连体结构分区风振响应及荷载相关性分析

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环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析

水利水电技术(中英文)㊀第52卷㊀2021年第3期廖迎娣,王露,张鹏程,等.环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析[J].水利水电技术(中英文),2021,52(3):206-216.LIAO Yingdi,WANG Lu,ZHANG Pengcheng,et al.Dynamic response analysis of offshore wind turbine structures under combined envi-ronmental loads[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2021,52(3):206-216.环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析廖迎娣1,2,3,王㊀露3,张鹏程4,陈㊀达1,2,3(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京㊀210098;2.河海大学长江保护与绿色发展研究院,江苏南京㊀210098;3.河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京㊀210098;4.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州㊀311122)收稿日期:2020-05-07基金项目:国家自然科学基金项目(51779087);中央高校基本科研业务费专项资金(2018B43014);高等学校学科创新引智计划(B12032)作者简介:廖迎娣(1977 ),女,副教授,博士,主要从事港口航道工程㊁近海工程混凝土结构腐蚀防护与修复技术方面的研究㊂E-mail:liaoyingdi@通信作者:陈㊀达(1978 ),男,教授,博士,主要从事港口航道工程结构㊁海上风电机组基础结构㊁近海工程混凝土结构腐蚀防护与修复技术方面的研究㊂E-mail:chenda@摘㊀要:为研究海上风电结构在复杂的海洋环境中承受环境荷载(风㊁波㊁冰㊁流)的联合作用时,结构产生的剧烈的动力响应问题㊂文章以三脚架基础海上风电结构为研究对象,采用ANSYS 有限元软件建立其整体模型并进行荷载(风㊁波㊁流和风㊁冰㊁流)联合作用下的静力校核,通过对环境荷载联合作用下的三脚架基础海上风电结构进行瞬态分析,掌握其动力响应的特性及规律㊂结果表明:三脚架基础结构的一㊁二阶自振频率均为0.285Hz ,在所选风机允许的频率范围内,可以保证整体结构不会与风机转动发生共振;风荷载在风㊁波㊁流荷载联合作用下主导控制结构响应的稳态波动,冰荷载在风㊁冰㊁流荷载联合作用下主导控制结构的稳态振动过程;塔筒顶端呈现的位移和加速度响应均远大于三脚架基础顶端;环境荷载联合作用下结构动力响应是环境荷载单独作用下动力响应叠加的结果㊂关键词:ANSYS 软件;三脚架基础海上风电;环境荷载联合作用;动力响应doi :10.13928/ki.wrahe.2021.03.024开放科学(资源服务)标志码(OSID ):中图分类号:TM614文献标志码:A文章编号:1000-0860(2021)03-0206-11Dynamic response analysis of offshore wind turbine structuresunder combined environmental loadsLIAO Yingdi1,2,3,WANG Lu 3,ZHANG Pengcheng 4,CHEN Da1,2,3(1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing㊀210098,Jiangsu,China;2.Yangtze Institute for Conservation and Development,Hohai University,Nanjing㊀210098,Jiangsu,China;3.College ofHarbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing㊀210098,Jiangsu,China;4.HydroChinaHuadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou㊀311122,Zhejiang,China)Abstract :In order to study the violent dynamic response of offshore wind turbine structures under the combined action of environ-mental loads (wind,wave,ice and flow)in the complex marine environment,the offshore wind turbine structure based on tripodis taken as the research object in this paper and the ANSYS finite element software is used to establish its overall model.First of廖迎娣,等//环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析all,static strength checking is carried out when tripod base is exposed to the wind,wave and current loads or wind,ice and cur-rent loads.Then dynamic analysis is carried out in order to make clear the dynamic response characteristics of the tripod struc-ture.The results show that the first and second order natural vibration frequency of the tripod foundation structure is0.285Hz,so the whole structure can be guaranteed not to resonate with the rotation of the wind turbine within the allowable frequency range of the selected wind turbine.Wind load dominates the steady state fluctuation of the structure response under the combined action of wind,wave and flow load,and that ice load dominates the steady state vibration of the structure under the combined action of wind,ice and flow load.The displacement and acceleration responses on the top of the tower barrel are much larger than those on the top of the tripod base.The dynamic response of the structure under the combined action of environmental loads is the result of the superposition of the dynamic response under the single action of environmental loads.Keywords:ANSYS software;offshore wind turbine based on tripod;combined action of environmental loads;dynamic