多层冷弯薄壁型钢结构房屋风致响应试验

褚云朋 伏金蓉 姚勇 王嵘

摘要：多层冷弯薄壁型钢结构房屋属于风敏感结构，为研究基本风压及风向角等因素对该结构房屋风致响应的影响，对某4层房屋缩尺气弹性模型进行了风洞试验。结果表明：随风向角增加，顶层侧移先增大后减小，风向角为90°时又增大，且为横风向振动所致，但仅当风压达到1.18kN/m2后顶层侧移才超限，在风向角为45°时各层层间侧移均超限；随风向角增加，加速度先减小后增大，在0°和90°时来流引起的横风向振动对加速度影响明显，当基本风压大于0.6kN/m2时，建议采用增加阻尼等措施减小加速度过大带来的振动问题；随偏角增加加速度呈非线性变化，功率谱中高阶振型贡献明显，在风致加速度响应计算中应对高阶振动给予更多考虑，且自振频率应避开加速度峰值段的频率。

关键词：多层冷弯薄壁型钢结构房屋气弹性模型风致响应风洞试验有限元分析

中图分类号：TU391文献标志码：A文章编号：1671-8755（2023）01-0067-08

Abstract：Multilayercoldformedthinwalledsteelstructurebuildingsarewindsensitivestructures.Inordertostudytheinfluenceofbasicwindpressureandwinddirectionangleonthewindinducedresponseofthebuilding，awindtunneltestwascarriedoutonascaledaeroelasticmodelofafourstoreybuilding.Theresultsshowthatwiththeincreaseofwinddirectionangle，thetoplevellateraldisplacementincreasesfirstandthendecreases，andincreasesagainwhenthewinddirectionangleis90°，whichiscausedbycrosswindvibration.However，onlywhenthewindpressurereaches1.18kN/m2canthetoplevellateraldisplacementexceedthelimit.Andwhenthewinddirectionangleis45°，thelateraldisplacementbetweenlayersexceedsthelimit.Withtheincreaseofthewinddirectionangle，theaccelerationdecreasesfirstandthenincreases.Atthewinddirectionangleof0°and90°，thecrosswindvibrationcausedbyinletflowhasanobviouseffectontheacceleration.Whenthebasicwindpressureisgreaterthan0.6kN/m2，itisrecommendedtoincreasedampingandothermeasurestoreducethevibrationproblemcausedbyexcessiveacceleration.Asthedeflectionangleincreases，theaccelerationchangesnonlinearly，andthecontributionofhigherordermodesinthepowerspectrumisobvious.Moreconsiderationshouldbegiventohigherordervibrationsinthecalculationofwindinducedaccelerationresponse，andthenaturalfrequencyshouldavoidthefrequencyofthepeakacceleration.

Keywords：Multilayercoldformedthinwalledsteelstructurebuilding;Aeroelasticmodel;Windinducedresponse;Windtunneltest；Finiteelementanalysis

多層冷弯薄壁型钢结构房屋自重轻、体系柔，为风敏感结构［1］。从风灾破坏可看出屋面板被掀开，墙架龙骨弯扭变形大，屋架变形严重，故风载成为影响结构设计的重要荷载，但此类结构目前仍没有明确的抗风设计方法［2-3］。结构轻柔及外部造型个性化的特点，致使横风向振动大于顺风向，扭转振动问题较突出，给居住者带来强烈不舒适感［4-5］。该结构类型房屋的安全可靠性及舒适性问题均有待进一步明确，以便推广应用。

学者们对低层房屋进行了抗风性能研究，包括试验和有限元分析，但对多层抗风性能研究仅限于有限元分析。聂少锋［3］通过风洞试验测得低层房屋刚性模型的表面体型系数，并给出不同影响因素对屋面风压的影响；高红伟［4］采用SAP2000对4～6层房屋进行输入脉动风的风致响应分析，发现房屋易出现加速度超限带来的舒适性问题。笔者针对该问题提出了构造处置措施，详见文献［5-6］；王嵘［7］利用ANSYS对不同风向角下4层房屋进行风致响应计算，但荷载仅考虑了顺风向，未考虑横风向影响，无法获得其振动特性，故开展考虑横风向作用下多层房屋风致响应分析至关重要。

为获得多层冷弯薄壁型钢结构房屋风致响应规律，设计并制作了4层房屋缩尺的气弹性模型，其动力特性参数与原型结构满足相似原则。对模型进行不同风压峰值、风向角及阻尼变化的风洞试验研究，为结构抗风设计提供基础数据。

