高聳機場塔臺結構風洞及振動臺試驗研究與應用.pdf

1、首都機場新塔臺是國內新建的最高的航空控制塔臺。本文以首都機場新塔臺為背景，對塔形高聳結構在地震作用及風荷載作用下的抗震及抗風性能進行了系統(tǒng)的研究。主要的研究內容和成果如下： 1、北京機場新塔臺結構氣彈模型測振試驗及若干問題研究本文利用相似理論分析了首都機場新塔臺結構氣動彈性模型風洞試驗的相似準則，得到了高聳塔臺結構氣動彈性模型的相似參數及模型參數的縮尺率。在利用相似理論得出相似比的基礎上，進一步探討了實驗模型在近似滿足相似關系時

2、的處理方法。由于本文研究的塔臺結構原型是采用兩種結構體系，上部采用鋼框架結構，下部采用砼簡體結構，造成剛度模擬上的困難。本文從力學的觀點對相似條件進行了分析，由風致振動現(xiàn)象的相似引出材料相似。即對模型材料的容重和彈性模量等物理參數可通過等效抗彎剛度來模擬。進行塔臺模型的設計時，將剛度相似和外形相似統(tǒng)一模擬，將彈性參數相似融和于剛度分布相似中。這一新方法克服了剛度和外形分別模擬的一些不足，這樣既完全模擬了結構的彈性參數，又簡化了模型的制作

3、。可供其它高聳結構的氣動彈性模型設計時參考。 該塔臺結構的橫風向振動響應大于順風向響應，試驗結果與理論分析結果一致。在進行大量資料調研基礎上，根據本文提供的側力系數風洞試驗數據，得到了低紊流度下的側力系數隨攻角變化曲線，在忽略紊流度沿高度變化對側力系數的影響及準穩(wěn)定假設成立的情況下，提出分析八邊形截面高聳塔臺結構馳振的半解析方法。 2、北京機場新塔臺結構剛性模型測壓試驗及橫風響應研究首都機場新塔臺結構，建筑外形發(fā)生較大變

4、化，對其在風荷載作用的風壓設計值不易通過高聳結構設計規(guī)范確定。為了研究首都機場這一高聳結構的抗風性能，本文進行了塔臺模型風洞試驗的系統(tǒng)研究，包括1/80剛性模型測壓和1/60氣動彈性模型測振試驗，獲得了塔臺結構的平均風壓分布規(guī)律及氣動壓力的相關特性，研究表明，現(xiàn)行規(guī)范給出的體形系數過于保守。為高聳塔臺結構設計提供了風荷載。 在對具有正八邊形橫截面塔形高聳結構模型所做模擬邊界層風洞測壓試驗基礎上，進一步對相關長度及升力系數進行了研

5、究，獲得了正八邊形截面高聳塔臺結構表面的壓力分布及相關長度測試結果。采用將寬帶背景分量與窄帶共振分量的平方和求塔形高聳結構任一橫截面順風響應總方差的思路，將局部升力系數rms值分解成由橫向湍流和渦激脫落兩部分，得出局部升力系數的變化規(guī)律，從而得到確定正八邊形橫截面塔形高聳結構渦激致振動響應的計算方法，可供工程設計人員參考。 3、北京機場新塔臺結構振動臺試驗及若干問題研究結構振動臺試驗模型設計一般應滿足幾何相似、物理相似和物理過程

6、相似。但這對于高聳塔臺結構較難實現(xiàn)，主要是高聳塔臺結構高寬比較大，且采用兩種不同結構體系。因此，針對高聳塔臺結構的特點，在振動臺試驗模型的設計上重點考慮了以下幾點：1)針對北京機場新塔臺結構設計中采用了兩種不同結構體系，模型設計中將彈性參數相似轉化為剛度相似。這樣，即完全模擬了結構的彈性參數，又簡化了模擬的條件。2)由于北京機場高聳塔臺結構高寬比很大，各種規(guī)格的桿件難于同時滿足幾何相似關系，因此，設計中依結構物理過程相似的原則進行了構件

7、歸并，達到模型整體結構與原型整體結構的抗側剛度、質量相似。3)本次試驗模型內部空間有限，試驗模型難以滿足對配重的要求，造成因Sε≠1而使模型失真。因此，應改變相似關系中的加速度相似系數，即通過加大輸入的加速度峰值的方法來滿足地震加速度的需要。這些措施可供同類結構進行振動臺試驗模型設計時參考。 以北京機場新塔臺為原形，進行了縮尺比為1/30的模型振動臺試驗，實測了塔臺結構的自振周期、振型以及各個振型的阻尼比等各項動力特性和塔臺結構

8、的地震響應，進一步掌握了塔形高聳結構在地震作用下的工作性能。試驗研究表明，該塔臺上部的明室及其以上部分存在鞭梢效應。結構主頻遠離地震波的主頻，該塔臺的水平地震為低頻振動，結構地震反應較小。塔臺主體結構的豎向自振周期遠離地面運動卓越周期，故頂部鋼框架不會在豎向地震作用下發(fā)生豎向的鞭梢效應。豎向一階自振頻率為水平一階自振頻率的15倍，接近于高頻振動。高聳結構在地震作用下，隨著地震烈度的提高，加速度動力放大系數降低，位移反應加大，說明模型剛度

9、下降，結構進入非線性。雖然結構在彈性階段的剛度較大，位移較小，但在多遇烈度和罕遇烈度的地震作用下，塔臺結構頂部明室晃動較大，振動加速度較大，應采取減少振動的措施，以保證塔臺航空控制室正常工作。 以首都機場新塔臺結構縮尺模擬地震振動臺試驗模型為研究對象，采用時程分析法分析了高聳塔臺結構各振型的地震響應，并對這種上下部由不同材料組成的復合結構(下部為鋼筋砼筒體，上部為鋼框架結構)的非經典振型阻尼比進行了探討。研究結果表明，該塔臺結構