response0㊀引㊀言㊀㊀风能资源作为一种清洁的可再生能源一直倍受世界各国的关注,无论是陆上风能资源还是海上风能资源,均是各国研究与开发的重点㊂海上风电结构用于开发海上风能资源,其基础型式的选择是风电结构设计时的关键之一,常见的海上风电基础型式有重力式㊁单桩㊁三脚架㊁导管架和漂浮式㊂三脚架基础属于桩承式基础,其桩基通常围绕中心柱等距离布置成稳定的三角,桩顶套管通过三个斜撑与中间立柱相连形成三脚架,对上部结构起到足够的支撑作用,具有良好的稳定性和整体刚度,承载能力较大,适用于水深为25~50m的海域㊂近海海域(水深0~30m)风能资源丰富,是目前海上风能发电主要开发领域,三脚架基础广泛应用于此范围海域[1]㊂海上风电结构在复杂的海洋环境中承受着风㊁波㊁冰㊁流㊁地震等荷载的不断作用,结构由此产生的剧烈的动力响应问题受到广泛关注与重视㊂尤其是冰区海域极端条件下的海冰荷载引起结构发生稳态振动时,结构的动力响应被放大,结构的疲劳和破坏由此产生㊂对风电基础结构进行模态分析获得其自振特性,而后分析各环境荷载(风㊁浪㊁冰㊁地震等)单独作用和联合作用下基础结构的动力响应是风电基础动力特性研究的着重点,这对实际工程风电结构安全设计具有重要意义㊂海上风电结构动力分析目前研究较多的是单一环境荷载作用下结构的动力响应,多种环境荷载联合作用下海上风电结构的动力响应相关研究较少,于是引起中外学者的广泛关注㊂张毅[2]开展了风冰荷载联合作用下单桩式海上风机的动力响应和疲劳损伤的研究,结果表明当海冰荷载频率接近风电基础结构的固有频率时,结构动力响应巨大㊂李炜等[3]建立单桩㊁三桩㊁四桩导管架基础模型,研究其在环境荷载(地震和波浪)以及冲击㊁简谐荷载作用下的瞬态动力分析结果,发现当桩的数量增加,结构刚度增大,动力响应递减㊂沙鑫[4]分别将随机风荷载单独形式㊁波浪荷载联合静态风荷载㊁波浪荷载联合随机风荷载施加到支撑结构模型上,通过瞬态动力分析确定了结构的最大位移和最大应力的位置㊂CHENG[5]研究了阵风和波浪荷载的组合,结果表明在极限波高和最大阵风之间的延迟可以有效降低支撑结构的动态响应㊂ALATI等[6]建立了海上风电单立柱三桩基础和导管架式基础模型,并且对于塔顶风机部分建模考虑了叶片影响㊂动力响应分析结果表明地震荷载在联合荷载(风荷载㊁波浪荷载和地震荷载)中占据控制地位㊂因此,对于海上风电结构在联合荷载作用下的动力特性还需要深入研究㊂本文采用ANSYS有限元软件建立三脚架基础海上风电结构整体模型并进行环境荷载(风㊁波㊁流和风㊁冰㊁流)联合作用下的静力校核,通过对环境荷载联合作用下的三脚架基础海上风电结构进行瞬态分析,掌握其动力响应的特性及规律㊂1㊀整体结构有限元模型建立㊀㊀本文选用的海上风电基础三脚架基础参考ZHANG[7]的文章,风机选用传统的迎风㊁变速㊁水平轴风力涡轮机 NREL5mW风机㊂由于本文主要开展基于三脚架基础的海上风电结构动力响应特性的相关研究,尤其关注的是塔筒结构的动力响应,所以在整体结构建模前对此三脚架基础结构作出以下简化:塔筒顶端的风机叶片㊁轮毂㊁机舱等构件采用集中质量点简化考虑;采用假想嵌固点方法[9]将桩基固定在海底泥面线以下6倍桩径处㊂该海上风电三脚架基础结构所在海域泥面线高程-30.00m,水面高程0.00m,基础顶端高程+10.00m,风机高程+90.00m㊂结构采用3根钢管桩作为基础,桩径2.3m㊂桩基按边长为26m的正三角形布置㊂廖迎娣,等//环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析桩基上部三脚架结构的组成:桩顶套管通过斜撑与中间立柱相连接,套管间设置水平撑以进一步提高结构稳定性㊂桩顶套管的直径为2.6m,其高程范围为-30.00~-16.00m㊂模型整体结构简化示意图如图1所示,包括上部塔筒和下部三脚架基础㊂使用ANSYS 软件中合理的单元类型对简化模型进行整体结构模型建立,建立的ANSYS 有限元模型如图2所示㊂图1㊀整体结构简化示意(单位:m)Fig.1㊀Simplified schematic diagram of overall structure(Unit:m)2㊀环境荷载的模拟和施加2.1㊀风荷载模拟和施加㊀㊀对于海上风电结构而言,考虑风荷载作用的范围是塔筒顶部的风机部分和支承风机的塔筒部分,其余部分所受风荷载可以不计㊂为了将飘忽不定的风进行研究,根据工程中实测风资料数据将其分开进行描述,把风相对稳定的部分可以称为平均风,而不规则变化的部分称为脉动风㊂2.1.1㊀平均风荷载平均风的风速分布采用指数分布[10]图2㊀整体结构有限元模型示意Fig.2㊀Integral structure finite element modelv -(z )v -(z b )=z z b ()α(1)式中,v -(z )为竖直方向上距地表任意距离z 处的平均风速(m /s);v -(z b )为竖直方向上距地表参考距离z b处的平均风速(m /s);α为风速轮廓线指数㊂风机部分和塔筒部分的结构特征和所受风速分布存在差异性,风荷载应分别计算㊂风机所受的气动荷载[10]以集中力的形式施加在塔筒顶部;塔筒的结构特征决定了其在竖直方向上不同高度处的所受的平均风速和受风面积的差异,因此塔筒部分的风荷载[12]需要沿塔筒高度方向每隔1m 以集中力的形式施加㊂2.1.2㊀脉动风荷载脉动风速具有随机性,其动力作用不能忽视,可以通过脉动风速的功率谱反映其各频率组成在整个风场中的作用大小,通过空间相关性函数来体现各脉动风速点之间的相互影响,据此将脉动风场的特性呈现出来㊂脉动风采用常见的脉动风速功率谱[12]中的Dav-enport 谱S v (n )=4kv -102x 2n (1+x 2)4/3(2)x =1200n v -10(3)式中,S v (n )为脉动风速功率谱函数;n 为脉动风频率(Hz);k 为地面粗糙度系数,范围在0.003~0.03,本文取0.03;v -为竖直方向上距离地面10m 高度处的风速(m /s)㊂本文采用线性滤波法(自回归AR 法模型)进行脉动风速模拟㊂模拟的脉动风场在竖直方向上的范围为廖迎娣,等//环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析㊀㊀㊀㊀图3㊀瞬时风荷载时程曲线Fig.3㊀Time history curve of instantaneous wind load高程10m 处塔筒与中间立柱交界点的至塔筒顶部,将此范围内的部分进行5m 等距划分,共取16个脉动风速模拟点,每点的脉动风速采用线性滤波法(自回归AR 法模型)进行脉动风速模拟,以此为基础求出各点的瞬时风荷载,脉动风速模拟具体参数如表1所列㊂表1㊀脉动风速模拟主要参数Table 1㊀Main parameters of fluctuating windspeed simulation脉动风速谱Davenport 谱模拟风速时长/s20010m 高度处的标准风速/m㊃s -135.2AR 模型阶数4时间步长/s0.1地面粗糙度系数0.0032.1.3㊀瞬时风荷载将模拟得到的各点脉动风速与相应的平均风速叠加得到真实作用于结构的各点的瞬时风速,而每个风速模拟点处瞬时风荷载的大小根据模拟点的间隔距离和结构尺寸计算,并以随时间不断变化的集中力形式作用于各点㊂模拟的最低点(三脚架基础顶端)和最高点(塔筒顶端)处瞬时风荷载时程如图3所示㊂2.2㊀冰荷载模拟和施加㊀㊀挤压㊁弯曲㊁断裂和屈曲是海冰与结构物相互作用时所表现的四种主要破坏形式,其与直立结构相互作用时挤压破坏是最主要的形式㊂冰荷载作用在风电结构水面线处的节点上,根据冰速不同,冰荷载分静冰荷载和动冰荷载㊂2.2.1㊀静冰荷载低冰速时海冰与结构相互作用,发生挤压破碎,这个过程可看作准静态过程[15]㊂静力分析时将海冰在该过程中产生的稳定冰力(极值静冰力)作为设计荷载,荷载的施加是在结构水面线处施加一个集中力㊂在不同尺寸的结构前,海冰的破坏形式和冰力特性存在显著差异㊂娄春娟[1]就不同的冰厚和结构尺寸对不同极值静冰力公式计算结果进行了对比分析㊂研究得出,对于海上风电结构应当采用API-RP-2N 规范[13]所推荐的基于极限冰压力理论得F =kDhσc(4)式中,F 为作用于结构的海冰荷载(kN);k 为折减系数,本文取为0.7;D 为挤压面的宽度(m);h 为海冰厚度(m);σc 为海冰单轴抗压强度(kPa)㊂2.2.2㊀动冰荷载随着冰速的增加,海冰的破碎过程会与结构振动产生相互影响,此时冰力变化与结构响应的变化呈现一致性,由此产生的动冰荷载的频率集中在结构的固有频率附近,结构会发生简谐形式的稳态自激振动现象,这对结构会造成极大的损伤㊂极端冰况下海冰对结构的动力放大现象明显,冰振响应极为显著,对风电基础结构和塔筒顶端的电机及附属设备造成影响,动力分析是应重点考虑㊂KÄRNÄ[14]基于海上平台结构的观测数据用简化的三角波时域函数来表征自激振动冰力时程,如图4(a)所示㊂本文也采用此锯齿状冰力函数模拟冰力时程曲线,如图4(b)所示㊂图4(a)中F max 为冰力最大值,可取为极值静冰力;ΔF =qF max ,q =0.1~0.5,;F mean 为冰力平均值;T 为冰力周期,稳态冰力的频率锁定在结构固有频率,因此计算中可近似取为结构固有周期;α是廖迎娣,等//环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析图4㊀稳态冰力时程曲线Fig.4㊀The time-history curve of steady-state ice force加载阶段系数,通常选取0.6~0.9㊂图4(b)所示的冰力时程施加在结构水面线处的节点上㊂2.3㊀波流荷载模拟和施加㊀㊀波浪理论选ANSYS软件中WATER TABLE的KWAVE设置推荐的Stokes五阶波理论㊂波浪荷载的施加是通过定义PIPE59单元的实常数以及定义WA-TER TABLE中波浪理论的序号㊁水深㊁海水密度㊁波高㊁波周期㊁波浪相位角完成的㊂海流与波浪相比更为稳定,其流动过程中加速度可不考虑㊂海流荷载施加是通过定义WATER TABLE 中海流速度以及波流耦合作用方式序号完成的㊂模拟的规则波荷载和恒定流荷载施加在结构泥面以上部分㊂3㊀静力校核3.1㊀荷载组合及作用方向㊀㊀参考‘海上风力机设计要求“(IEC61400 3)[16]规范和挪威船级社规范[1],在考虑风㊁波㊁流和冰荷载联合作用时,假定这些环境荷载作用方向相同且均为荷载联合作用方向㊂三脚架式风电基础结构为120ʎ对称结构,通过计算,得出静力校核时最不利的荷载联合作用方向为的0ʎ方向,如图5所示㊂图5㊀最不利的荷载联合作用方向Fig.5㊀The direction of the most unfavorable combinedaction of loads本文采用的风㊁浪㊁流㊁冰荷载参数,如表2所列㊂对海上风电整体结构进行静力分析的主要目的是保证整体结构强度和刚度在安全范围内,静力分析的两种荷载联合作用如下:(1)风荷载(风机荷载+塔筒风荷载)+波浪荷载+流荷载㊂(2)风荷载(风机荷载+塔筒风荷载)+海冰荷载+流荷载㊂表2㊀本文采用的风㊁浪㊁流㊁冰荷载条件Table2㊀The load conditions of wind,wave,current