1气动弹性模型的设计与制作

1.1房屋结构原型

试验结构原型参见文献［4］，为4层冷弯薄壁型钢结构房屋，长12.8m，宽10.8m，层高均为3.0m。在有限元软件ANSYS中建立模型，楼面恒载为1.4kN/m2，活荷载取2.0kN/m2，外墙自重取1.0kN/m2，内墙自重取0.4kN/m2，模型详细构造参见文献［7-8］。通过模态分析得到结构前3阶周期为0.347，0.343，0.332s，前3阶阻尼比为0.04，0.08，0.09。参考日本和美国的该类结构房屋自振周期经验公式［6］，得到房屋的周期分别为0.36s和0.32s，结构计算自振周期为0.38s，与经验公式所得值相差3.6%和8.4%，证明有限元建模分析的可行性，同时能用于缩尺比例模型设计。

1.2模型相似准则及参数确定

依据气弹性模型缩尺相似准则要满足的几何、质量及抗弯刚度等3个基本相似条件［9］，得到模型相似系数，见表1，风洞截面尺寸为1.8m×1.4m，为满足阻塞比小于0.05的要求［9］，将几何尺寸缩比定为1∶40，根据几何缩比和相似准则，可推出其余相似参数。经计算原型结构质量为144739.83kg，1阶频率为2.88Hz，结构阻尼比为0.04，由此获得长0.32m，宽0.27m，高0.30m，质量2.26kg，1阶频率18.23Hz，阻尼比0.04的缩尺模型。

1.3气弹性模型制作

模型主体结构由骨架、基座板及外覆面板构成，楼面放置配重。采用铝柱和铝楼板，配重为轻质PVC块（图1（a））；外覆面板为2mm厚竹皮，模型共分4层，层间留有2mm缝隙，便于层间能相對运动（图1（b））。对其进行动力（频率、阻尼比、振型）测试，因WS-30小型振动台仅能提供单方向振动，有限元分析中结构前两阶模态也为X和Y向的平动，故小型振动台能满足模型前两阶模态测试的要求。

对模型进行白噪声激振，得到模型各阶频率，再分别按所得频率进行正弦波激振，利用半功率带宽法得到各阶阻尼比，结果见表2。从表2看出，前两阶频率及阻尼比与期望值误差在5%以内。

2模型风洞试验

试验在连续式单回流风洞内进行，风速调控范围5～105m/s。

2.1模型测点布置

使用Optotrak测量系统采集位移，共设4个标记测点，布置在各层楼面几何中心，便于摄像仪捕捉到标记点并采集各层位移数据。加速度采集采用三轴加速度传感器，标检精度为3%，可测量3个方向的加速度。加速度随测点高度增加而增大，采集加速度以评估风载下结构舒适性满足要求为目的，在第4层楼板几何中心布置传感器，见图2。

2.2试验工况

考虑到研究对象为多层结构，故采用风速沿高度不变的均匀流场，湍流度约1%，既可避免高湍流度不稳定性对漩涡分离和脱落影响，又能得到来流风与结构的相互作用。

考虑不同基本风压和风向角的工况，参考建筑结构荷载规范［10］中沿海地区基本风压，重现期选50年，基本风压范围0.5～1.6kN/m2。试验风洞提供最低风速为5.0m/s，即实际高度风速31.6m/s，换算成基本风压为0.60kN/m2。结合前期有限元分析，试验时选定基本风压0.60，0.73，0.87，1.02，1.18，1.36，1.54kN/m27个值，对应风洞试验风速为5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0m/s。

模型现场布置如图3所示。模型外形平面内关于X，Y两个正交方向对称，结构受力也对称，故考虑风向角范围为0°～90°，具体试验时风向角β取0°，22.5°，45°，67.5°及90°共5个角度，其中局部坐标系方向始终与模型垂直，本文分析的数据均以此坐标为参考点开展。自然风统计以10min为计时单位，而时间的缩尺比为1∶6.33，试验中位移和加速度均用95s的采集时长记录动态信号，采样频率为258Hz，确保数据具有高精度。

