發(fā)布時間：2020-04-20 04:52

【摘要】：超高層建筑在安全性和適用性設(shè)計時,考慮的重要指標(biāo)之一就是結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng),因此,對于超高層建筑的風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)研究是一項非常有意義的工作。現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗及數(shù)值模擬是研究結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的特性最常用的三種方法,其中現(xiàn)場實測雖然為最可靠的研究方法,但是只能測得部分樓層的響應(yīng)信息,結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載是無法直接獲得的,風(fēng)洞實驗盡管能夠測試結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載,但是所得結(jié)果很難準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的真實狀態(tài),通過數(shù)值模擬可以能獲得結(jié)構(gòu)任一點的風(fēng)荷載,但其準(zhǔn)確性需要不斷的驗證。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,實測技術(shù)逐漸成熟,結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)很容易測得,因此,基于實測動力響應(yīng),用反向識別方法,在輸入部分樓層的響應(yīng)信息識別出所有樓層的脈動風(fēng)荷載及未測試層的動力響應(yīng)成為了目前風(fēng)工程領(lǐng)域研究的熱點。結(jié)構(gòu)的荷載信息和響應(yīng)信息能夠反映結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的狀態(tài),為結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和抗風(fēng)設(shè)計可提供重要依據(jù),因此有必要提出反分析的方法,來間接獲得結(jié)構(gòu)全面的風(fēng)荷載信息及響應(yīng)信息。在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域,結(jié)構(gòu)的動力參數(shù)是在對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和動力設(shè)計一個重要的指標(biāo),目前識別結(jié)構(gòu)參數(shù)一般對結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行識別,因為轉(zhuǎn)換到模態(tài)空間中可使計算過程變得簡單。在荷載作用下,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息可以直接反映其參數(shù)的變化情況,因而,基于動力響應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)識別方法被認(rèn)為是評判結(jié)構(gòu)損傷的最有效辦法之一,基于現(xiàn)有的現(xiàn)場實測技術(shù),在結(jié)構(gòu)響應(yīng)部分已知,荷載信息未知的情況下,提出一種結(jié)構(gòu)參數(shù)識別的方法尤為重要。因此,本文提出了兩種風(fēng)荷載識別方法和三種結(jié)構(gòu)參數(shù)識別方法,并以卡爾曼濾波理論為基礎(chǔ),以香港國際金融中心二期為工程背景,以風(fēng)洞試驗為手段,系統(tǒng)地研究了利用有限測試樓層的風(fēng)致響應(yīng)識別結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)參數(shù)的時域方法。主要研究內(nèi)容如下:(1)本文采用擴(kuò)增矩陣微分方程的方法,求解結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的動力響應(yīng)。通過將結(jié)構(gòu)動力微分方程構(gòu)造成狀態(tài)空間的形式,實現(xiàn)了矩陣微分方程的“降階”,然后求解降階后的擴(kuò)增矩陣微分方程得到結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng),分析了結(jié)構(gòu)響應(yīng)的初狀態(tài)X(t_0)對t時刻的響應(yīng)向量X(t)的影響;作為對比,文中給出了另一種計算方法,Newmark-β法,對兩種方法的計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。根據(jù)模態(tài)轉(zhuǎn)換理論及超高層建筑的風(fēng)振特性,解決了超高層建筑反分析中測點不足的問題,并根據(jù)POD方法確定了結(jié)構(gòu)的主要控制模態(tài)數(shù)和最少測點數(shù)。(2)基于離散型Kalman濾波理論,提出了兩種結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)荷載的反演方法(DKF,A-DKF)。首先將動力微分方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間方程,然后推導(dǎo)了適用于風(fēng)荷載估計的離散型Kalman濾波擴(kuò)展形式,得到了脈動風(fēng)荷載及未測量風(fēng)振響應(yīng)的反演方法(DKF),通過對狀態(tài)方程進(jìn)行擴(kuò)增,得到了離散型擴(kuò)增狀態(tài)Kalman濾波方法(A-DKF),利用矩陣的譜半徑判定了濾波的穩(wěn)定性,并通過引入位移虛擬測試的方法解決了因擴(kuò)增而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。引用正則化理論中的L曲線方判定了觀測噪聲強度的最合理取值,克服了Kalman濾波對過程噪聲和觀測噪聲的需要預(yù)知的依賴性,同時提高了反演算法的抗噪聲能力及適用性。(3)基于風(fēng)洞試驗驗證了本文采用的風(fēng)荷載識別方法的可行性和準(zhǔn)確性,兩種方法只使用七個樓層的響應(yīng)(位移、速度及加速度中的一種)估計得出每個樓層的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng),得到了較為滿意的結(jié)果,且多種噪聲水平下的風(fēng)荷載反演精度都能滿足工程實際的要求,并對兩種方法的特性展開了對比分析。(4)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(EKF)以及兩種改進(jìn)方法自適應(yīng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(AEKF),移動窗口的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法(MWEKF),基于有限測試層的位移響應(yīng)識別結(jié)構(gòu)的頻率和阻尼比,結(jié)果表明,在輸入位移響應(yīng)時,以上三種方法都能較好的識別結(jié)構(gòu)的參數(shù)。AEKF在參數(shù)識別時能提高濾波的穩(wěn)定性,使識別結(jié)果更加穩(wěn)定。MWEKF對初始狀態(tài)向量Z_0及估計誤差協(xié)方差初值P_0的選擇不敏感;它不依賴假設(shè)的噪聲水平,因為過程噪聲和測量噪聲都可以被估計出來,在過程噪聲非平穩(wěn)的情況下,也能保持其最優(yōu)性。
【圖文】：