andice are adopted in this paper风10m高度处风速10min平均风速:U10,50-yr=35.4m/s波㊀浪有效波高:H s,50-yr=4.7m,T s=10s海㊀流底部流速v bottom,5-yr=0.85m/s,中部流速v middle,5-yr=1.05m/s,表面流速v surface,5-yr=1.25m/s海㊀冰冰厚H ice,50-yr=0.38m,冰的单轴压缩强度σc=2MPa,弯曲强度σf=700kPa3.2㊀校核结果㊀㊀结构的静力计算结果如图6和图7所示㊂从图6可以看出,在风㊁冰㊁流荷载联合作用下,结构三脚架基础出现最大等效应力,为143 MPa,塔筒顶端位移最大,为0.72m,均大于风㊁浪㊁流荷载联合作用的情况(见图7,最大等效应力为102MPa,塔筒顶端位移0.67m)㊂可见在冰区风电基础结构设计时海冰荷载不容忽视㊂㊀㊀三脚架基础的静力校核采用许用应力法,以验证结构的强度是否符合要求㊂验证过程按下式进行[9]σmaxɤ[σ](5)[σ]=0.8ˑσs(6)廖迎娣,等//环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析图6㊀风㊁冰㊁流荷载联合作用静力分析结果Fig.6㊀Diagram of static analysis results under combined action of wind ,ice and flowloads图7㊀风㊁浪㊁流荷载联合作用静力分析结果Fig.7㊀Diagram of static analysis results under combined action of wind ,wave and flow loads式中,σmax 为荷载作用下结构的应力极值(MPa);[σ]为结构所用材料的应力容许值(MPa);σs 为材料的屈服强度(MPa)㊂计算可知本文三脚架结构所用DH36钢材的许用应力为288MPa,大于结构在荷载联合作用下的等效应力极值143MPa,所以该海上风电三脚架基础的强度符合要求㊂塔筒顶部位移按照悬壁梁结构刚度的校核方法进行校核[16],塔筒顶部的位移与塔筒高度的比值应限制在0.25%~1%范围内㊂塔筒顶端位移极值为0.72m,悬臂长度取塔筒在竖直方向上的尺寸80m,则塔顶位移极值为悬臂长的0.9%,在要求范围内,故塔筒的刚度符合要求㊂4㊀动力响应分析4.1㊀模态分析㊀㊀对于海上风电基础结构而言,模态分析是验证结构自振频率是否与风机的工作频率范围发生重叠的方法,从而可以有效地避免结构产生共振现象㊂结构前6阶模态的振型及相应的结构自振频率如表3所列㊂本文考虑的环境荷载为风㊁波浪㊁海冰和流荷载,其中海冰荷载作用于立柱的水面线处,其频率范围为0~1Hz,结构的固有频率在此范围内,因而在特定的冰况条件下结构会发生稳态振动㊂风机工作频率等于其1倍与3倍转子频率范围,根据风机转子起转频率(0.115Hz)和额定工作频率(0.202Hz)计算廖迎娣,等//环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析㊀㊀㊀㊀表3㊀三脚架基础海上风电结构前6阶模态的自振频率及振型Table3㊀Natural frequencies and vibration modes of the first six modal of offshore wind turbine structure based on tripod阶㊀数123456自振频率/Hz0.2850.285 1.167 1.167 2.059 2.521振㊀型图8㊀塔筒顶端位移和加速度时程曲线Fig.8㊀The time history curves of displacement and acceleration at the top of the tower 出工作频率为[0.115,0.202]Hz和[0.345,0.606]Hz㊂为保证一定的可靠度,结构固有频率应该远离荷载频率5%以上[18],三脚架基础结构的各阶频率均避开[0.109,0.212]Hz和[0.327,0.662]Hz,因此不会发生共振现象㊂4.2㊀动力响应分析㊀㊀海上风电结构的塔筒因其支承风机的正常运行需要相对稳定的条件,所以其顶端动力响应的大小必须控制在一定范围以保证结构的安全和发电功能的稳定[19]㊂三脚架基础顶端与塔筒底相连,其在动力荷载作用下振动的剧烈程度直接会影响塔筒的稳定性㊂因此,本文重点关注两种环境荷载联合作用下塔筒顶部和三脚架基础顶部的位移与加速度响应㊂本文通过ANSYS软件对结构进行瞬态响应分析,虽是根据实际情况进行的数值模拟,但由于风㊁浪㊁流㊁冰荷载具有随机性,模拟结果与实际有些许差异,特别是在前期荷载刚加载时,结构响应很大,与实际情况不符,实际上对于风电结构来说,环境荷载作用是一个持续且相对稳定的过程,不存在荷载突然施加导致结构响应突然增大这种情况,但总体来看,在加载后大概40~70s之后,结廖迎娣,等//环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析㊀㊀㊀㊀图9㊀三脚架基础顶端位移和加速度时程曲线Fig.9㊀The time history curves of displacement and acceleration at the top of tripod foundation 构进入稳态振动状态,此时结构响应符合实际情况㊂4.2.1㊀风㊁波㊁流荷载联合作用结构响应在风㊁波㊁流荷载联合作用下与风荷载和波㊁流荷载耦合作用下的差异如图8和图9所示㊂从图8时程曲线可以看出,约在60s塔筒顶端响应开始稳态波动,较好的反映实际情况㊂在风㊁波㊁流荷载联合作用下,塔筒顶的动力响应最大,位移在0.61~0.69m范围内稳定波动,加速度在-0.036~0.057m/s2范围内稳定波动,这与风荷载单独作用时的规律一致,仅数值略大,说明风荷载主导塔筒顶端动力响应㊂图9显示了三脚架基础顶部的动力响应规律:约在50s时三脚架基础顶端位移开始在0.036~0.067m范围内稳定波动,可以看出在风㊁波㊁流荷载联合作用下三脚架基础顶部的位移几乎是风荷载和波㊁流荷载分别单独作用下的位移的叠加;约在43s时三脚架基础顶端加速度开始在-0.036~0.057m/s2范围内稳定波动,分析看出稳定波动阶段的三脚架基础顶端在风㊁波㊁流荷载联合作用下的加速度幅值小于这个阶段的风荷载和波㊁流荷载作用下的加速度的叠加㊂4.2.2㊀风㊁冰㊁流荷载联合作用结构响应在风㊁冰㊁流荷载联合作用下与风荷载和冰荷载分别单独作用下的差异如图10和图11所示㊂根据图10可知,塔筒顶端在风㊁冰㊁流荷载联合作用下的位移和加速度响应规律相似,约70s开始稳态振动,位移波动范围是0.50~ 0.94m,加速度波动范围是-0.63~0.68m/s2㊂塔筒顶端的动力响应主要由冰荷载控制达到稳态振动状态,从数值上来看,塔筒顶端在风㊁冰㊁流荷载联合作用下动力响应为荷载单独作用下的叠加㊂根据图11可知,三脚架基础顶端在风㊁冰㊁流荷载联合作用下的位移响应规律与塔筒顶端位移响应规律相似,约60s开始稳态振动,位移波动范围是0.062~0.104m;其加速度响应规律与位移响应规律有所区别,约40s加速度开始稳态响应,波动范围是-0.199~0.154m/s2,值大于冰荷载单独作用下的加速度响应㊂5㊀结㊀语㊀㊀海上风电结构在复杂的海洋环境中承受着多种环境荷载的不断作用,结构会因此产生剧烈的动力响应,研究其动力特性对实际工程风电结构安全设计具有重要意义㊂本文采用ANSYS有限元软件建立三脚架基础海上风电整体结构模型并进行荷载(风㊁波㊁流和风㊁冰㊁流)联合作用下的静力校核,进一步探究其动力响应的特性及规律㊂主要结论如下㊂(1)静力分析结果表明,在风㊁冰㊁流荷载联合作用下结构的最大等效应力和塔筒位移均大于风㊁波㊁流荷载联合的情况㊂三脚架基础强度和塔筒刚廖迎娣,等//环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析㊀㊀㊀㊀图10㊀塔筒顶端位移和加速度时程曲线Fig.10㊀The time history curves of displacement and acceleration at the top of the tower度经校核均满足要求㊂其中,本文海上风电三脚架基础在最不利的荷载组合作用下的最大等效应力发生在斜撑与中间立柱的连接处,设计时应着重关注㊂(2)模态分析结果表明,三脚架基础结构的一㊁二阶自振频率均为0.285Hz,在所选风机允许的频率范围内,可以保证整体结构不会与风机转动发生共振㊂(3)动力响应分析结果表明,在环境荷载联合作用下,对海上风电结构塔筒顶端和三脚架基础顶端动力响应影响最大的是风㊁冰荷载,波㊁流荷载对于结构动力响应的影响较小,因此风㊁冰荷载对于冰区海上风电三脚架基础的动力计算起着重要作用㊂(4)数值模拟过程荷载相当于突然施加,导致结构动力响应突然增大,这是不符合实际的,随着时间的推移,结构响应进入稳态波动响应阶段,此时可以较好的反映实际工程情况㊂(5)综合结构稳态波动状态的动力响应来看,风荷载主导控制风㊁波㊁流荷载联合作用下结构响应的稳态波动过程,冰荷载主导控制风㊁冰㊁流荷载联合作用下结构的稳态振动过程;环境荷载联合作用下塔筒顶端呈现的位移和加速度响应均远大于三脚架基础顶端,环境荷载联合作用下结构动力响应是环境荷载单独作用下动力响应叠加的结果㊂研究成果给出了三脚架基础海上风电结构在环境荷载联合作用下的动力响应规律,为实际工程中风电结构设计提供了理论依据㊂但本文重点关注的是海上风电三脚架基础结构的位移与加速度响应规律,后续研究工作可以关注结构的振动控制,也可以对结构关键位置的应力特征进行详细讨论,并据此对结构的疲劳寿命等方面展开相关研究;此外本文海上风电三脚架基础的桩基部分采用六倍桩径嵌固的方法进行简化的建模研究,下一步可以通过建立完整的桩基模型,探究荷载联合作用对桩基基础的影响以及桩土相互作用对于上部结构动力响应的影响㊂。

