风力因素对土木工程结构的影响与试验研究

风力因素对土木工程结构的影响与试验研究

罗志勇  张培

中交路桥华南工程有限公司广东中山528400

摘要：对土木建筑进行动力特性研究是十分必要的。本文采用时域与频域相结合的模式参量分析法作为研究对象，建立了一种用于求解土木建筑结构振动响应的模式。基于分析，本文选择了一栋高层建筑作为实验平台，进行了实验研究。根据实测的风速及加速资料，发现27楼之高楼，其加速度会因风之改变而有显著变化。

关键词：风力因素；土木工程；结构试验

引言

在我国基建项目的快速发展与施工水准的提高下，土木结构已逐渐成为一种主要的施工方式。土木结构广泛应用于普通的民用建筑，如一些重要的标志性建筑，都采用了土木结构。然而迄今为止，土木建筑的发展并非尽善尽美，在不同地区、不同工程的具体条件下，往往会产生许多实用问题，无法保证建筑物的安全性。本项目拟采用实验与数值模拟相结合的方法，研究影响工程施工过程中各主要因素对施工过程的作用机理，为提前采取预防措施提供理论依据。本项目拟基于振动模式参数辨识的理论系统，研究考虑风对土木建筑结构主要参数的作用机理，为提高工程施工质量提供科学依据。

1、土木工程结构的模态参数识别方法

本文采用时域-频域相结合的方式对结构进行结构动力特性分析，该算法综合了外部环境因素的影响，并将其与土木-建筑体系的动力响应相融合，实现了对建筑物固有频率、阻尼比、振型等多个模态参量的同步辨识。

（1）

其中：xk是土木工程结构体系在第k次抽样时间的状态矢量，xk是在第k个抽样时间内的状态矢量；i是在第尼次抽样时间处的反应矢量；xk是土木建筑结构体系在第一次抽样点上的输入矢量，w是土木工程结构的第k次取样时间的输入矢量。研究内容包括：（1）土木工程结构体系在第k个抽样时间内的随机噪音；（2）第后个样本点处的实测噪音；（3）相应于该体系动力行为的离散状态矩阵。

（2）

以上的计算式中，工艺噪音与计量噪音均为稳定的白噪音，且方程（2）表示协方差矩阵。其中：E是数理预期的计算方程，VI是土木建筑结构体系在第i次抽样时间内的噪音，vj是土木建筑结构体系在第j个抽样时间内的观测噪音，S是在数理预期中的核协方差矩阵块，Q是求出的上三角协方差矩阵，R是求出的下三角协方差矩阵。

2、设定高层土木工程结构的试验对象

本研究以Dz地区一栋二层楼房为例，采用水泥砼结构，共27层。针对上述问题，本项目拟通过在测试层布置对应的传感器，获取其主要特征参量，形成一套高效的多传感器测试体系。为满足高层房屋居住舒适度及民用建筑安全性要求，建筑物在风荷载作用下的加速度值是其最主要的特征指标，故各实验层均需安装一个加速传感器，通过对不同风速下的加速度进行观测[1]。另外，还需要配备能够精确捕获风力大小及改变的风速仪。测试期间，各传感器的布置状态以及相应的各层状态，每一层的加速度传感器的布置，基本上都是选择在每一层相应的同一地点，以便能更好地反映出不同楼层间的风力变化。二十七层的重力传感器，和其它几层都不一样。二十七层是一座塔楼，和下面几层都不一样，所以它的位置也不一样。

3、风力因素对高层土木工程结构的影响试验

前期工作建立了基于时域-频域耦合的土木建筑模型，并搭建了相应的实验环境。在此基础上，结合室内模型实验，研究不同风速条件下，高层建筑建筑物在不同环境下的动力响应特性[2]。在每一层都安装有风速仪，能够24小时连续监控DDD高层建筑物内相应楼层的风速。在27、18层之间，以获取时间的改变作为横轴，这里示出了在测试期间19至第二天6点之间的各2小时的测定时间；纵轴表示以米/秒为单位的风速的改变，从0起每10r为一区间，直至50米/秒。