3试验结果

3.1模型侧移

由于采集到的侧移方向沿来流顺向和横向，故对不同风向角需按局部坐标进行分解。试验前对模型位置进行初始坐标标记，得到各坐标原点，侧移时程数据依此坐标原点分析处理。

参照规程［11］规定，风载作用下多层钢结构顶部位移峰值不超过H/500，层间位移不超过h/400，H为结构总高，h为层高。据此结构位移侧移限值为12000/500=24mm，层间位移限值为3000/400=7.5mm，对应模型顶部位移限值为24/40=0.6mm，层间位移限值为7.5/40=0.19mm。模型顶部位移响应如图4所示。

模型顶部位移峰值见图4。从图4可知：（1）0°和67.5°风向角时，顶部位移峰值未超过限值，22.5°，45°，90°风向角时，当风速达到7.5m/s后，位移峰值超过限值。（2）0°和67.5°风向角时，风速增到7.5m/s，层间位移峰值超过限值，90°风向角时，风速增到7.0m/s时层间位移峰值达到限值，45°风向角时各风速下层间位移均超过了限值，而67.5°风向角时各风速下层间位移均未达到限值。（3）结构X向位移不利风向角为22.5°和45°，Y向位移不利风向角为45°和90°，建议工程应用时考虑当地常见风向角，在进行建筑方位布置时避开不利风向角。（4）Y向位移峰值随风向角增加先增大后减小，位移角达到70°后Y向位移峰值再次增大，并在90°风向角时达到最大值。（5）大部分工况下结构顶层位移满足规程［11］限值要求，但当试验风速超过7.0m/s时不满足规程限值要求，对应风速为14级，基本风压为1.18kN/m2。层间位移峰值见表3，风向角对层间位移影响较大，在45°时超限，国内大部分地区重现期为50年内出现几率很小，基本风压下多层房屋顶层位移能满足规程［11］限值要求。

3.2结构加速度

结构加速度是衡量舒适度的重要指标。从图5可知：（1）随风速增加，加速度增大，且在风速6.5m/s以上时，加速度才增加且变化明显。（2）X向加速度在风向角从0°～90°变化过程中先下降后上升再下降，最大值出现在45°风向角。（3）Y向加速度随风向角变化先下降后上升，且在90°风向角时最大。（4）加速度与来流涡激振动密切相关，在0°和90°风向角时结构横风向加速度较大，来流引起横风向振动对加速度有较强激励作用。（5）结构X向加速度最不利风向角为45°，Y向加速度最不利风向角为0°和90°，超过规程［12］中对加速度限值规定的顶层加速度峰值。（6）在风速5.0m/s时，X向最小加速度为220.30mm/s2，Y向最小加速度为160.64mm/s2，均已超过规程规定的住宅150mm/s2加速度限值，且随风速增加加速度增大。（7）风洞试验中5.0m/s风速对应基本风压0.6kN/m2，当修建于基本风压≥0.6kN/m2地区时，需考虑加速度过大带来的舒适性问题，工程上应采取如增设阻尼等措施降低加速度［13］。

3.3加速度功率谱曲线及分析

加速度功率谱曲线可看出其值在哪个频率区段较大，进而在结构设计时避开自振周期，避免共振。考虑风速及风向角对功率谱密度分布影响，将采集到的加速度数据作傅立叶变换，得到加速度功率谱密度。

（1）0°风向角时模型第4层加速度功率谱曲线见图6。从图6可看出两个方向的功率谱曲线峰值均以自振频率为主，表现为自振起控制作用。（2）功率谱频率分布随风速增加基本不变，峰值主要集中在频率18Hz附近，当风速增大时功率谱峰值出现了微小的向高阶频率转化，在相同风向角下可忽略风速对功率谱曲线的影响。（3）图7为6.5m/s风速时功率谱密度随风向角变化情况。风向角由0°转至偏角状态后，加速度功率谱由0°时的18Hz增至67.5°的50Hz，90°时又回到18Hz附近，说明随偏角增加，功率谱中高阶振型贡献明显，X向值甚至出现多个高阶频率峰值，此时加速度由自振和高阶振型共同起控制作用。（4）风向角转至90°时，主要由两个方向的自振控制，功率谱曲线呈单一频谱特性，与0°风向角类似。（5）高阶振型对加速度影响不能忽略，在多层结构风致加速度计算中应对高阶振动给予更多考虑，且自振频率应尽量避开风载引起加速度峰值段的频率。