建筑物风振响应分析与减震设计

建筑物风振响应分析与减震设计引言：建筑物作为人类生活的重要组成部分，承载着人们居住、工作和娱乐的需求。

然而，当建筑物面临自然灾害或环境变化时，其结构与稳定性就成为关键问题。

其中，风振响应是建筑物设计中需要重点考虑的因素之一。

本文将探讨建筑物风振响应分析与减震设计的相关内容。

一、风振响应的原理与影响因素建筑物风振响应指的是建筑物在面对风力作用时产生的结构变形与振动现象。

这种响应是由风力引起的，主要受到以下几个因素的影响：1. 建筑物结构：建筑物的高度、形状、刚度以及材料的特性等都会影响其风振响应。

一般来说，高度较低、刚度较小的建筑物更容易产生较大的振动响应。

2. 风力特性：风力大小、方向、气流速度和气候条件等都会对建筑物产生不同的振动力。

风速越大、风向变化越剧烈，建筑物的风振响应相应增加。

3. 结构组合形式：建筑物的结构形式（如钢筋混凝土、钢结构等）会影响其振动频率和振幅。

不同的结构形式需要采用不同的减振措施。

二、风振响应分析方法为了评估建筑物的风振响应，工程师们通常采用数值分析方法和模型试验方法。

数值分析方法主要基于有限元理论，通过建立建筑物的数学模型，模拟风载作用，并求解其对建筑物结构的响应。

这种方法可以快速评估建筑物的振动性能，但需要准确的结构参数和边界条件。

模型试验方法则是通过搭建小型模型或使用风洞进行实验，测量建筑物在不同风速下的振动响应。

这种方法能够直接观测建筑物的振动情况，但需要大量的实验成本和时间。

结合数值分析方法和模型试验方法，可以较全面地评估建筑物的风振响应，并为减震设计提供准确的依据。

三、减震设计与实践为了减少建筑物的风振响应，工程师们通常采用减震设计。

减震设计主要包括两个方面：结构刚度的调整和减振措施的采用。

在结构刚度方面，通过增加建筑物的刚度，可以降低其受风力作用时的变形和振动。

例如，在高层建筑中，采用钢筋混凝土框架结构来提高整体的刚度。

减振措施方面，常见的方法有：1. 阻尼器：阻尼器是一种能够吸收和消散振动能量的装置，通常安装在建筑物的结构体系中，通过调整阻尼器的参数来减少建筑物的振动。

结构体系的地震响应分析与减震设计

结构体系的地震响应分析与减震设计结构体系的地震响应分析与减震设计地震是自然界的一种常见自然灾害，对建筑物和结构物的破坏具有极大的破坏性。

为了保证建筑物和结构物在地震发生时能够有足够的抗震能力，地震响应分析和减震设计成为了建筑工程中非常重要的一部分。

地震响应分析是在地震加载下，对结构体系进行力学响应分析的过程。

通过地震响应分析，可以评估结构体系的抗震能力，确定结构体系在地震荷载下的应力和变形分布情况，从而判断结构体系的破坏程度和安全性。

地震响应分析的目标是确定结构体系的动力特性，包括振动周期、模态形态等参数，并计算结构体系在地震加载下的响应。

地震响应分析通常采用数值模拟的方法，常见的方法有等效静力法、模态叠加法和时程分析法等。

等效静力法是将地震加载转化为静力加载，通过等效静力加载计算结构体系的响应。

模态叠加法是将结构体系的振动模态分解为若干个简谐振动模态，并按照一定的叠加比例进行组合，计算结构体系的响应。

时程分析法是通过数值积分的方法，以时程为基础，模拟结构体系在地震加载下的响应。

减震设计是指通过在结构体系中引入减震装置，改变结构体系的刚度和阻尼特性，从而降低结构体系在地震加载下的响应。

减震设计的目标是使结构体系能够在地震发生时保持较小的变形和应力，减小破坏程度，提高结构体系的抗震能力。

常见的减震装置有摩擦减震器、液体减震器、弹簧减震器等。

摩擦减震器是一种通过摩擦力来降低结构体系响应的装置。

它通常由上下两个金属板组成，中间涂有摩擦材料，通过调整摩擦力的大小来改变结构体系的刚度和阻尼特性。

液体减震器是一种通过流体的黏性耗散能量来降低结构体系响应的装置。

它通常由一个密封的容器和内部充满流体组成，当结构体系发生振动时，流体的黏性阻力能够吸收和消耗振动能量。

弹簧减震器是一种通过弹簧的弹性变形来降低结构体系响应的装置。

它通常由一个弹簧和一个质量块组成，当结构体系发生振动时，弹簧的弹性变形能够吸收和消耗振动能量。

航站楼屋盖大跨度钢结构动力特性地震响应分析

航站楼屋盖大跨度钢结构动力特性地震响应分析一、内容综述随着科技的飞速发展，世界范围内的基础设施建设不断取得新的突破。

在众多的基础设施项目中，航站楼屋盖大跨度钢结构作为重要的结构形式，其动力特性及其抗震性能的研究逐渐受到人们的关注。

本文旨在对近年来航站楼屋盖大跨度钢结构在地震作用下的动力特性进行详细阐述，以期为相关领域的科研和工程实践提供有益的参考。

航站楼屋盖大跨度钢结构具有空间刚度大、结构形式多样、材料种类繁多等特点。

在地震作用下，这些特点使得钢结构易产生复杂的振动现象，如颤振、模态转换、振动衰减等。

这些振动不仅会影响建筑物的正常使用，还可能对结构的安全性造成严重威胁。

对航站楼屋盖大跨度钢结构的地震响应进行分析，具有重要的理论意义和实际应用价值。

关于航站楼屋盖大跨度钢结构地震响应的研究已取得了一定的成果。

由于钢结构本身的复杂性和地震作用的随机性，现有的研究仍存在一定的局限性。

对于不同地震动特性、不同截面形式的钢结构，其地震响应规律尚不完全明确；对于钢结构的减震控制技术，也缺乏系统的研究和实证分析。

本文拟在现有研究的基础上，进一步深入探讨航站楼屋盖大跨度钢结构的地震响应问题，为相关领域的研究提供新的思路和方法。

本文还将对航站楼屋盖大跨度钢结构在地震作用下的动力特性进行详细的实验研究。

通过搭建足尺模型，利用激光测振仪、高速摄像机等多传感器技术，对钢结构的地震响应进行实时、精确的测量。

还将开展振动台试验，模拟实际地震环境下的钢结构动力响应行为。

