31 1. 0之 间又可细分为两种情况 一是小风速下结构频率大于 名义涡脱频率时, 结构频率会受涡脱频率的影响而有 所减小, 涡脱频率又受结构频率的影响而增大; 二是 大风速下结构频率小于名义涡脱频率时, 结构频率会 受涡脱频率的影响而有所增大, 涡脱频率受结构频率 的影响而减小。 图9 风压谱与位移谱对比 工况1, 均匀流 F i g . 9 R e l a t i o n s h i pb e t w e e np o w e r s p e c t r u mo fV I V r e s p o n s ea n ds y n c h r o n o u sp r e s s u r ec a s e 1,u n i f o r mf l o w 图1 0 体系频率与风压频率的关系 均匀流 F i g . 1 0 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns y s t e mf r e q u e n c ya n d v o r t e xf r e q u e n c yc a s e 1,u n i f o r mf l o w 6 结 论 本文初步总结了大高宽比超高层建筑的涡激振 动问题, 目的是将涡振的几个现象集中在一起做一个 系统展示。囿于篇幅限制, 本文未能对各个现象做深 入分析, 细化分析将在作者其他文章中分别展开。本 文结论如下 1在共振临界风速附近, 位移时程的简谐性达 到最强, 但远非理想的简谐振动, 呈现为“ 间歇性共振 不稳定共振” 。 866 空 气 动 力 学 学 报 第3 5卷 2高层建筑涡致振动过程中, 涡振对体系频率 的影响不可忽略, 振动体系频率随折算风速呈“V” 字 形变化, 在某些情况下频率改变量与自振频率的比值 达到1 0的量级。 3“ 锁定现象” 并不是体系振动频率完全“ 俘获” 涡脱频率, 而是表现为体系频率与涡脱频率, 保持相 互影响、 相互吸引的动态相等趋势。 参 考 文 献 [1] 梁枢果,顾明,张锋,等.三角形截面高柔结构横风向振动的 风洞试验研究[J].空气动力学学报,2 0 0 0,1 8 0 2 1 7 2 - 1 7 9. [2]V i c k e r yBJ,S t e k l e yA. A e r o d y n a m i c d a m p i n ga n dv o r t e xe x c i - t a t i o no na no s c i l l a t i n gp r i s mi nt u r b u l e n t s h e a r f l o w[J]. J o u r - n a lo fW i n dE n g i n e e r i n ga n dI n d u s t r i a lA e r o d y n a m i c s,1 9 9 3, 4 91 2 1 - 1 4 0. [3] 王磊,梁枢果,张振华,等.超高层建筑横风向气动阻尼比简 化估算方法研究[J].工程力学,2 0 1 7,3 4 1 1 4 5 - 1 5 3. [4]L a r s e nA.A g e n e r a l i z e d m o d e lf o ra s s e s s m e n to fv o r t e x - i n - d u c e dv i b r a t i o nf o r f l e x i b l es t r u c t u r e s[J]. J o u r n a l o fW i n dE n - g i n e e r i n ga n dI n d u s t r i a lA e r o d y n a m i c s,1 9 9 5,5 72 8 1 - 2 9 4. [5] 全涌,顾明,黄鹏.超高层建筑通用气动弹性模型设计[J].同 济大学学报,2 0 0 1,2 91 1 2 2 - 1 2 6. [6] 王磊,梁枢果,邹良浩,等.超高层建筑多自由度气弹模型的 优势及制作方法[J].振动与冲击,2 0 1 4,3 3 1 7 2 4 - 3 0. [7]Y o s h i eR,K a w a iH,S h i m u r aM.As t u d yo nw i n d - i n d u c e dv i - b r a t i o no fs u p e rh i g hr i s eb u i l d i n gb ym u l t i - d e g r e e - o ff r e e d o m m o d e l[J]. J o u r n a l o fW i n dE n g i n e e r i n ga n dI n d u s t r i a lA e r o d y - n a m i c s,1 9 9 7,6 9 - 7 17 4 5 - 7 5 5. [8]T a m u r aY,S u g a n u m aS.E v a l u a t i o no fa m p l i t u d e - d e p e n d e n t d a m p i n ga n dn a t u r a l f r e q u e n c yo f b u i l d i n g sd u r i n gs t r o n gw i n d s [J]. J o u r n a l o fW i n dE n g i n e e r i n ga n d I n d u s t r i a lA e r o d y n a m i c s, 1 9 9 6,5 91 1 5 - 1 3 0. [9] 王磊,梁枢果,邹良浩,等.超高层建筑涡振过程中体系振动 频率[J].浙江大学学报,2 0 1 4,4 8 5 8 0 5 - 8 1 2. 966 第5期 王 磊等超高层建筑涡激振动若干现象