基于风洞试验的结构-TLD系统的耦合振动实现方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于风洞试验的结构

【技术实现步骤摘要】
基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法


[0001]本专利技术属于结构风振控制
，具体涉及一种基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法。

技术介绍

[0002]在超高层建筑的风振控制领域，常用的减振方法为增加阻尼器，其中调谐液体阻尼器(TLD)由于性价比高、改造和维护简便，尤其还可兼做消防水箱，一直以来都受到风工程人员和结构工程师的关注和重视。风洞试验能测量建筑模型风荷载时程数据，并根据缩尺比公式转化至建筑原型，于是便可以将试验获得的风荷载时程作为外激励施加到结构
‑
TLD系统上，评估结构在安装TLD后的减振效果。对于考虑风荷载作用下的结构
‑
TLD耦合振动领域，已有的处理方法主要为：1、采用振动台试验方法，通过对超高层建筑和TLD建立缩尺模型，再将耦合系统固定到振动台上进行振动试验，从而获取结构与TLD的振动响应。2、采用理论计算方法，建立结构与TLD耦合系统的动力方程，将风荷载时程作为外激励加载到系统上，然后通过数值积分法求解得到结构受控后的动力响应和TLD本身的振动响应。
[0003]对于以上方法，方法1中建立能准确反映超高层建筑和TLD耦合系统特性的缩尺模型成本过高，目前通常将建筑简化为标准刚架结构，往往会造成与实际建筑的动力特性严重不符，而且TLD模型缩尺比太小导致的缩尺效应也会降低试验结果的可信度。另外由于振动台只能通过结构底部对耦合系统施加基底荷载，而非在各楼层质心处直接施加风荷载，因此通常只能考虑基阶模态振动。方法2中建立准确的耦合系统动力方程是实现耦合振动的关键，但是已有研究对于形状不规则或者设置阻尼构件的复杂TLD还远远不够，其理论模型目前还不成熟，而且TLD的阻尼比往往与振动幅值相关，具有随时间变化的特性，如果简单地将TLD等效为TMD，不能全面准确地反映TLD的动力特性，从而造成计算结果失真。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法，方法避免了振动台试验的缩尺效应问题，且无需建立复杂的非线性TLD理论模型，实现了结构
‑
TLD系统的耦合振动，从而可以对TLD减振性能进行评价。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据建筑风洞试验标准进行大气边界层流场模拟，并按照一定的缩尺比制作高层建筑试验模型；
[0008]S2、通过风洞试验获得高层建筑模型的风荷载时程并根据缩尺比公式转化到建筑原型；
[0009]S3、根据高层建筑原型的动力特性和风效应，计算TLD所需参数；
[0010]S4、结合建筑截面形状以及TLD所在楼层的空间限制，设计TLD的形状、尺寸、内部
构件类型及储水量，并引入数值模拟方法对TLD进行建模；
[0011]S5、建立高层建筑的动力学方程，采用数值积分法计算得到结构各楼层的振动响应；
[0012]S6、将TLD所在楼层的结构位移响应作为外激励施加到的TLD上，模拟TLD的晃荡过程，实时记录TLD的液面高度和控制力；
[0013]S7、将TLD控制力传递到结构的动力学方程中，更新结构的外力向量，然后计算出下一时刻结构的振动响应；
[0014]S8、判断是否所有时间计算完毕，从而得到结构受控后的动力响应和TLD本身的振动响应。
[0015]进一步的，步骤S1具体为：
[0016]基于高层建筑所在地的周围地貌环境判断地貌类型，根据建筑风洞试验的标准进行大气边界层流场模拟，由建筑原型高度确定合适的几何缩尺比并根据建筑外形制作试验缩尺模型。
[0017]进一步的，步骤S2具体为：
[0018]通过风洞试验获得高层建筑各楼层的风荷载时程，假定建筑可简化为质点串模型，得到作用在各质点处的合力向量F
p,t
；风洞试验测得建筑模型风荷载，根据相似理论转化到原型，具体公式为：
[0019][0020]其中，λ
F
表示气动力缩尺比，λ
L
表示几何缩尺比，λ
V
表示风速比。
[0021]进一步的，步骤S3具体为：
[0022]针对高层建筑原型固有频率f
S
和质量比μ的设计值，计算能充分调谐减振的TLD频率f
T
以及阻尼比ζ
T
，计算公式为：
[0023][0024][0025]其中，μ在实际应用中不大于0.05；
[0026]根据建筑各楼层质量和高度计算建筑的基阶模态质量M
s
，根据合适的质量比μ得到TLD有效质量M
T
。
[0027]进一步的，步骤S4具体为：
[0028]考察TLD所在楼层的平面设计，确定TLD的安装位置，根据步骤S3中计算的TLD动力参数进行TLD的尺寸设计；在楼层空间允许情况下，确定TLD的长度L，并由矩形TLD基阶模态频率的理论公式计算得到TLD的水深h，具体公式为：
[0029][0030]其中，g为重力加速度，h需要满足层高限制，若不满足需重新调整长度L进行设计；
[0031]由TLD有效质量M
