中央電視塔氣動彈性風(fēng)洞模擬試驗

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1、第27卷第1期力學(xué)學(xué)報V61.27,No.1.19951月,年ACTAMECHANICASINICAJan1995中央電視塔氣動彈性風(fēng)洞模擬試驗1)魏慶鼎陳軍杜向東張伯寅北京大學(xué)力學(xué)系,北京10087(1)摘要按照空氣動力彈性相似性準(zhǔn)則設(shè)計了中央電視塔準(zhǔn)仿氣動彈性模型,在大氣邊界.層風(fēng)洞中進(jìn)行了實驗應(yīng)用應(yīng)變儀測定了塔根部的動態(tài)彎矩,利用光纖一光點攝影攝像法測定了塔樓和天線頂端的風(fēng)振運動軌跡,從而得到了中央電視塔對風(fēng)響應(yīng)的有關(guān)動態(tài)特性.關(guān)鍵詞高聳細(xì)長結(jié)構(gòu),電視塔,空氣動力彈性,風(fēng)洞模擬實驗引言、,隨著工程實際的需要和建筑材料設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步具有較小阻尼和剛度的輕型的高聳細(xì)長建筑物和結(jié)構(gòu)物大量

2、涌現(xiàn).它們在風(fēng)荷載下產(chǎn)生的響應(yīng),即結(jié)構(gòu)風(fēng)振要比通常的建筑物、結(jié).在這種情況下,必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的氣動彈性特構(gòu)物嚴(yán)重得多.:性的研究應(yīng)用風(fēng)洞實驗來研究結(jié)構(gòu)對風(fēng)響應(yīng)的途徑有兩種一種是采用剛性模型,2;高頻底座天平的方法通過測量廣義氣動力來計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)1,]另一種是—采用彈性模型,應(yīng)用應(yīng)變儀、加速度計等直接測量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)15,4].前一種途徑模型制作容易,,,,實驗方法簡單但是不能直接測得有關(guān)響應(yīng)參數(shù)對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)高,,;階響應(yīng)估算誤差比較大后一種途徑模型制作復(fù)雜測量難度也比較大但是可以直接獲得各種響應(yīng)量,精度也比較高.根據(jù)量,,綱分析進(jìn)行彈性模型空氣動力實驗除要求模型和原型幾何相似和風(fēng)場,,5

3、:v。相似外還要求模型和原型之間以下個無量綱參數(shù)相等習(xí)(雷諾數(shù))v/了刃(弗,。Z,。,,勞德數(shù))pV/E(慣性力與彈性力之比)p/p(流體慣性力與結(jié)構(gòu)慣性力之比)斌阻.,,,,,夕。尼系數(shù))其中v特征速度L特征長度流體運動勃性系數(shù)p流體密度p,結(jié)構(gòu)密度,E彈性模量,g重力加速度.中,高386.5m,塔身為細(xì)長錐臺央電視塔坐落在北京海淀區(qū)玉淵潭公園西側(cè)形,塔樓恰,天線柱截面為四方形.塔身、塔樓為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),天似一盞宮燈線柱下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上部為鋼管結(jié)構(gòu).本研究中使用了中央電視塔的準(zhǔn)仿,這種模,氣動彈性模型型與原型只在外形上幾何相似在滿足密度分布的相似參數(shù)。,.。p/p上有所降維

4、但滿足其它必要的動力學(xué)相似條件實驗中用應(yīng)變儀測定了塔根部,一,的動態(tài)應(yīng)力用光纖光點攝影(像)法測量了塔樓和天線頂端的動態(tài)軌跡從而得到了有關(guān)中央電視塔的風(fēng)響應(yīng)特性.1實驗設(shè)備1.1風(fēng)洞,,,,實驗在北京大學(xué)環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行實驗段寬3m高Zm長32m最大風(fēng)速`)國家自然科學(xué)基金與廣播電影電視部設(shè)計院資助課題.,·93一11一2419942019收到第一稿一于收到修改稿:第1期魏慶鼎等中央電視塔氣動彈性風(fēng)洞模擬試驗..,25m,本次實驗風(fēng)速為4m/s~11m/s按模型特征長度塔樓直徑D(0102m)計.x4.x.2slo、79104算的雷諾數(shù)約為1.2模型中央電視塔屬于典型的高聳細(xì)長結(jié)8丫.0.

5、,,392)構(gòu)塔身和塔樓為旋成體制作準(zhǔn)仿氣動1.408.:.彈性模型比較方便其基本結(jié)構(gòu)是中央812-,為一根鋁合金的支桿(sPien)由它提供必…,.丙要的剛性和慣性矩同時提供主要的沿高’9。價}度的分段質(zhì)量分布.整個彈性支桿由14段1圓柱,和方柱組成每一段柱上套接一段輕質(zhì)硬,泡沫塑料其外部形狀保持與原型塔,相應(yīng)部分幾何相似泡沫塑料段之間互相,隔開約lmm的間距因而它們對于鋁支桿的,剛性沒有什么影響只是提供各段一..}卜1護(hù)定的質(zhì)量模型結(jié)構(gòu)尺寸見圖在模型}王.760,{一行設(shè)計和實驗中所要滿足的相似參數(shù)考慮14.3卜!{,:長和處理如下Z/:了弗勞德數(shù)在電視塔這種獨立高聳結(jié)構(gòu)的水平振動問

6、題中可以忽略.i雷諾數(shù)在本實驗中是重要的,但實驗醚/`藝?yán)字Z數(shù)比真實雷諾數(shù)要小至少兩個數(shù)量級.為了提高其有效雷諾數(shù),實驗中采用)遙亞了增加模型表面粗糙度的辦法使塔身繞流流態(tài)與真實情況盡可能接近.塔樓和天,線柱都是帶棱結(jié)構(gòu)它們對雷諾數(shù)不敏圖1中央電視塔準(zhǔn)仿氣動彈性模型,·.nerls]故不需處理Fig1SpliaeoeltiemodelofCCTVtower感as滿足關(guān)于剛性的相似參數(shù)的條件可以寫成等價形式_衛(wèi)竺f型絲攔、f竺絲絲、(l)El/,、El/p其中下標(biāo)、p,I.。分別表示模型和原型表示結(jié)構(gòu)的水平截面慣性矩記模型縮尺,,,比D、/D,二K:風(fēng)速比珠/嶺=m=aPp則由l()可得

7、凡若近似假設(shè)aP`一·K`·、“會(2),,根據(jù)風(fēng)洞尺寸及風(fēng)速范圍此次實驗取模型縮尺比K:二1:40風(fēng)速比=1:.5tK,由(2)式可以計算圓形塔身塔樓和方形天線桅桿的模型彈性桿的直徑和邊長.桿的材,7.2、10“t/mZ,2.719c/m3.料為鋁合金其彈性模量為密度為包在彈性桿外主要起成形作用的硬泡沫塑料的密度為.00499/cm“.嚴(yán)格滿,足密度比(或慣性比)的相似條件對于準(zhǔn)仿氣動彈性模型來說是辦不到的.對于象中央電視塔這樣的