广州中信广场台风特性与结构响应的相关性分析

现 场 实 测 中 采 用 仪 器 为 YOUNG-05106 型 和 YOUNG-81000V 型风速风 向仪和中国地 震局工程 力 学研究所开发的 99-1 型超低频振动拾振器 , 风速风 向仪设置在中信大厦楼顶避雷塔上特别安装的水平 向伸 延 出 约 3m 的 一个 直 杆 上 , 离 地 总 高 度 约 为 360m 。在实测时将风向角定义正北风为 =0°, 而南 风为 =180°, 角度按顺时针计算(见图 1), 此处定义 结构主轴 X 向为南北向 , 结构主轴 Y 向为东西向 ;两 个超低频测振仪设置在主塔楼结构顶部(位于结构的 几何中心 , 离地面高度约 330m), 沿着结构两主轴方 向正交布置 , 设置方 向与风速方向 仪相同 。 当 台风 “达维”于 2005 年 9 月 24 日登陆广东省沿海地区时 , 对中信广场顶部的风场状况和结构风致响应状况进 行了现场实测 , 具体实测时采用 20Hz 的采样频率(即 采样时距 0 .05s)连续同步记录 了从 2005 年 9 月 24 日 4 时至 9 月 26 日 9 时长达 53h 的风场数据及加速 度反应数据 。根据对于观测结果的分析 , 本次观测时 的平均风速为 5 ～ 15m/ s(时距取值为 10min), 平均风 向位于 60°～ 120°之间 , 其中大约 12 小时固定在 90°附 近。
第 23 卷 第 4 期 20 09 年 12 月
实验流体力 学 Journal of Experiments in Fluid Mechanics
文章编号 :1672-9897(2009)04-0021-07
Vol.23 , No .4 Dec ., 2009
广州中信广场台风特性与结构响应的相关性分析
(b)平均风向变化历程 图 2 平均风速 、风向角时程图 Fig .2 Mean wind speed and direction
2 .2 脉动风速
在 T 时距内 , 顺风向脉动风速 U(t )和横风向脉
动风速 V(t )可根据以下公式计算
u(t )= ux(t)cos +uy(t )sin -U (5)
中于近地台风特性的观测 , 对城市上空台风风场特性 的观测研究还比较少 , 而对于高层建筑风场特性与结 构风致响应的实测研究成果则更加缺乏 。因此 , 开展 这个方面的现场实测 , 对高层建筑抗风具有十分重要 的意义 。 研究各国的建筑设计规范可知[ 4-5] , 在计算结构 的风荷载时需要首先确定结构可能遭遇的最大平均 风速 , 而平均风速是根据在一定的时间段内实测得到 的多个瞬时风速测量值通过平均计算得出的 。 各国 建筑设计规范所规定的计算平均风速时所确定时间 段的长度(即时距)是不尽相同的 , 许多国家(包括我 国)将平均风速计算时距取值取为 10min(即在 10min 实测获得多个瞬时风速值 , 然后计算平均风速值), 也
ux = ucos
(1)
uy = usin
(2)
式中 , ux 为南北向分量 ;uy 为东西向分量 。
在具体的计算分析时若取 T 为基本时距 , 则水
主要选取 YOUNG-05106 型机械式风速风向仪采 平平均风速和风向角 为
第 4 期 李正农等 :广州中信广场台风特 性与结构响应的相关性分析
时取基本时距为 3min 更为合理 。 关键词 :风场特性 ;风致响应 ;现 场实测 ;相关性 ;基本时距 中图分类号 :P425.6 +5 文献标识码 :A
Correlation analysis of wind characteristic and wind-induced
response of CITIC Plaza
0 引 言
现代高层建筑正朝着高度越来越高 、刚度越来越 柔的方向发展 , 由于此类结构自振周期相对比较长 、 接近了台风风场的主要脉动频率 , 而且其自身阻尼相 对比较小 , 其风敏感性也越来越高 。开展现场实测研 究可了解现有高层建筑在台风作用下的响应状况 , 为 今后同类建筑物的抗风设计提 供重要的技术 参数 。 近年来对于强台风风场和结构响应进行了一些观测 工作 , 得到了比较完整的实测及分析结果 , 但是超高 层建筑结构风效应观测的数据还是较少[ 1-3] 。我国的 台风特性现场实测研究起步相对较晚 , 沿海地区的强 风特性的实测资料还比较欠缺 , 而且一般的研究都集
v(t)=-ux(t)sins +uy(t )cos
(6)
式中 , ux(t )、uy(t)和 的含 义及计算方 法见 2.1 节 。
以 10min 为基本时距 , 选择顺风向和横风向脉动
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U = ux(t)2 +uy(t )2
(3)
cos
= ux(t) U
(4)
式中 , ux(t)、uy(t)分别表示 T 时距样本的二维 风速平均值 。
以 10min 为基本时距所测得的水平向平均风速
和风向数据分别如图 2(a)和 2(b)所示 , 时间段长度
为 10h 。从图 1 看出 , 在 10min 为基本时距所测得的
李正农1 ,宋 克1 ,李秋胜1, 2 , 郅伦海1 ,吴玖荣3
(1.湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室 , 长沙 410082;2.香港城 市大学 建筑系 , 香港 ;3.广州 大学土 木工
程学院 , 广州 510006)
摘要 :基于台风“ 达维”登陆时广州中信广 场风场及结 构响应的 现场实 测数据 , 对于 风场特 性和结 构加速 度响 应状况进行了计算分析 , 计算分析结 果表明 , 城市上空强风“ 达维” 的湍流度比较 大 , 在台 风“ 达维” 作用下结构 的横 风向响应与顺风向响应接近 ;同时在不同的时 距条件下对 风场特性 与结构 加速度 响应的 相关性 进行了 分析 , 由分 析可知取 3min 为基 本时距时风速与结构响应的相关性系数值较高 , 说明 在确定结构的风荷载和计算结构风致响应