圖 3-1 建筑效果圖試驗試模型洞動態(tài)測壓試驗是在香港城市大學(xué)面尺寸為寬 4m，高 2m，風(fēng)速在 0~，平均氣流的偏差在極小范圍內(nèi)掃描閥測得模型表面的風(fēng)壓，然后點的數(shù)據(jù)。擬裝置由擋板、尖塔、粗糙元組成周邊風(fēng)環(huán)境一致。該建筑的剛性以其為半徑 0.6 km 范圍內(nèi)建筑的模型。

圖 3-2 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ图爸苓吔ㄖ植硷L(fēng)是由于氣壓差導(dǎo)致氣流的流動產(chǎn)生的，，風(fēng)速是反映風(fēng)強弱的重要指標(biāo)，風(fēng)速會隨著離地距離增高而增大，這是在大氣邊界層內(nèi)的規(guī)律，當(dāng)達(dá)到一定的高度時，大氣壓就會趨于一個穩(wěn)定值，那么風(fēng)速的大小就主要由地面粗度及溫度垂直梯度控制，一旦達(dá)到梯度風(fēng)高度，那么風(fēng)速就會達(dá)到穩(wěn)定，不會再受到地面粗糙度的影響。風(fēng)速剖面是風(fēng)的基本特征之一，會受到地面粗糙程度和風(fēng)氣候的影響，由我國荷載規(guī)范可知，對結(jié)構(gòu)的設(shè)計我國主要考慮的極端風(fēng)氣候為臺風(fēng)或冷鋒風(fēng)[60]，在結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮的近地面范圍內(nèi)，風(fēng)速剖面基本符合指數(shù)率，指數(shù)α 作為區(qū)分地面粗糙度指標(biāo)，地貌分為 A、B、C、D 四類，對應(yīng)的α 取值分別為 0.12、0.15、0.22、0.3，由于香港屬于我國大城市行列，人口眾多，且改建筑一面面臨大海，另一面有密集的建筑群及高山，根據(jù)我國荷載規(guī)范，將該建筑周圍的流場劃分為 D 類場地類別，即風(fēng)速剖面指數(shù)α 為 0.30。對于超高層建筑的剛性模型測壓風(fēng)洞模擬試驗，關(guān)鍵要對大氣層邊界層內(nèi)
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU973.213

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本文編號：2634173