靜安中心整體鋼平臺系統(tǒng)風振響應的氣彈模型試驗研究

【摘要】本文根據(jù)靜安中心整體鋼平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，從幾何外形相似、質(zhì)量系統(tǒng)相似、剛度相似三個方面設計了鋼平臺系統(tǒng)爬升后狀態(tài)的氣動彈性模型。并在大邊界層風洞中考察了風向和風速對其風致響應的影響規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)：對于同一點進行同樣的風向角變化時，其位移和加速度響應的變化趨勢完全不同，位移背風向大于橫風向，加速度橫風向大于背風向；此外迎風面外掛腳手架局部位移響應的均值和峰值偏離90度正迎風向而是對稱出現(xiàn)于90度正迎風向兩側(cè)，而加速度將在結(jié)構(gòu)與外圍護網(wǎng)影響下在橫風向15度與165度角處出現(xiàn)突變的局部最值。

【關(guān)鍵詞】超高層；核心筒；整體鋼平臺；風洞試驗；氣彈性模型

高層建筑整體鋼平臺爬升模板腳手系統(tǒng)具有復雜的體型和較大的迎風面且整體剛度較低，屬于風敏感結(jié)構(gòu)。目前其設計主要考慮重力荷載，對風振效應則僅依靠經(jīng)驗進行設計與防護，沒有完善的標準可供參考，在大風下難以保障其安全性。例如，2012年臺風“?？笔股虾Ｖ行拇髲B主樓核心筒整體鋼平臺下掛腳手架的一角底部發(fā)生過大變形。目前對于整體鋼平臺系統(tǒng)風致振動的研究較少。駱艷斌等人[1-3]利用有限元分析和模擬的風荷載，研究了上海環(huán)球金融中心整體鋼平臺腳手架系統(tǒng)的順風向動力響應；高原等人[4]對上海中心整體鋼平臺系統(tǒng)的風致響應進行了風洞氣彈試驗研究，對比了均勻流場和紊流場的一些影響。但前人研究中對于整體鋼平臺局部風振響應的分析還極為有限。

本文以靜安中心整體鋼平臺爬升模板腳手系統(tǒng)的風洞試驗氣彈模型為案例進一步考察了鋼平臺局部位移和加速度響應特點。

1、氣彈試驗設計

1.1 原型

靜安中心整體鋼平臺爬升模板腳手系統(tǒng)（下文簡稱為整體鋼平臺系統(tǒng)）主要由平臺系統(tǒng)、外掛腳手架系統(tǒng)、內(nèi)掛腳手架系統(tǒng)、大模板系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)等組成。位于體系頂端的鋼平臺由縱橫工字鋼梁組成，平面形狀為切角后的矩形，上覆平臺鋼板，外圍包裹擋板，通過連接梁與內(nèi)、外掛腳手架系統(tǒng)連接，形成一個完全封閉的施工環(huán)境。主次平臺梁由HN400×200×8×13型鋼組成。豎向吊架由C8槽鋼和48×3腳手鋼管組成，走道板為L40×4角鋼框架加鋼板網(wǎng)組成。

1.2 模型設計

本次實驗整體鋼平臺系統(tǒng)為氣彈模型，核心筒為剛體模型。核心筒模型設計時僅考慮了幾何外形相似，以木板為制成材料，按實際結(jié)構(gòu)確定總體開洞率。整體鋼平臺系統(tǒng)模型則需從幾何外形、質(zhì)量系統(tǒng)和彈性剛度三個方面進行了相似性模擬。

