土木工程毕业答辩PPT 38页

'高层建筑考虑风速风向联合分布的风致响应概率分析答辩人:***专业:土木工程****大学 论文框架1绪论2高层建筑风致响应分析3高层建筑风致加速度响应重现期分析4高层建筑风致加速度响应动力可靠度计算5结论与展望 汇报流程研究背景与意义课题方向论文要点结论1234 研究背景与意义高层建筑发展迅速，如广州西塔（432m），京基金融中心（439m）,广州塔（600m），北京、上海、天津、香港、台湾等许多城市均是如此。高层建筑共同特点：质量轻，柔性大，阻尼小，自振频率较低因此，风荷载在高层建筑结构设计中往往起控制作用。 研究背景与意义风荷载风压风速高层建筑玻璃幕墙被强风损坏示意图风荷载对高层建筑的作用不至于发生倒塌破坏，通常对围护结构有严重破坏及超限摆动，影响结构的安全性和舒适性。 研究背景与意义风速风向联合分布方法1随机过程极值超越法2年最大风作用时序法3联合分布概率型方法随机过程极值超越法年最大风作用时序法联合分布概率型方法平均风速看作具有速度大小、方向的一种二维平稳随机矢量过程。将风荷载转换成风作用的系数和风速（大小和方向）的关系式。构造风向频度函数与各风向角下风速分布函数的乘积的条件概率分布模型。理论完善，实践很难做到连续忽略气动弹性影响，且多用于飓风易发区。原理简单，使用方便，但风速大小和方向分离，且通常离散化。国外研究较多，Davenport教授国外有部分研究国内有部分研究，建立较完善分布模型 课题方向?上述3种方法，均考虑风速风向联合分布作用，用来解决哪些工程问题。高层建筑安全性舒适度通常满足要求舒适度评判标准：10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶部最大加速度应满足下表使用功能最大加速度住宅、公寓0.15m/s2(15gal)办公、旅馆0.25m/s2(25gal) 课题方向高层建筑结构满足舒适度要求考虑风速风向联合分布重现期分析可靠度计算随机过程极值超越法联合分布概率型方法 论文要点构建加速度响应与风速的关系式风致加速度响应重现期分析风致加速度响应动力可靠度计算123 论文要点高层建筑以广州西塔为工程背景，广州西塔地下4层，地上103层，高432米。简化为102个质点，306个自由度。有限元模型:分析得到质量矩阵[M]、及结构前6阶自振频率和振型f1f2f3f4f5f6自振频率0.12770.13230.35980.4540.45880.8380 论文要点X向(304)Y向(305)Z向(306)一阶振型-0.00056-0.00351-3.5856e-7二阶振型0.003515-0.00057-5.8048e-7三阶振型5.27e-5-0.000110.00013387四阶振型-0.00319-0.0029-3.1662e-7五阶振型0.002952-0.00318-5.1223e-6六阶振型0.000791-0.001070.00020957风洞试验：在汕头大学风洞实验室，风向角以10°为间隔，通过测压、测力及风环境试验获得36个风向角下建筑物的时程荷载。 论文要点广州西塔风洞试验模型测压试验参考坐标系初始方向（X轴）为0度风向角，逆时针旋转。本文分析时将全风向分为8个风向角，正东方向（X轴）为0度风向角，逆时针旋转，其中45度、135度、225度、315度风向角对应风洞试验中40度、130度、220度、310度数据。 论文要点1构建加速度响应与风速的关系式多自由度结构体系的运动方程：根据位移振型分解法，结构位移可以表示为：(1-1)(1-2)将式（1-1）代入式（1-2），并左乘，得到广义坐标下的运动方程：(1-3)对于第阶振型，广义坐标下的运动方程为：(1-4) 论文要点进一步转换为：(1-5)根据维纳—辛钦关系式便可得到模态力功率谱：模态位移响应谱可由模态力谱计算：(1-6)(1-7) 论文要点第j阶振型下频响函数：(1-8)第一阶频响函数模的曲线对于频响函数模的曲线，可以分为三段来考虑，以第一阶为例：1、第（1）段，2、第（2）段，3、第（3）段，趋于0，忽略 论文要点根据式（1-7）及频响函数，可知模态响应谱可表示为：第一阶模态响应谱曲线对结构模态位移的响应功率谱积分，得到模态位移响应均方根：第（1）段，背景响应第（2）段，共振响应 论文要点同理可得模态加速度响应均方根：加速度响应的均值为零，对于背景响应可以忽略，于是可得（第一阶，不失一般性）模态加速度均方根响应为：无量纲化处理 论文要点对于广州西塔工程，风振加速度响应的前2阶模态响应足以满足计算要求。结构顶部截面质心处x方向加速度响应的表达式：本文计算结构顶部在质心处加速度响应时，以X方向为例，同理可得Y方向表达式，不在论述。 论文要点式中和为需要拟合的参数风洞试验可得10年、50年、100年重现期时程荷载，因此，分别进行拟合，参数结果取加权平均。