基于原型实测的超高层建筑风致振动的阻尼比特性及其数学模型研究

Since wind engineering reseachers and structural designers were usually puzzled by the value of super tall buildings' damping ratio when analyzing their wind-induced vibrations, this research will concern on how to construct a mathematical model for estimating a super-tall building's damping ratio based on field measurements of wind-induced vibration of several super tall buildings located in Guangzhou,China. Firstly, field measurements of wind charicteristics and wind-induced vibrations of four super-tall buildings including Guangzhou West Tower, Citic Plaza, Litong Square and Pearl River Plaza will be conducted. Secondly, the applicants will try to get the dynamic properties of these buildings by analyzing the measured nonstationary random signals. And finally, the mathematical model for estimating a super tall building's damping ratio will be constructed. The main inovation of this research is shown as the following: ① theories of time-varing power spectra,Hilbert-Huang transform(HHT) and time-varing parameter model will be employed to indentify the dynamic properties for relatively rational anazysis of the measured unstationary signals. ② the building's damping ratio will be considered as the combination of structural damping and aerodynamic damping, this strategy gives the mathematical model clear physical meaning and can take the amplitude-dependent damping property into consideration. This research may be helpful to enrich the database of super- tall building's damping ratio and to provide a valuable reference for updating some items in the national codes and estimating super tall buildings' damping ratio in the structural design stage.

以广州西塔、中信广场、利通广场、珠江城等华南地区典型超高层建筑为研究对象，在其适当位置布置加速度传感器和风速仪，对其环境振动和不同风速条件下的风致振动进行现场实测，探索如何有效处理实测得到的非平稳随机数据并在此基础上识别结构的固有频率、振型和阻尼比等动力参数的方法，进一步建立超高层建筑结构阻尼比数学模型。本项目的主要创新之处在于：① 采用时变功率谱、希尔伯特-黄变换(HHT)、时变参数模型等非平稳随机信号处理方法来分析实测数据并进行模态参数识别，从而避免传统的按照平稳随机过程处理实测数据所带来的误差；② 所建立的阻尼比模型将阻尼比视为结构阻尼和气动阻尼的组合，具有明确的物理意义，且可考虑阻尼比随振幅变化的非线性关系。本申请项目将有助于获得我国超高层建筑阻尼比的第一手实测资料并充实阻尼比数据库，所建立的阻尼比估算模型可望为有关规范条文的修订及超高层建筑的抗风设计提供参考。

阻尼比是评估超高层建筑的风振响应和计算等效静风荷载的重要动力参数。本项目重点关注超高层建筑在强风或台风作用下的阻尼比特性，主要的工作和创新之处包括：.（1）建立了高层建筑风场和结构响应的同步监测系统，并在数次台风过程中对广州数座地标性超高层建筑的风场和结构响应进行了实测研究。.（2）采用Hilbert-Huang变换方法来识别结构的固有频率和阻尼比，并采用经验模态分解方法消除采样信号以及在由加速度信号积分计算速度和位移时程过程中产生的信号漂移，在此基础上对于建筑物基底倾覆弯矩进行了估计。.（3）基于连续小波变换，提出了一种估算超高层建筑在风激励下的阻尼比的新方法，该方法有以下主要步骤。首先运用连续小波变换方法求出信号的功率谱，在选择功率谱谱峰附近的合适频段，通过非线性拟合来识别结构的阻尼比。相比传统的周期图法计算的功率谱，本项目提出的新方法的谱估计具有更高的精度，因而在处理短时信号时，识别得到的结构阻尼比也具有更高的精度。.（4）将本项目的实测阻尼比特性研究扩展到风洞试验方面，提出了一种识别高频底座测力天平风洞试验中模型-天平系统阻尼比的新方法。相比传统方法，该方法无需敲击试验，并能够考虑气动阻尼的影响，因而可以得到比传统方法更好的基底倾覆弯矩谱修正效果。.（5）总结了超高层建筑风致振动的阻尼特性。首先，本项目的研究结果表明，阻尼比与振幅之间并没有很明显的非线性依赖关系，这与一些文献报道的结论是不同的。另一方面，对数座建筑物的实测结果表明，超高层建筑风致振动的阻尼比普遍很小，一般都明显低于1%，这比通常用于舒适度评估的阻尼比取值要更小。但我们也注意到，本项目的实测基本没有观测到10年重现期级别的强风，相关结论需要进一步积累更多的实测数据来验证。.本项目的研究成果可以为风工程研究及结构抗风设计提供参考。