實驗經(jīng)阻塞率計算后選取的幾何相似比為1：25，此時阻塞率為（1.0136×1.714）/30 = 5.79 %，以此計算各相似關(guān)系如表1所示，其中對應的風速比為1：5。模型設計時將模型構(gòu)件所需滿足的截面慣性矩作為控制目標進行構(gòu)件截面設計，考慮原型材料鋼材各向同性的材料特性選擇紫銅作為模型材料，并通過鉛絲配重保證質(zhì)量相似比。迎風面構(gòu)件考慮迎風面面積相似比設置ABS外衣，考慮外掛腳手架外圍包裹的密目網(wǎng)對整體鋼平臺的影響在外掛腳手架外圍設置了ABS材質(zhì)網(wǎng)格用以模仿密目網(wǎng)。

2、試驗設備和試驗工況

試驗在同濟大學TJ-3大氣邊界層風洞進行，風洞試驗段尺寸為2m高×15m寬×14m長。由于整體鋼平臺系統(tǒng)總高度不高，在其高度范圍內(nèi)風速變化不大，因此試驗未模擬風剖面，而采用均勻流場，試驗湍流強度為10%。

采用激光位移計和加速度計測量了氣彈模型兩個位置的位移和加速度響應，測點布置如圖2所示，其中D1和D2為激光位移計，A1和A2為加速度計?？疾炝巳鐖D2所示13個風向工況和不同風速條件下結(jié)構(gòu)響應的特點。D1和A1 測量方向為X向，D2和A2測量方向為Y向。

3、試驗結(jié)果分析

3.1 位移響應

3.1.1 隨風向角變化規(guī)律

如圖3（a）為風速6m/s時，D1測點處位移響應均值和峰值隨風向角變化曲線?？梢钥闯觯?到75度風向角范圍內(nèi)，位移均值和峰值逐漸增大；在105到180度風向角范圍內(nèi)，位移均值和峰值逐漸減小。均值和峰值的最大值均出現(xiàn)在105度風向角，最大均值為1.9mm，最大峰值為2.2 mm。位移最大值并未出現(xiàn)在正迎風風向0度工況下，這是由于105度風向下，模型具有更大的迎風面積。因為模型有切角，并非完全對稱，因此在0到180度范圍內(nèi)位移響應并不完全對稱。注意到0度和180度工況下位移方向相反，但0度時位移絕對值較小，這是由于切角減小了0度時結(jié)構(gòu)所承受的風荷載。

如圖3（b）為風速6m/s時，D2測點處位移響應均值和峰值隨風向角變化曲線。從0度至180度風向，D2測點由背風向—橫風向—迎風向變化?？砂l(fā)現(xiàn)在0度至75度范圍內(nèi)，位移逐漸減小，105度至180度范圍內(nèi)位移逐漸增大。但90度工況下位移絕對值比臨近風向角75度和105度大，這是因為90度為橫風向，漩渦脫落導致橫風向風振略微加劇。最大位移出現(xiàn)在180度風向下，即D2測點正面迎風時，最大均值為1.9 mm，最大峰值為2.5 mm。總體上，迎風時的位移比背風時位移大，順風向位移比橫風向位移大。

3.1.2 隨風速變化規(guī)律

如圖4（a）和4（b）分別為測點D1和D2的順風向和橫風向位移響應峰值隨風速變化曲線?？梢钥闯?，順風向和橫風向位移峰值的絕對值均隨風速增大而增大。相比而言，順風向位移比橫風向位移大。最高風速6 m/s時，D1測點的順風向位移峰值最大值約為2.0 mm， 而橫風向位移絕對值僅為0.2 mm；D2測點的順風向位移峰值最大值約為2.5 mm， 而橫風向位移絕對值僅為0.3 mm。另外可以發(fā)現(xiàn)，D1和D2測點的順風向位移均隨風速增大而明顯增大，而橫風向位移隨風速增加不明顯，這說明順風向位移隨風速變化更加敏感。橫風向位移均沒有出現(xiàn)隨風速變化突然增大的現(xiàn)象，因而可以判定，小于6m/s風速下，模型并未發(fā)生橫風向渦激共振。