0度风向角45度风向角10年重现期一阶振型 论文要点45度风向角0度风向角0度风向角45度风向角10年重现期二阶振型50年重现期一阶振型 论文要点0度风向角45度风向角100年重现期一阶振型0度45度90度135度180度225度270度315度β3.64e-111.62e-112.27e-125.98e-123.15e-119.08e-121.29e-112.37e-11α-4.5326-4.0242-3.6216-5.0474-2.7500-3.8587-2.0925-2.3575一阶振型下参数加权平均后和 论文要点2风致加速度响应重现期分析1、随机过程极值超越理论（Davenport）年超越概率与风速风向联合分布密度函数关系表达如下：平稳随机过程中，和相互独立，把看作高斯分布，则(V、α) 论文要点又统计频率(年循环率)被定义为则年超越概率：风速风向联合分布概率密度函数满足舒适度要求对应的限值风速由前述风致加速度响应与风速的关系式确定，即 论文要点舒适度判别标准：a=0.25m/s²中V服从weibull分布（广州站气象分析报告）实际工程分析中做不到连续化，本文将全风向离散化为8个风向角，因此假定： 论文要点（1）8个风向角中相邻两风向角之间风速成线性变化；（2）8个风向角中每个风向角在顺逆π/4弧度内风向频率不变。风向角0度45度90度135度180度225度270度315度风向频率14.69.831.77.32.42.49.822.0各风向角风向频率风向角0度45度90度135度180度225度270度315度尺度参数C9.78.510.57.46.56.67.59.2形状参数K2.11.52.61.81.54.12.52.4Weibull分布参数 论文要点风向角0度45度90度135度180度225度270度315度超越概率0.00640.05220.00378.3e-44.9e-62.1e-61.7e-56.4e-5确定各风向角下年超越概率，及全风向年超越概率全风向年超越概率：N(V,α)=0.062重现期为年 论文要点2、经验公式法（EmilSimiu）EmilSimiu和ToshioMiyata给出了风速服从Weibull分布的重现期计算公式N年重现期10米高度平均风速，可由风致结构加速度响应与风速的关系式确定，然后换算到10米高风速 论文要点3、结果对比经验公式法规范随机过程理论法风速15.022.015.824.3超越概率0.062折减系数0.950.720.950.95重现期9.0613.8111.01958.31016.13对比随机过程极值超越法：风速风向联合分布经验公式法：不考虑风速风向联合分布规范气象报告10年、43年重现期风速计算得限值风速（45度、180度） 论文要点风致加速度响应动力可靠度计算3联合分布概率型方法：采用条件概率分布的形式确定风速风向联合分布满足舒适度要求的失效概率。假定：8个风向角中每个风向角在顺逆π/4弧度内的风向频率和失效概率一样。验算点法——当量正态化 论文要点建立结构功能函数：可由前述风致加速度响应与风速的关系式确定，则极限状态方程：可靠度计算工况1：工况2：风速V是唯一变量风速V，阻尼比均是变量阻尼比取值：1%阻尼比均值：1%标准差：0.5% 论文要点验算点法：当量正态化：联立上述5个式子迭代计算可确定结构可靠指标及失效概率，结果如下表。 论文要点0度风向角设计验算点风向角0度45度90度135度180度225度270度315度β5.3213.5525.4745.6086.9067.6596.2415.8255.159e-81.912e-42.199e-81.023e-82.492e-129.369e-142.174e-102.855e-9工况1结合风向频率，得全风向失效概率： 论文要点风速V、阻尼比为随机变量阻尼比均值：1%标准差：0.5%风向角0度45度90度135度180度225度270度315度β5.3213.5525.4745.6086.9067.6596.2415.8255.217e-81.948e-42.250e-81.065e-82.751e-111.029e-132.273e-103.013e-9各风向角可靠指标和失效概率全风向失效概率：工况2全风向失效概率：工况2工况1对比 结论（1）构建风致加速度响应与风速的关系式时，对做无量纲化处理后进行曲线拟合中，10年重现期的数据拟合效果很好，50年次之，100年拟合效果不理想。主要与结构固有频率取值范围有关，即拟合区间范围，C.M.Chan提到结构固有频率取值在0.1~1.0间。因此对于不同类型结构，建议拟合区间取值在结构峰值响应对应的频率与结构响应够足小时对应的频率之间。本文主要结论如下： 结论（2）在广州西塔工程满足舒适度要求的风致加速度响应重现期计算结果对比中，可以看出：规范要求为10年，按EmilSimiu和ToshioMiyata给出的经验公式计算为9—11年之间，考虑风速风向联合分布的随机过程极值超越法计算为16.13年，说明对于高层建筑考虑风速风向联合的风致响应是十分有必要的。 结论（3）考虑风速风向联合分布，采用联合分布概率型方法对广州西塔工程进行满足舒适度要求的动力可靠度计算，且分别做了两种工况。从计算结果分析，高层建筑的风致加速度响应满足舒适度要求的失效概率受风向影响比较明显，主要与各风向的风向频率相关；其次，同等情况下，两个随机变量工况下结构的失效概率略高于一个变量工况下结构的失效概率。 谢谢大家！'