Abstract :This paper presented the analysis results based on the field measurement data of wind velocity and acceleration of main tower in CITIC Plaza during Typhoon Damrey .The results revealed that turbulence intensity of Typhoon Damrey was larger than the normal , and the across-wind dynamic response of CITIC Plaza approached the along-wind dynamic response under Typhoon Damrey .Meanwhile , the correlation of wind characteristic and wind-induced structure vibrations was investigated in selected different time intervals .The research indicated that 3-minute mean wind speed was reasonable in calculating the wind load and the wind-induced response . Key words :wind field characteristic ;wind-induced response ;field measurement ;correlation ;time interval
(a)中信广场鸟瞰图 (b)风速仪布置图 (c)结构平面与加速度传感器布置图
图 1 中信广场主塔楼 Fig .1 Main tower of CITIC Plaza
2 风场特性分析
集的约 10h 实测数据进行了分析 , 具体的风速风向实 测记录分为二个时间序列 , 即水平风速 u 和 风向角
(a)顺风向脉动风速峰值
(a)平均风速变化历程
(b)横风向脉动风速峰值 图 3 脉动风速峰值时程图 Fig .3 Variation of fluctuating wind speed
2 .3 湍流度
湍流度反映了风的脉动强度 , 是确定结构所受脉
动风荷载的关键参数 。一般而言湍流度常定义为 T 时距的脉 动风速标 准方差与 水平 平均风 速的比 值
1 观测位置和仪器
中信广场位于广州市天河北路以北 , 主塔楼为办 公楼共 80 层 , 结构总高度为 322 .5m , 顶层避雷塔高 度为 60m , 地面以上高度共为 382 .5m , 结构形式采用 钢筋混凝土筒中筒结构 ;主塔楼结构的平面布置为正 方形 , 边长 46 .8m , 结构高宽比达 6 .9 , 超过现行结构 规范规定的标准 。根据实测结果[ 6] , 广州中信广场的 基本自振频率约为 0 .166Hz , 并且两主轴方向的第一 振型相同 , 阻尼比约为 0 .6 %。
尽管整个大气边界层的运动非常复杂 , 但在地球
, 风速又可以根据以下公式分解为沿结构主轴方向
上某一局部的时间和空间范围内 , 特别是在比较接近 的两个分量
地面区域内空气的运动或风还是有一定的规律性 , 对 于结构风工程研究来说 , 由于结构尺度远小于气象学 尺度 , 研究主要集中在城市上空区域的风特性上 。 2 .1 平均风速和风向
平均风速为 5 ～ 15m/ s , 平均风向位于 70°～ 150°之间 。
对于其它的时间间距 , 取相对应的数值进行计算 , 即
可得到对应于时间间距的平均风速和风向 。
脉动风速峰值却较大 ;在 6h ～ 10h 之间 , 平均风速和 风向角变化较大 , 脉动风速峰值变化剧烈 ;从前面分 析可以看出 , 所测得的风场特性变化较大 。对于其它 不同的时间间距 , 也作了类似分析 。
收稿日期 :2008-09-12;修订日期 :2009-02-28 基金项目 :国家自然科学基金资助(50578061, 50778072, 90815030)
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实 验 流 体 力 学 (2009)第 23 卷
有国家取为 1h(如加拿大 , 英国等), 而有的国家取为 3s(如美国 , 澳大利亚 , 新西兰等)。 显然采取不同时 距取值将得出不同的平均风速计算结果 , 而平均风速 的取值对于结构设计风荷载的确定有比较大的影响 。 对于超高层建筑而言 , 究竟时距长度取为何值时最为 适宜 , 在国内外尚没有定论 。 笔者通过选择了广州中 信广场在台风“达维” 登陆时的风场(特别是风速)及 结构风致响应的实测数据进行了相关性分析 , 研究了 不同的时距条件下对于其相关性的影响 , 进而寻找在 确定高层结构的风荷载和计算结构风致响应时所适 宜的基本时距 。
LI Zheng-nong1 , SONG Ke1 , Biblioteka BaiduI Qiu-sheng1, 2 , ZHI Lun-hai1 , WU Jiu-rong3
(1 .Ministry of Education Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency , Hunan University , Changsha 410082 , China ;2 .Department of Building and Construction , City University of Hong Kong , Hong Kong , China ;3 .College of Civil Engineering , Guangzhou University , Guangzhou 510006 , China)