这些实验研究将为理论分析提供有力的支撑，也为后续的结构设计和减震控制技术的研究提供新的途径。

本文将对航站楼屋盖大跨度钢结构在地震作用下的动力特性进行深入研究，旨在为航站楼屋盖大跨度钢结构的设计、施工和抗震性能评估提供理论依据和技术支持。

通过实验研究，揭示钢结构在地震作用下的动力学行为，为相关领域的研究和应用提供新的思路和方法。

1. 航站楼屋盖结构的重要性在现代交通枢纽中，航站楼屋盖结构承载着重要的功能。

多塔与连体高层结构设计与施工

接方式，实现了高层建筑的结构安全和稳定性。
广州国际金融中心
02
该工程采用双塔连体结构，通过优化设计，实现了结构安全、
经济性和建筑美学效果的统一。
案例总结
03
连体高层结构设计需重点关注连体部分的构造和连接方式，以
确保整体结构的稳定性和安全性。
案例总结与启示
多塔与连体高层结构设计需综合考虑多种因素，如结构体系、连接方式、抗震性能等，以确保整体结构的稳定性和安全性。
本主题旨在探讨多塔与连体高层结构设计的基本原则、方法和技术，以及施工过程中的关键技术和难点问题。通过深入分析相关案例，总结经验教训，为实际工程提供理论和实践指导。
02
多塔高层结构设计
结构设计特点
结构体系复杂
多塔高层结构由多个塔楼组成，各塔楼之间通过连廊、连接体等结构形式连接，形成复杂的结构
岩土介质离散化为一系列刚性或柔性单元，模拟岩土介质的变形和破坏
行为。
03
连体高层结构设计连体结构类型 Nhomakorabea01
02
03
刚性连体
通过刚性连接件将两个或多个塔楼连接在一起，形成一个整体结构。
柔性连体
塔楼之间通过柔性连接件连接，允许一定的相对位移。
半刚性连体
结合刚性和柔性连体的特点，具有一定的刚度和柔性。
结构设计要点
协同设计
考虑整体结构的协同工作，确保各塔楼的承载能力和稳定性。
连接部位设计
对连接部位进行详细设计，确保其承载能力和稳定性。
抗震设计
考虑地震作用对连体高层结构的影响，采取相应的抗震措施。
结构分析方法
有限元分析
稳定性分析
利用有限元方法对结构进行离散化，通过数值计算分析结构的性能。

建筑结构设计中连体结构定义的分析

建筑结构设计中连体结构定义的分析摘要：随着国内对建筑方案审美水准的不断提升，近年来很多大型公共建筑设计逐渐不再“中规中矩”，向着形体独特、构型元素丰富的方向发展，出现了诸多高低错落的建筑单体，构成了较为复杂的建筑结构体系。

为规避结构超限带来的问题，本文从建筑设计中常用到的连廊所形成的连体结构展开分析。

关键词：连廊，连体结构，相互影响绪论：连体结构中的连接体，有通过多层楼板、桁架体系、顶盖围合为一体的箱形结构，也有仅有桥面、截面高度远小于自身宽度的板式结构。

连体结构因连接体、两侧不同建筑结构的质量、刚度、约束情况差异较大，其受力比一般单体结构复杂许多。

结构设计中，设计人员也是尽可能规避连廊导致的结构不规则项，如通过设置落地柱与抗震缝将连廊脱开，或采用两栋建筑各自悬挑一端拼接为连廊等措施来避免连体问题，但是，受建筑高度、建筑间距等实际条件影响，部分项目仍避免不了在两栋建筑单体之间进行连廊架设。

以笔者工作经历，不同地区对连体结构的认定有宽有严，比如两栋体型较大的建筑，中间仅通过一座钢结构连廊连接，采用一端铰接一端滑动的支座，假定连廊宽度逐渐缩小，最后仅剩一根钢梁连系于两栋建筑之间，因连接体与主体结构刚度、质量过于悬殊，此时仍将结构体系定义为连体显然并不合理。

1.1连体结构定义的分析根据规范相关条文及条文说明，除裙楼以外，两个或两个以上塔楼之间带有连接体的结构为连体结构，并没有对连接体进行明确定义。

《高层建筑混凝土结构技术规程》10.5.4、10.5.5条文说明表述：“连体结构的连接部位受力复杂，连体部分的跨度一般也较大，采用刚性连接的结构分析和构造上更容易把握，因此推荐采用刚性连接的连体形式。

刚性连接体既要承受很大的竖向重力荷载和地震作用，又要在水平地震作用下协调两侧结构的变形，……根据具体项目的特点分析后，也可采用滑动连接方式”[1]。

通过理解，连接体应是能显著影响两端结构，具有协调两侧结构变形的能力。

连体论文笔记

一、大底盘双塔连体结构的抗震性能研究宋娟-硕士大底盘双塔连体高层结构建筑外形独特，不但可以有效地利用空间资源，提高地面资源的利用率，同时还可以满足投资者多功能的使用要求，因此，大底盘双塔连体结构日益成为城市高层建筑中的热点。

本文在查阅和阅读了国内外有关大底盘双塔连体结构资料的基础上，对大底盘双塔连体结构的动力特性以及地震响应进行了深入的研究，为这类结构的设计提供了依据，并为进一步的研究打下了基础。

论文的研究内容主要包括如下六个方面：（1）利用ANSYS 软件建立了一栋大底盘等高双塔连体结构三维实体有限元模型，并验证了该模型与计算方法的正确性。

（2）利用ANSYS 软件建立了三维实体大底盘等高双塔连体结构模型，对结构的动力特性进行了分析，研究结果表明：连接体对大底盘等高双塔结构的低阶振型影响较大，而对高阶振型影响较小。

连接体支承方式的变化对结构的动力特性低阶的影响较小，而对高阶的影响相对较大。

连接体刚度差异变化对对称结构振型的影响不明显。

（3）利用ANSYS 软件建立了三维实体大底盘不等高双塔连体结构模型，对其结构动力特性进行分析的结果表明：连接体的设置对结构的各阶频率和振型均有很大的影响，同不设连接体时相比，设置连接体后，结构各阶振型对应的周期均减小，刚度增强。

对于大底盘不等高双塔连体结构，连接体位置变化对结构振型的影响不明显。

（4）采用振型分解反应谱法，对大底盘等高双塔连体结构的地震响应进行了分析，结果表明：由于大底盘登高双塔连体结构中两塔楼的相互影响很小，有无连接体以及连接体位置的变化对大底盘等高双塔连体结构的动力反应影响较小。