4有限元参数分析

采用有限元软件ANSYS的WORKBENCH计算平台模拟多层房屋在风场中的双向流固耦合作用，在瞬态动力模块中，结构受流场区域模块产生的荷载而使结构变形，结构变形会使得流场网格再次变形，改变流场荷载分布，以实现双向流固耦合作用。

4.1模型建立

按照结构原型尺寸建立，考虑外形、质量、频率、振型、阻尼比等几个因素与原型结构相同，模型前3阶频率为2.88，2.92，3.01Hz。依据1.2节的相似准则，在WORKBENCH中调整得到材料参数如下：密度196.7kg/m3，弹性模量3.59×107Pa，泊松比0.3，阻尼比与原型结构相同取0.04。简化模型及流场区域网格划分如图8所示。

经计算原结构与模型频率差值第3阶最大为5.4%，具有很好的相似性。流场尺寸取长×宽×高为400m×190m×90m，进口面最大阻塞比为0.012，小于0.05，满足要求。建筑物与流场的位置关系见图9，建筑距来流入口100m，出口300m，与两侧面距离90m。

4.2参数设置

模拟基于Transientstructural瞬态分析模块及CFX流场分析模块。要实现每一个时间步长内流场压力与结构变形的耦合，在CFX模块中为使流场得到充分发展，计算总时间设为100s，时间步长为0.1s，由于试验中来流为均匀风速，故把湍流度设为1%，考虑到试验时低风速给流不稳定带来误差，模拟中选用试验较高的流场风速，取试验风速6.5m/s，根据相似比6.33∶1，得到实际高度风速为41.1m/s，故数值模拟中流场风速设为41.1m/s。

在CFX模块中流场入口面设置为来流（沿X轴）边界条件，出口面设置为压力出口边界条件，两个侧面和顶面设置为对称边界条件，底面设置为无滑移壁面边界，建筑物各个表面设置为流固耦合面（图10）。在Transientstructural模块中把建筑物底面约束为刚接，各表面均设置为流固耦合面，方能与CFX模块中流固耦合面相互作用进行计算。把建筑表面网格设为动网格，而流场区域不运动，运用suppress命令抑制流体部分的网格。

表4列出了试验（T）与有限元计算（F）的位移和加速度峰值。从表4可看出：有限元计算位移峰值与试验峰值差值在10%以内，证明了数值模拟的可行性，说明能用此方法进行该类多层房屋的风致响应参数化分析。

表5列出了各测点在阻尼变化下监测点的加速度变化情况，1号、2号及3号、5号监测点分别位于入口面和出口面的建筑顶层角点处，4号点位于出口面的建筑顶层边线中点。从表5可以看出：（1）增加阻尼比对降低结构加速度峰值作用明显，阻尼比从0.04～0.06的增大过程中，加速度降低，且考察点中X向加速度峰值最小降低47.9%，Y向最小降低26.9%，对结构减振作用明显。（2）X向下降幅度大于Y向，阻尼比由0.04增至0.06时，加速度降低最明显，后下降幅度减缓。（3）阻尼在增加到0.06时，在所考察的风速范围内加速度满足规程［12］的舒适度限值要求，說明阻尼比对加速度影响较大，采用楼层连接处构造加强提高结构阻尼，能降低加速度峰值。

5结论

本文利用气弹性缩尺模型风洞试验对4层冷弯薄壁型钢结构房屋进行了风致响应试验研究，并进行了有限元参数化分析，得到以下结论：

（1）风向角对层间位移影响较大，在45°时其值均超限，建议工程应用中考虑当地常见风向，对建筑方位进行合理布置。

（2）结构加速度X向最不利风向角为45°，Y向最不利风向角为0°和90°；基本风压为0.6kN/m2时，加速度峰值超过高层房屋结构技术规程限值。当建造地基本风压≥0.6kN/m2时，对多层房屋需考虑加速度过大带来的舒适性问题，可采取增加阻尼来降低加速度。

（3）在相同风向角下可忽略风速对加速度功率谱曲线的影响，相同风速下随偏角改变，功率谱中高阶振型贡献明显；X向加速度甚至出现多个高阶频率峰值，在多层结构风致计算中应对高阶振动给予更多考虑，且自振频率应尽量避开风致加速度峰值段的频率。

（4）有限元分析用于模拟多层房屋在风场中的流固耦合作用，分析与试验结果差值在10%以内，证明有限元分析方法可行。分析表明随阻尼增大加速度降低，提高结构阻尼，减振作用明显。

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