黑、粗的实部表示DDD高耸土木建筑18层的风速的动态曲线；黑粗虚线是DDD高耸民用建筑27楼的风速与风向的关系。由曲线的变化状况可知，18楼的风速最大值在24小时以后才达到最大值，并且总体上是一个先增后减的过程；二十七楼的风速是一个缓慢上升的过程，大约是在下午2点钟，风速最大，之后就保持在一个比较高的地方，并伴随着轻微的震动[3]。从中可以看出，27楼是DDD民用建筑中高度最大的部分，它所受到的高风速的作用更大，所以要计算它的加速度。

横轴是获得测试日18至第二天6时之间的测定时刻的获取时间的改变，各座标之间的间隔为2小时；以c″s2表示的x向上的加速度的改变，并且以负的1cIn/s2和前1cIn/s2向前移动4C-s2为标志标度。在18-22小时内，27层x向加速度的分布比较均匀，各层由于风的改变引起的摇摆几乎可以忽视。大约22时左右，出现了一个转捩区，随着风速的改变，地板的摇摆逐渐增大。在1点30分左右，出现了最大的加速起伏，其峰值可达1clTl/s2、6cIIl/s2。此时，建筑物会出现一些小幅度的震动，尽管人体感觉不到，却会对建筑物的自振和模态造成一定的影响。在四点左右，出现了一个新的转捩区，此后各层的地震反应速率随著时间的推移而减小

[4]。此外，本文还对DDD民用建筑27楼在y方向上的位移进行了观测。

以获取时间的改变作为横轴，这里示出了在测试期间从18号到第二天6号之间的各2小时的测定时间；以crn/s2为基准，以负的1cIIl、s2、前6c耐受S2为标志标度，其中，以负的1cIIl、s2、向前的6c耐受S2为标志标度。从18号到22号，27层的电梯，其方向上的加速度是稳定的，而楼层随着风速的改变而引起的摇晃，基本可以被忽视。在22时以后的一个很短的时间内，首先通过的是地板随着速度的改变而逐渐增大的部分。其中，最大的一个地区是在1.30左右，其峰值达到了8cIl/s2。此时，地面会出现一些小幅度的震动，这种震动对人的身体是无法感知的，但却会对建筑物的自振频率和振型造成一定的影响。四点以后，出现了一个新的转捩区，此后，各层的地震反应速率随著时间的推移而减小。从以上分析可以看出，27楼是整栋楼最剧烈的摇晃，而在凌晨一点三十分的时候，它的自振特性和模态都会发生变化。利用数值计算方法，分别对18小时及清晨1小时前后的DDD高层结构进行了仿真[5]。

4、结语

综上所述，在高层建筑中，土木结构是一种非常关键的结构，它的安全问题直接影响着人身财产的安全。本文采用时域与频域相结合的模式参量分析法，建立了一种用于求解土木建筑的动力响应特性的有限元模型。基于此，本文以DDD型高层住宅为研究背景，搭建了实验平台。根据实测的风速、加速度数据，发现27层结构在风作用下会发生显著的加速改变，这对结构的自振特性和振型都会有很大的影响。

参考文献

[1]鲁天远,杨越.风力因素对土木工程结构的影响与试验研究[J].中国新技术新产品,2023(15):103-105.

[2]戎操,王地灵.湍流强度对风机叶片风效应影响的试验研究[J].建筑结构,2019(s1):357-361.

[3]闻洋,屈琳琳,管丽佩.格构式钢管混凝土风电塔架KT型节点受力性能试验研究[J].建筑结构学报,2015,36(9):7.

[4]汪大海,李志豪,李杰.大型户外单立柱三面广告牌风荷载的试验研究[J].土木工程学报,2018,51(8):10.

[5]顾明,黄鹏,周晅毅,等.广州新电视塔模型测力风洞试验及风致响应研究Ⅰ:风洞试验[J].土木工程学报,2009(7):6.