提出大底盘等高双塔连体结构的薄弱环节是塔楼，而不是连接体。

（5）采用振型分解反应谱法，对大底盘不等高双塔连体结构的地震响应进行了分析，结果表明：连接体对于地震作用下的楼层剪力影响明显。

设置较强连接体后，刚度突变使塔楼与连接体相连接的上楼层比下楼层的剪力要大很多。

提出对于大底盘不等高双塔连体结构，塔楼间的裙房上部楼盖受力较大，为结构的薄弱环节，在设计时应注意加强。

风荷载与结构的风致响应及解决方法

风荷载与结构的风致响应及解决方法摘要：风是一种为人们所熟知的自然现象，影响着生活的方方面面。

而且，风能作为一种可再生的绿色能源也已越来越被重视。

但是，对于结构而言，风对结构的影响可以说都是不利的。

尤其是对于那些质量轻、柔度大、阻尼小、自振频率低的结构，如：大跨度桥梁、超高层建筑、大跨度悬挑屋盖等，风往往是设计的主要控制因素之一。

根据风压随时间变化的特点，其被分解为平均风压和脉动风压两个分量。

不同的风压分量往往会引起结构的不同类型的破坏。

本文将结合若干工程实例，浅谈其破坏类型，并总结相关设计方法。

关键字：风荷载；风敏感结构；风致响应；抗风设计1.自然风1.1. 风的成因空气是由各种气体分子等组成的混合物，是一种流体。

其运动方向是气压的正梯度方向。

只有存在气压差时，才会形成风。

在自然条件下，气压差往往是由于太阳辐射的不均匀、地球上水陆分布的不均匀使空气产生不均匀的升温而造成的。

太阳光照射在地球表面上，使地表温度升高，地表的空气受热膨胀变轻而往上升。

热空气上升后，低温的冷空气横向流入，上升的空气因逐渐冷却变重而降落，由于地表温度较高又会加热空气使之上升，这种空气的流动就产生了风。

图1-1 全球大气循环1.2. 风的类型根据风的成因的不同，可分为多种类型的风。

以下是一些典型的、对土木工程影响较大的风气候。

大气环流：大气环流是指在全球范围由太阳辐射和地球自传作用形成的大尺度的大气运动，它决定了各地区天气的行程与变化。

其中季风就是由大气环流、海陆分布和大陆地形等多种因素造成的，是以年为周期的一种区域性的大气运动。

这种类型的风作用区域最大、破坏性小，是平时最为常见的一类风。

热带气旋：热带气旋是指在热带或副热带海洋上产生的强烈空气漩涡。

其直径通常为几百千米，厚度为几十千米。

强烈的热带气旋不但形成狂风、巨浪，而且往往伴随发生暴雨、风暴潮，造成严重的灾害。

这种类型的风作用区域较大，持续时间长，而且具有很强的破坏性，是主要的自然灾害之一。

桥梁结构的风振性能评估与控制

桥梁结构的风振性能评估与控制桥梁是现代交通建设中不可或缺的重要组成部分，但长期以来，桥梁结构在受到风力作用时容易发生振动现象，给桥梁的安全稳定性带来潜在威胁。

因此，对桥梁结构的风振性能进行评估与控制显得尤为重要。

本文将从技术角度，介绍桥梁结构风振性能评估与控制的相关内容。

一、桥梁结构风振性能评估1. 振动特性分析桥梁结构在受到风力作用时，会引发横向和纵向的振动，因此需要对其振动特性进行分析。

常用的方法包括有限元分析、模态分析等，通过建立桥梁的数学模型，计算出各个模态的振动频率与振动形态，为后续的风振控制提供基础数据。

2. 风荷载计算风是导致桥梁结构振动的主要原因，因此需要准确计算桥梁受风的力及载荷。

根据桥梁的几何形状和风场参数，采用风洞试验或数值模拟方法，计算出不同部位的风速和风压分布，确定桥梁受风的作用力，为风振性能评估提供依据。

3. 振动响应计算通过将风荷载与桥梁结构的振动特性相结合，可以计算出桥梁结构在风力作用下的振动响应。

根据所采用的分析方法，可以得到桥梁的位移、速度和加速度等参数，以评估桥梁结构的风振性能。

二、桥梁结构风振性能控制1. 结构优化设计在桥梁结构的设计中，可以采用一些措施来降低其风振响应。

例如，通过合理设计桥墩、桥面板等结构部位的截面形状和断面尺寸，降低其自振频率，从而减小振幅。

此外，还可以采用局部加固、加装阻尼器等方式，提高桥梁的抗风振能力。

2. 控制减振装置为了减小桥梁振幅，保证其结构的稳定性，可以在桥梁上安装减振装置。

减振装置的种类较多，常见的有液体阻尼器、弹性体减振器、质量阻尼器等。

这些装置可以通过吸收或消耗部分能量，减小桥梁的振幅，提高其稳定性。

3. 风振监测与预警系统为了及时了解桥梁结构的风振情况，及时采取相应措施，可以在桥梁上设置风振监测与预警系统。

通过监测风速、桥梁振动等参数，并结合预设的阈值，及时判断桥梁结构是否存在风振风险，并进行相应预警和控制措施。

总结：桥梁结构的风振性能评估与控制是确保桥梁稳定运行的重要环节。

建筑结构中的风振响应研究

建筑结构中的风振响应研究近年来，建筑工程的安全问题越来越引起人们的关注。

其中，风振响应研究成为了一个热门话题。

此次文章将对建筑结构中的风振响应研究进行探讨。

一、风振响应的概念风振响应是指建筑物在风力作用下所发生的振动。

建筑物所受风荷载的变化将引起结构振动，可能产生结构共振。

随着建筑结构的发展，越来越多的结构形式出现，这些形式的特点会影响结构的风振响应。

二、影响风振响应的因素1. 建筑结构特征：建筑结构的刚度、坚固程度和柔韧性等特征是影响建筑物风振响应的最主要因素之一。

例如，高层建筑的高度和重量是影响风振响应的重要因素。

2. 风荷载的特征：建筑物所受风荷载的变化也会影响风振响应。

例如，风速的大小、风向的变化等都会对建筑物的风振响应产生影响。

3. 地面条件：建筑物所处的地面条件也会影响风振响应。

地形、土壤的属性、地面的起伏程度等都会对结构的振动产生影响。

三、风振响应的研究手段1. 数值分析法：通过有限元分析等数值模拟方法，可以得出建筑物在不同风荷载情况下的振动，从而评估风振响应情况。

2. 实验研究法：通过建造模型、进行风洞试验等实验手段，可以模拟不同风荷载情况下建筑结构的振动，从而获取风振响应的相关数据。

3. 结构优化方法：通过对建筑结构的设计进行优化，可以达到降低风振响应的效果。

四、风振响应的对策1. 提高建筑物的刚度和抗风能力：通过提高建筑物的刚度和抗风能力，可以有效减少风振响应的产生。

2. 选择合适的结构形式：合理选择建筑物的结构形式，可以有效避免结构的风振响应。

3. 采用适当的结构优化方法：通过对建筑物的结构进行优化，可以有效降低风振响应。

总之，对于建筑结构中的风振响应研究，需要考虑多方面的因素，包括建筑结构的特征、风荷载的特征和地面条件等。

研究风振响应的手段也应包括数值分析法、实验研究法和结构优化方法等。

对建筑物进行适当的加强和优化可以有效降低风振响应，确保建筑物的安全性。

抗风分析报告

抗风分析报告1. 引言本报告旨在对抗风性能进行全面的分析。

抗风性能是衡量建筑结构对抗风能力的重要指标，对于确保建筑物的安全性和稳定性具有重要意义。

通过对抗风性能的详细分析，可以为建筑设计和结构优化提供有力的依据。

2. 抗风分析方法2.1 数值模拟数值模拟是一种常用的分析抗风性能的方法。

它通过建立建筑物的数学模型，并运用流体力学和结构力学的原理，计算建筑物在风荷载下的应力和变形情况。

常用的数值模拟软件有ANSYS和OpenFOAM等。

2.2 风洞试验风洞试验是评估抗风性能的经典实验方法。

它通过在实验室条件下模拟真实风场，测量建筑物在不同风速下的受力情况。

风洞试验可以提供精确的风荷载数据，并对建筑结构的动力响应进行实际观测。

2.3 实测数据实测数据是评估抗风性能的重要依据之一。

通过长期监测建筑物在实际风场中的受力情况，可以获取真实可靠的风荷载数据和结构响应数据。

实测数据可以为数值模拟和风洞试验的验证提供依据，提高分析结果的准确性。

3. 抗风性能指标3.1 风荷载风荷载是指风对建筑物表面产生的压力和力矩。

它与风速、气压、建筑物形状和方向等因素密切相关。

风荷载是评估抗风性能的重要指标之一，需要根据当地气象数据和建筑物参数进行计算或测量。

3.2 结构响应结构响应是指建筑物在受到风荷载作用下产生的应力、变形和振动等情况。

结构响应是评估抗风性能的关键指标，可以通过数值模拟、风洞试验和实测数据进行分析和评估。

3.3 安全系数安全系数是评估抗风性能的重要依据之一。

它是根据结构抗风能力和风荷载的比较确定的。