T
计算出TLD的宽度W，具体公式为：
[0032][0033]其中，ρ表示水的密度，β表示质量参与系数；
[0034]根据结构减振所需最佳TLD阻尼比，选取合适的内部构件类型以及大小，并建立精确的TLD数值模型。
[0035]进一步的，步骤S5包括以下子步骤：
[0036]S51、建立结构的质量矩阵M、阻尼矩阵C以及刚度矩阵K；
[0037]S52、指定积分参数β和γ；
[0038]S53、形成有效刚度K
*
；
[0039]S54、计算结构各楼层的初始振动响应。
[0040]进一步的，步骤S5具体为：
[0041]建立指定高层建筑的运动方程：
[0042][0043]其中，M、C、K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，u
t
、分别为结构位移向量、速度向量和加速度向量，F
t
为外激励向量；
[0044]将公式(6)进行泰勒展开，并引入积分参数β和γ得到：
[0045][0046][0047]其中，Δt为时间步长，进一步变换得：
[0048][0049][0050]代入公式(6)得到时间t处关于节点位移的动力平衡方程：
[0051]K
*
u
t
＝F
t*
ꢀꢀ
(11)
[0052][0053][0054]其中，K
*
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据建筑风洞试验标准进行大气边界层流场模拟，并按照一定的缩尺比制作高层建筑试验模型；S2、通过风洞试验获得高层建筑模型的风荷载时程并根据缩尺比公式转化到建筑原型；S3、根据高层建筑原型的动力特性和风效应，计算TLD所需参数；S4、结合建筑截面形状以及TLD所在楼层的空间限制，设计TLD的形状、尺寸、内部构件类型及储水量，并引入数值模拟方法对TLD进行建模；S5、建立高层建筑的动力学方程，采用数值积分法计算得到结构各楼层的振动响应；S6、将TLD所在楼层的结构位移响应作为外激励施加到的TLD上，模拟TLD的晃荡过程，实时记录TLD的液面高度和控制力；S7、将TLD控制力传递到结构的动力学方程中，更新结构的外力向量，然后计算出下一时刻结构的振动响应；S8、判断是否所有时间计算完毕，从而得到结构受控后的动力响应和TLD本身的振动响应。2.根据权利要求1所述的基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法，其特征在于，步骤S1具体为：基于高层建筑所在地的周围地貌环境判断地貌类型，根据建筑风洞试验的标准进行大气边界层流场模拟，由建筑原型高度确定合适的几何缩尺比并根据建筑外形制作试验缩尺模型。3.根据权利要求1所述的基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法，其特征在于，步骤S2具体为：通过风洞试验获得高层建筑各楼层的风荷载时程，假定建筑可简化为质点串模型，得到作用在各质点处的合力向量F
p,t
；风洞试验测得建筑模型风荷载，根据相似理论转化到原型，具体公式为：其中，λ
F
表示气动力缩尺比，λ
L
表示几何缩尺比，λ
V
表示风速比。4.根据权利要求1所述的基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法，其特征在于，步骤S3具体为：针对高层建筑原型固有频率f
S
和质量比μ的设计值，计算能充分调谐减振的TLD频率f
T
以及阻尼比ζ
T
，计算公式为：，计算公式为：其中，μ在实际应用中不大于0.05；根据建筑各楼层质量和高度计算建筑的基阶模态质量M
s
，根据合适的质量比μ得到TLD有效质量M
T
。
5.根据权利要求4所述的基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法，其特征在于，步骤S4具体为：考察TLD所在楼层的平面设计，确定TLD的安装位置，根据步骤S3中计算的TLD动力参数进行TLD的尺寸设计；在楼层空间允许情况下，确定TLD的长度L，并由矩形TLD基阶模态频率的理论公式计算得到TLD的水深h，具体公式为：其中，g为重力加速度，h需要满足层高限制，若不满足需重新调整长度L进行设计；由TLD有效质量M
T
计算出TLD的宽度W，具体公式为：其中，ρ表示水的密度，β表示质量参与系数；根据结构减振所需最佳TLD阻尼比，选取合适的内部构件类型以及大小，并建立精确的TLD数值模型。6.根据权利要求1所述的基于风洞试验的结构
‑
TLD系统的耦合振动实现方法，其特征在于，步骤S5包括以下子步骤：S51、建立结构的质量矩阵M、阻尼矩阵C以及刚度矩阵K；S52、指定积分参数β和γ；S53、形成有效刚度K
*
；S54、计算结构各楼层的初始振动响应。7.根据权利要求3或6所述的基于风洞试验的结构
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【专利技术属性】
技术研发人员：周子杰，谢壮宁，张乐乐，石碧青，江毅，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：