高聳機場塔臺結(jié)構(gòu)風(fēng)洞及振動臺試驗研究與應(yīng)用.pdf

1、首都機場新塔臺是國內(nèi)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(jié)構(gòu)在地震作用及風(fēng)荷載作用下的抗震及抗風(fēng)性能進行了系統(tǒng)的研究。主要的研究內(nèi)容和成果如下： 1、北京機場新塔臺結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)氣動彈性模型風(fēng)洞試驗的相似準(zhǔn)則，得到了高聳塔臺結(jié)構(gòu)氣動彈性模型的相似參數(shù)及模型參數(shù)的縮尺率。在利用相似理論得出相似比的基礎(chǔ)上，進一步探討了實驗?zāi)Ｐ驮诮茲M足相似關(guān)系時

2、的處理方法。由于本文研究的塔臺結(jié)構(gòu)原型是采用兩種結(jié)構(gòu)體系，上部采用鋼框架結(jié)構(gòu)，下部采用砼簡體結(jié)構(gòu)，造成剛度模擬上的困難。本文從力學(xué)的觀點對相似條件進行了分析，由風(fēng)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(shù)可通過等效抗彎剛度來模擬。進行塔臺模型的設(shè)計時，將剛度相似和外形相似統(tǒng)一模擬，將彈性參數(shù)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(jié)構(gòu)的彈性參數(shù)，又簡化了模型的制作

3、。可供其它高聳結(jié)構(gòu)的氣動彈性模型設(shè)計時參考。 該塔臺結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向振動響應(yīng)大于順風(fēng)向響應(yīng)，試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。在進行大量資料調(diào)研基礎(chǔ)上，根據(jù)本文提供的側(cè)力系數(shù)風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)，得到了低紊流度下的側(cè)力系數(shù)隨攻角變化曲線，在忽略紊流度沿高度變化對側(cè)力系數(shù)的影響及準(zhǔn)穩(wěn)定假設(shè)成立的情況下，提出分析八邊形截面高聳塔臺結(jié)構(gòu)馳振的半解析方法。 2、北京機場新塔臺結(jié)構(gòu)剛性模型測壓試驗及橫風(fēng)響應(yīng)研究首都機場新塔臺結(jié)構(gòu)，建筑外形發(fā)生較大變

4、化，對其在風(fēng)荷載作用的風(fēng)壓設(shè)計值不易通過高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范確定。為了研究首都機場這一高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，本文進行了塔臺模型風(fēng)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(jié)構(gòu)的平均風(fēng)壓分布規(guī)律及氣動壓力的相關(guān)特性，研究表明，現(xiàn)行規(guī)范給出的體形系數(shù)過于保守。為高聳塔臺結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了風(fēng)荷載。 在對具有正八邊形橫截面塔形高聳結(jié)構(gòu)模型所做模擬邊界層風(fēng)洞測壓試驗基礎(chǔ)上，進一步對相關(guān)長度及升力系數(shù)進行了研

5、究，獲得了正八邊形截面高聳塔臺結(jié)構(gòu)表面的壓力分布及相關(guān)長度測試結(jié)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(jié)構(gòu)任一橫截面順風(fēng)響應(yīng)總方差的思路，將局部升力系數(shù)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(shù)的變化規(guī)律，從而得到確定正八邊形橫截面塔形高聳結(jié)構(gòu)渦激致振動響應(yīng)的計算方法，可供工程設(shè)計人員參考。 3、北京機場新塔臺結(jié)構(gòu)振動臺試驗及若干問題研究結(jié)構(gòu)振動臺試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計一般應(yīng)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(jié)構(gòu)較難實現(xiàn)，主要是高聳塔臺結(jié)構(gòu)高寬比較大，且采用兩種不同結(jié)構(gòu)體系。因此，針對高聳塔臺結(jié)構(gòu)的特點，在振動臺試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計上重點考慮了以下幾點：1)針對北京機場新塔臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了兩種不同結(jié)構(gòu)體系，模型設(shè)計中將彈性參數(shù)相似轉(zhuǎn)化為剛度相似。這樣，即完全模擬了結(jié)構(gòu)的彈性參數(shù)，又簡化了模擬的條件。2)由于北京機場高聳塔臺結(jié)構(gòu)高寬比很大，各種規(guī)格的桿件難于同時滿足幾何相似關(guān)系，因此，設(shè)計中依結(jié)構(gòu)物理過程相似的原則進行了構(gòu)件

7、歸并，達到模型整體結(jié)構(gòu)與原型整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、質(zhì)量相似。3)本次試驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)部空間有限，試驗?zāi)Ｐ碗y以滿足對配重的要求，造成因Sε≠1而使模型失真。因此，應(yīng)改變相似關(guān)系中的加速度相似系數(shù)，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(jié)構(gòu)進行振動臺試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

8、的地震響應(yīng)，進一步掌握了塔形高聳結(jié)構(gòu)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(yīng)。結(jié)構(gòu)主頻遠離地震波的主頻，該塔臺的水平地震為低頻振動，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)較小。塔臺主體結(jié)構(gòu)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(yīng)。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(jié)構(gòu)在地震作用下，隨著地震烈度的提高，加速度動力放大系數(shù)降低，位移反應(yīng)加大，說明模型剛度

9、下降，結(jié)構(gòu)進入非線性。雖然結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)頂部明室晃動較大，振動加速度較大，應(yīng)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(jié)構(gòu)縮尺模擬地震振動臺試驗?zāi)Ｐ蜑檠芯繉ο?，采用時程分析法分析了高聳塔臺結(jié)構(gòu)各振型的地震響應(yīng)，并對這種上下部由不同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)(下部為鋼筋砼筒體，上部為鋼框架結(jié)構(gòu))的非經(jīng)典振型阻尼比進行了探討。研究結(jié)果表明，該塔臺結(jié)構(gòu)