合理的安全系数可以保证建筑物在极端风情况下的安全性和可靠性。

4. 抗风分析案例4.1 A楼抗风分析A楼是一座高层建筑，位于城市中心地带，受到高风速的威胁。

采用数值模拟方法，对A楼的抗风性能进行分析。

在设计风速下，计算A楼各个部位的风荷载，通过对结构响应进行分析，评估A楼的抗风能力。

4.2 B桥抗风分析B桥是一座大型跨海桥梁，面临强风荷载的考验。

建筑结构设计中的风荷载与风力响应分析

建筑结构设计中的风荷载与风力响应分析在建筑结构设计中，风荷载与风力响应分析是至关重要的。

风是自然界中的一种常见力量，它对建筑物产生的压力和力学响应不能忽视。

本文将探讨建筑结构设计中的风荷载与风力响应分析，并提供一些相关的实例和方法。

一、风荷载分析风荷载是指风对建筑物产生的压力和力学效应。

在建筑结构设计中，风荷载是必须考虑的重要因素之一。

首先，我们需要了解风荷载的来源和作用机制。

风荷载的来源主要是大气中的气压差异引起的。

当风经过建筑物时，会在建筑物表面产生压力差，从而产生荷载。

风荷载对建筑结构的影响有两个方面：一个是静风荷载，即常见的静态压力；另一个是动风荷载，即风速引起的动态效应。

对于风荷载的计算，常用的方法是按照国家规范进行计算。

这些规范提供了各种建筑类型和地区的风速概率分布曲线，以及建筑物的风荷载计算方法。

基于这些规范，结构设计师可以确定不同风速下的静风压力，并结合建筑结构的特点进行计算。

二、风力响应分析风力响应分析是指建筑物在受到风荷载时的结构响应分析。

建筑物在受到风荷载时会产生形变和应力，而风力响应分析旨在评估和控制这些响应，确保建筑物的稳定性和安全性。

常见的风力响应分析方法包括静力分析和动力分析。

静力分析是一种简化的方法，通常用于预估建筑物在可能的最大风荷载下的位移和应力。

动力分析则更为复杂，考虑了风荷载的动态效应以及结构的振动特性。

对于静力分析，常用的方法是等效静态法。

该方法的基本思想是将动态风荷载转化为与之等效的静态风荷载，从而简化结构的分析和设计。

这种方法适用于一些简单的建筑结构，但对于复杂的结构则需要考虑动力分析。

动力分析的方法有很多种，其中一种常见的方法是模态分析。

模态分析考虑了建筑物的固有振动特性，通过计算建筑物的模态响应来评估风力响应。

这种方法对于高层建筑等柔性结构尤为适用，能够更准确地预测结构的响应。

三、风荷载与风力响应的实例下面以高层建筑为例，说明风荷载与风力响应的分析过程。

风振系数资料

其他环境因素对风振系数的影响
• 例如，地形、地貌等环境因素对风振系数产生影响
• 环境因素的变化可能导致风振系数的变化

⌛️
03
风振系数的实验研究与数
值模拟
风振系数的实验研究方法及数据处理
实验研究方法
数据处理方法
• 采用风洞试验、现场试验等方法进行实验研究
• 对实验数据进行滤波、拟合等处理，提取结构动力特性
• 通过验证的数值模拟方法可用于风振系数的计算和结构
性能评估
实验研究与数值模拟的对比分析
实验研究与数值模拟的对比
• 对比实验研究和数值模拟得到的风振系数结果
• 分析实验研究和数值模拟结果的差异和原因
实验研究与数值模拟的综合应用
• 结合实验研究和数值模拟的优点，评估结构性能
• 为风振系数的取值和优化提供依据
• 桥梁结构受到风荷载、车辆荷载等多种荷载作用
• 桥梁结构的风振系数对结构性能具有重要影响
风振系数在桥梁工程中的应用
• 用于桥梁抗风设计，评估结构在风荷载作用下的安全性能
• 用于桥梁风荷载计算，评估结构在风荷载作用下的振动响应
• 用于桥梁疲劳寿命评估，评估结构在风荷载作用下的耐久性能
风振系数在高层建筑中的应用案例分析
风振系数的计算方法
• 基于结构动力特性和风荷载特性的计算方法
• 需要考虑结构模态、风荷载谱、结构阻尼等因素
• 计算结果可用于评估结构在风荷载作用下的振动响应和疲劳寿命
风振系数在结构风工程中的作用
结构风工程的核心内容
• 研究结构在风荷载作用下的动力响应和疲劳损伤
• 风振系数是评估结构风工程性能的重要指标
结构参数对风振系数的其他影响

风工程研究报告

风工程研究报告摘要：本研究报告深入探讨了风工程的概念、研究内容、研究方法、应用领域、重要成果以及面临的挑战和未来发展趋势。

通过对风工程相关理论和实际应用的综合分析，阐述了风工程在现代工程领域中的关键作用和重要意义。

一、引言风作为一种自然现象，对人类的生产生活和各类工程结构产生着显著的影响。

风工程作为一门交叉学科，旨在研究风与工程结构的相互作用，为工程设计和建设提供科学依据，以确保结构在风荷载作用下的安全性和可靠性。

二、风工程的概念与研究内容（一）概念风工程是研究风的特性、风对工程结构的作用以及工程结构在风荷载下的响应和性能的学科。

（二）研究内容1.风的特性包括风速、风向、风谱、湍流强度等的测量、分析和模拟。

2.风荷载计算确定工程结构所承受的风压力、风吸力等荷载的大小和分布。

3.结构风响应研究结构在风荷载作用下的振动、位移、应力等响应。

4.风致灾害评估预测和评估风灾对建筑物、桥梁、塔架等结构的破坏程度。

5.防风减灾措施研发和应用有效的防风、抗风设计方法和加固措施。

三、风工程的研究方法（一）风洞试验在风洞中模拟实际风场，对缩尺模型进行测试，获取风荷载和结构响应数据。

（二）数值模拟利用计算流体动力学（CFD）等方法，对风场和结构的相互作用进行数值计算和分析。

（三）现场实测在实际工程结构上安装监测设备，直接测量风荷载和结构响应。

（四）理论分析基于力学原理和数学模型，推导风荷载和结构响应的计算公式和理论。

四、风工程的应用领域（一）建筑结构确保高层建筑、大跨度屋盖结构等在风荷载下的安全性和舒适性。

（二）桥梁工程设计抗风性能良好的桥梁，避免风致振动和破坏。

（三）能源领域优化风力发电设备的设计，提高风能利用效率。

（四）航空航天研究飞行器在大气中的飞行特性和稳定性，保障飞行安全。

（五）体育场馆设计通风良好、无明显风干扰的体育场馆，提高运动员和观众的体验。

（六）城市规划考虑风环境对城市布局、建筑物密度和高度分布的影响。

复杂高层多塔楼连体结构高空连廊的分析与设计

2、问题与解决方案
针对以上特点，本次演示提出以下问题及解决方案：
（1）结构优化：通过采用新型的建筑结构形式，如钢-混凝土组合结构、空间网格结构等，对结构进行优化设计，提高其受力性能。
（2）抗震设计：采用弹性连接件连接塔楼和连廊，提高整个结构的抗震性能。同时，进行地震作用下的响应分析，优化抗震性能。
一、引言
复杂高层多塔楼连体结构是指由两个或多个塔楼通过连廊或连接件相互连接而成的建筑结构形式。这种结构具有较高的结构效率和良好的抗震性能，同时还能满足城市规划对于建筑美观性的要求。高空连廊作为连接塔楼的关键部分，具有较高的技术难度，因此对其进行深入分析设计至关重要。
二、复杂高层多塔楼连体结构高空连廊的分析
1、特点分析
复杂高层多塔楼连体结构高空连廊具有以下特点：
（1）结构复杂：由于多个塔楼需要通过连廊连接，使得整个结构体系变得更为复杂。
（2）抗震要求高：高空连廊作为塔楼之间的连接件，需要承受地震作用下的巨大扭矩和侧向力，因此对其抗震性能要求较高。
（3）风载影响大：高层建筑受到风载作用较为显著，高空连廊受到的风载效应将更为突出。
3、结构施工管理：采用新型的施工管理方法和技术，如BIM技术、施工模拟等，实现施工过程的可视化管理和优化，提高施工效率和质量。
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（3）风载控制：通过对建筑外形进行优化设计，减少风载作用下的漩涡效应。此外，还可采用调谐质量阻尼器等减震设备，抑制风振响应。
三、复杂高层多塔楼连体结构高空连廊的设计
1、设计理念
复杂高层多塔楼连体结构高空连廊的设计理念应综合考虑建筑美学、结构设计、施工工艺和经济性等因素。具体来说，应注重以下几个方面：
2、结构计算：结构计算是大底盘多塔楼连体复杂高层建筑群结构设计的重要环节。在计算过程中，需考虑多种荷载工况，如恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用等。同时，还需进行整体稳定性分析、薄弱层分析、地震反应谱分析等，以确保结构的安全性和稳定性。