3.2 加速度響應

3.2.1 隨風向角變化規(guī)律

圖5（a）為風速6m/s時，A1測點的加速度均方根值（RMS）隨風速變化曲線。總體上，從0至180風向范圍內(nèi)，加速度先逐漸增大再逐漸減小。但15度和165度風向下，加速度比前后風向工況較大，這可能是由于受到腳手架系統(tǒng)及外圍護網(wǎng)的影響，該風向下結(jié)構(gòu)受到的脈動風荷載增大，進而導致加速度突增。75度風向角下A1測點加速度達到最大值，約為0.004m/s。

圖5（b）為風速6m/s時，A2測點的加速度均方根值（RMS）隨風速變化曲線。和D2測點一樣，從0度至180度風向，A2測點由背風向—橫風向—迎風向變化。但是A2測點的加速度隨風速變化規(guī)律和D2測點的位移不同，這是因為加速度響應受脈動風荷載的影響，而位移響應主要受到平均風荷載影響。橫風向（90度）時，D2測點的位移響應比背風時（0度）還小，但是A2測點的加速度響應比背風時大；這說明背風區(qū)承受的平均風荷載較大，而脈動風荷載較小，因此位移響應較小而加速度響應較大?？梢钥闯觯珹2測點的加速度從0至180度方向逐漸增大，迎風時加速度均方根達到最大值，約為0.006 m/s。另外可以看出，從120度至180范圍內(nèi)，加速度對風向變化最敏感。

3.2.2 隨風速變化規(guī)律

如圖6（a）和6（b）分別為測點A1和A2的順風向和橫風向加速度均方根值隨風速變化曲線。順風向加速度和橫風向加速度均隨風速增大而增大，當風速較小時，兩者大小相近，隨風速變化規(guī)律也相近；但當風速超過4 m/s時（A2測點為3.5m/s），順風向加速度對風速增加更為敏感，逐漸大于橫風向加速度。風速6m/s時，A1測點和A2測點的最大橫風向加速度均方根值相近，約為0.003m/s，但順風向加速度A2測點更大。

結(jié)論：

通過對氣彈模型風洞試驗結(jié)果就進行分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）迎風面外掛腳手架長邊中心的局部位移響應的位移均值和峰值的最大值均偏離90度正迎風風向，對稱出現(xiàn)在75度和105度風向角下，進行腳手架抗風設計驗算時應予以注意。

（2）位移響應迎風時最大，背風向時次之，橫風向時最小，橫風向位移最大值出現(xiàn)于與風向角成90度時。

（3）同一點同一風向角變化時加速度和位移響應變化趨勢不同，加速度響應在迎風時最大，橫風向是次之，背風向時最小。這和位移響應背風向時大于橫風向的規(guī)律相反。這說明外掛腳手架的背風區(qū)主要承受平均風荷載，脈動風荷載較??；而橫風向作用區(qū)域主要承受到脈動風荷載作用。

（4）與順風向位移和加速度對風速變化敏感不同，在不超過6m/s風速下，模型并未發(fā)生橫風向渦激共振，橫風向位移和加速度隨風速增加不明顯。

（5）加速度將在結(jié)構(gòu)與外圍護網(wǎng)影響下在橫風向15度與165度角處出現(xiàn)明顯大于前后風向工況且僅略小于迎風向加速度的局部最值。

參考文獻：

[1]駱艷斌，徐偉，周虹，等.超高層建筑整體鋼平臺模板體系動力特性分析[J].建筑技術(shù)，2006，37（08）：621-623.

[2]駱艷斌，徐偉，龔劍，等.整體鋼平臺模板體系風振響應時程分析[J].低溫建筑技術(shù)，2006，113（07）：41-43.

[3]駱艷斌.超高層建筑整體鋼平臺模板體系施工技術(shù)與動力性能研究[D].[博士學位論文].上海：同濟大學，2006.

[4]高原，龔劍，趙傳凱，等.上海中心整體鋼平臺系統(tǒng)風致響應風洞試驗研究[J].建設科技，2015（3）：74-79.