风电塔结构的地震响应分析与抗震设计

风电塔结构的地震响应分析与抗震设计随着清洁能源的日益受到重视，风电发电设备在全球范围内的应用越来越广泛。

作为风电场的核心组成部分，风电塔的结构稳定性和抗震性显得尤为重要。

本文将对风电塔结构的地震响应进行分析，并探讨适用于风电塔的抗震设计方法。

一、风电塔结构的地震响应分析风电塔结构是一种特殊的工程结构，其不同于传统建筑物的地震响应特性。

风电塔一般采用承重桁架结构或者混凝土桩基础结构。

在地震发生时，地震波会对风电塔结构产生作用力，造成结构的振动和变形。

地震响应分析是评估风电塔抗震性能的关键步骤之一。

通过采集的地震波数据，以及风电塔的几何参数和材料特性，可以利用数值模拟方法对风电塔结构进行地震响应分析。

分析结果可以包括风电塔的加速度、速度、位移等参数，以及结构的应力和变形情况。

二、风电塔的抗震设计为了确保风电塔在地震中具有足够的稳定性和安全性，合理的抗震设计是必不可少的。

下面将介绍一些常用的风电塔抗震设计方法。

1. 等效静力分析法：等效静力分析法是最常用的抗震设计方法之一。

该方法通过将地震波作用转化为地震力，再以静力假设对风电塔进行分析。

通过合理选取等效静力系数，可以满足风电塔在地震作用下的稳定性要求。

2. 动力时程分析法：动力时程分析法是一种较为精确的抗震设计方法。

该方法采用实测地震波的时程曲线，以及考虑到风电塔的动力特性和非线性行为，对风电塔进行动力响应分析。

通过该方法可以更准确地评估风电塔在地震中的行为。

3. 随机振动分析法：随机振动分析法是一种基于统计方法的抗震设计方法。

该方法通过分析地震波的频谱特性，利用随机振动理论对风电塔进行分析。

该方法适用于对风电塔的多个重要参数进行不确定性的评估和优化设计。

三、风电塔的抗震设计策略在进行风电塔的抗震设计时，需要考虑以下几个方面的因素。

1. 地震设计参数的确定：地震设计参数是评估风电塔抗震性能的基础。

需要根据所在地的地震烈度、地震波特性等因素，确定地震设计参数，包括设计地震加速度、设计地震分组和设计地震基本周期等。

矩形平面气承式膜结构平均风荷载与风响应特性研究

钢结构(中英文), 39(2), 50-57(2024)DOI: 10.3724/j.gjgS23051802ISSN 2096-6865CN10-1609/TF矩形平面气承式膜结构平均风荷载与风响应特性研究*武岳1,2张时为3赵军宾1,2(1. 哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室，哈尔滨 150090；2. 哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 150090；3. 中建一局集团第三建筑有限公司，北京 100161)摘要气承式膜结构是典型的风敏感结构，在风荷载作用下膜面会产生较大变形，抗风问题是制约膜结构发展的重要因素。

为了研究矩形平面气承式膜结构的风荷载特性，设计并制作了6个不同的刚性模型，利用尖劈、粗糙元和锯齿挡板对A、B、C 共3类地貌进行模拟，在大气边界层风洞中进行了矩形平面气承式膜结构刚性模型测压试验，分析了风向、矢跨比、长宽比以及地面粗糙度等因素对结构表面平均风压分布的影响，并计算了结构在不同风向角下的风力系数。

基于风洞试验获得的风荷载数据，在有限元软件ABAQUS中对原型尺寸的矩形平面气承式膜结构进行了风振响应分析，膜面选用M3D4R单元建模，拉索选用T3D2单元建模，研究了不同风向角下结构的平均风响应特性，总结了风荷载作用下膜面的位移及应力分布规律，确定了出现位移极值及应力极值的位置，最后提出了适用于矩形平面气承式膜结构的风荷载体型系数分区方案，并给出了不同分区的建议取值。

研究表明：矩形平面气承式膜结构的平均风压系数受风向和结构长宽比的影响较大，受地面粗糙度影响较小；长宽比越小，上吸区的风压越小；随矢跨比增加，迎风区正风压系数增加，上吸区负风压减小；0°风向角下矩形平面气承式膜结构的风力系数最大；0°及45°风向角下，矩形平面气承式膜结构的迎风面及顶部变形较大，90°风向角下迎风面变形较大而顶部变形较小；0°及90°风向角下，结构两侧与中部连接的凸起部位应力较大，45°风向角下迎风面拐角处出现明显褶皱并伴随应力集中；0°风向角下位移及应力均最大，90°风向角下位移及应力均最小；建议0°和 90°风向角下矩形平面气承式膜结构风荷载体型系数采用5分区形式，45°风向下采用7分区；0°及90°风向角下结构分区风荷载体型系数受矢跨比影响明显，45°风向下结构分区风荷载体型系数受长宽比影响明显。

考虑土—结构相互作用的大型风力发电结构风—震耦合作用下动力响应分析

考虑土—结构相互作用的大型风力发电结构风—震耦合作用下动力响应分析考虑土—结构相互作用的大型风力发电结构风—震耦合作用下动力响应分析随着全球对可再生能源的需求不断增长，风力发电作为一种环保、可持续的能源形式得到了广泛应用。

大型风力发电结构在风—震耦合作用下的动力响应分析具有重要的工程意义。

针对该问题，本文旨在探索大型风力发电结构在风—震耦合作用下的动力响应，并考虑土—结构相互作用的影响。

首先，本文将介绍大型风力发电结构的基本构造和工作原理。

大型风力发电结构由塔筒、机舱、叶片和基础组成，其中叶片通过转动驱动发电机发电。

风力发电结构的基础在土壤中承受着巨大的力学荷载，因此考虑土—结构相互作用对风力发电结构的动力响应分析具有重要意义。

接下来，本文将详细介绍大型风力发电结构的风—震耦合作用。

风力作为外界激励力引起结构的震荡，而地震则是地面运动引起的振动。

当风和地震共同作用时，风力发电结构的动力响应将受到双重激励影响。

风—震耦合作用是一个复杂的过程，需要考虑风力和地震的频率、振幅、相位和方向等因素。

然后，本文将分析大型风力发电结构在风—震耦合作用下的动力响应。

首先，通过建立结构的数学模型，采用有限元方法进行计算，获得结构受力、位移和振动特性等参数。

其次，通过数值模拟和实验验证，研究风力和地震双重激励对结构的影响。

最后，对不同风速、地震强度和土壤条件下的结构响应进行综合分析和比较。

最后，本文将讨论土—结构相互作用对大型风力发电结构的影响。

土—结构相互作用是指结构与土壤之间的相互作用，包括土壤的刚度、阻尼和耗散能力等因素。

通过考虑土—结构相互作用，可以更准确地预测结构的动力响应，提高结构的抗风、抗震能力。

综上所述，本文通过考虑土—结构相互作用的影响，探索大型风力发电结构在风—震耦合作用下的动力响应分析。

这对于优化风力发电结构设计、提高结构的抗风、抗震能力具有重要的工程应用价值综合上述分析，风-震耦合作用对大型风力发电结构的动力响应具有重要影响。

高层建筑风振分析中的模态组合问题

高层建筑风振分析中的模态组合问题汤昱薇;谢霁明【摘要】大多数超高层建筑具有两个侧移振动固有频率非常接近的特点,使得风振响应分析中不能忽略其模态相关性.但目前普遍采用的SRSS(Square Root Squares)与CQC(Complete Quadratic Combination)模态组合方法存在理论上的不足,在实际工程应用中不能正确把握风致结构响应特点,对结构的抗风优化设计带来一定的困惑甚至误导.理论分析与数值计算证实了这两种方法的缺陷.SRSS方法完全忽略了模态相关性.CQC方法虽然在一定程度上考虑了模态相关性,但未能反映模态相关性中的相位关系,导致过于保守的计算结果.根据随机振动的基本理论,可建立基于风荷载互谱密度函数的模态组合新方法(称为“CS模态组合法”).这一方法能够完整考虑相邻模态之间的幅值相关性与相位相关性,原理清晰,计算简单,具有实际可操作性.与时域模拟结果的比较验证了这一新方法的可靠性与精确性.%Most super-tall buildings have a feature of their first two sway modes' natural frequencies being very close to each other,so in their wind-induced vibration analysis their mode correlations cannot be ignored.However,the current adopted mode combination methods of SRSS and CQC have shortcomings in theory and can't handle correctly the features of wind-induced structural responses in actual applications to bring structural anti-wind optimization design a certain confusion even misleading.Here,the shortcomings of these two methods were verified through theoretical analysis and numerical computation.SRSS method fully neglected mode correlations.Although CQC method considered mode correlations to a certain extent,it couldn't reflect the phase relation in mode correlations tocause too conservative computation results.Based on the fundamental principles of random vibration,a new method of mode combinations named the CS method based on cross spectral density function was proposed here.It was shown that the new method can fully consider amplitude correlations and phase correlations between adjacent modes;its principle is clear,and it is easy to calculate.The reliability and correctness of this method were verified through comparing its results with those of simulation in time domain.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)015【总页数】7页(P16-21,35)【关键词】高层建筑抗风设计;结构风效应;模态相关性;模态组合法;CQC法;基于互谱密度函数的CS(Cross Spectrum)法【作者】汤昱薇;谢霁明【作者单位】浙江大学建筑工程学院,杭州310058;浙江大学建筑工程学院,杭州310058【正文语种】中文【中图分类】TH212;TH213.3大多数超高层建筑采用几乎正交对称的抗侧结构系统，如图1所示。