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系統識別號 U0002-2007201013504400
中文論文名稱 矩型斷面超高層建築橫風向氣彈研究
英文論文名稱 Aeroelasticity of Super High-Rise Buildings with Rectangular Shapes in Across-Wind Direction
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 陳志祥
研究生英文姓名 Chih-Hsiang Chen
學號 694310466
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-13
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-吳重成
委員-鄭啟明
委員-張景鐘
委員-陳若華
中文關鍵字 高層建築  橫風向  鎖定  氣動力參數  Scruton Number  直接預測法 
英文關鍵字 High-rise Building  Across-Wind  Lock-in  Scruton Number  Direct Prediction Method 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本論文探討以直接預測法對三組不同的高層建築斷面模型橫風向接近共振鎖定(Lock-in)時之氣彈行為進行識別實驗,求得在無因次化風速下各模型之反應、線性氣動力阻尼、非線性氣動力阻尼及氣動力勁度並比較之,理論部份延續王軍翰的論文內容。

為進行共振鎖定時參數識別研究,本文使用三組相同高度(100㎝)但不同斷面之模型進行識別實驗,分別為正方形斷面(BD1)、矩形斷面(BD1/2)及矩形斷面(BD1/3)。各種斷面以不同轉動慣量及阻尼比分類,模型BD1進行了九組轉動慣量(低、中、高)及阻尼比(低、中、高)組合的試驗,模型BD1/2及模型BD1/3由於在阻尼比0.9%以上時,並不會有大振幅的反應產生,故僅進行了六組轉動慣量(低、中、高)及阻尼比(低、高)組合的試驗。同時為了探討在相似Scruton Number的條件下,其共振鎖定反應與三種氣動力參數是否仍會相似,特別調整一組較大的轉動慣量及較小的阻尼比之試驗與一組較小的轉動慣量及較大的阻尼比之試驗進行比較。

本研究利用直接預測法理論,配合實驗成功地進行不同斷面的建物在共振鎖定現象之氣動力參數識別,得到參數資料並建立相關資料庫。實驗反應顯示,模型BD1於不同轉動慣量及三組低、中、高的阻尼比試驗之試驗中,其皆在無因次化風速9左右進入共振鎖定現象,低阻尼的試驗中大振幅反應在高無因次化風速時仍持續發生,此種現象,很可能已經進入馳振(Galloping)狀態,須待後續研究進一步釐清。中、高阻尼比的試驗則各在不同的無因次化風速下脫離鎖定現象。而模型BD1/2及模型BD1/3,則分別依其不同轉動慣量及阻尼比組合,分別在不同的無因次化風速下進入及脫離共振鎖定現象。在氣動力參數方面,模型BD1的三種氣動力參數 、 、 均隨著無因次化風速增加而減小,模型BD1/2及模型BD1/3除 隨著無因次化風速增加而減小, 、 隨著無因次化風速增加有其不同的趨勢。另外在相似Scruton Number條件下之試驗中,除了模型BD1的兩組實驗組合結果較為相似外,BD1/2及BD1/3之二種實驗組合之結果差異頗大,除了進入共振鎖定之無因次化風速不一致之外,氣動力參數亦不相同。
英文摘要 This thesis investigates the aero-elastic behavior of the building models in the across-wind direction near lock-in by identifying their aerodynamic parameters using the direct prediction method that follows the formulation in the thesis of Mr. Wang. The aerodynamic parameters include linear and nonlinear aerodynamic damping, and linear aerodynamic stiffness.
The identification tests were conducted in the wind tunnel by using three building models of the same height(100㎝)but different section shapes. They are square section(BD1), rectangular section (BD1/2) and rectangular section (BD1/3). The model BD1 was categorized in nine sets of different combinations of mass moments of inertia (low, medium and high) and damping ratios (low, medium and high). The model BD1/2 and BD1/3 were categorized in six sets of different combinations of mass moments of inertia (low, medium and high) and damping ratios (low and high), because in these two cases the steady state response did not occur at the damping ratio above 0.9%. In addition, in order to investigate the aero-elastic behavior of buildings under the similar Scruton Number condition, the tests with the combinations of a large mass moment of inertia accompanied with a small damping ratio test and a small mass moment of inertia accompanied with a high damping ratio were performed for comparison.
The aerodynamic parameters of the building models with different section shapes near the lock-in stage were successfully identified by using the direct prediction method, and the results can serve as the database for practical application. The resonance effect of the model BD1 starts to occur at the reduced velocity of about nine. For the case with low damping ratio, the resonance amplitude keep increasing as the reduced velocity increases, which might be caused by the galloping effect that is worth investigating in the future study. For the case with medium and high damping ratios, the resonance and lock-in effect cease at different reduced velocities. The models BD1/2 and BD1/3 in different combinations of mass moments of inertia and damping ratios have their own trend in terms of the starting point and ceasing point of reduced velocity during the lock-in range. The three aerodynamic parameters (Y1,εand Y2) of the model BD1 decrease as the reduced wind velocity increases. The aerodynamic parameterεfor the model BD1/2 and BD1/3 decrease as the reduced wind velocity increase, however, the Y1 and Y2 have their different trends as the reduced wind velocity increases. Moreover, under similar Scruton Number, the aero-elastic results of the model BD1 are similar, but the results of the models BD1/2 and BD1/3 are completely different.
論文目次 目錄 I
圖表目錄 I
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究內容與架構 2
第二章 相關理論回顧 4
2.1 建築風載重 4
2.1.1 順風向風力 4
2.1.2 橫風向風力 5
2.1.3 扭轉向風力 5
2.2 自激力 6
第三章 理論介紹與研究方法 8
3.1 直接預測法 8
3.1.1 追蹤共振法(Trace-to-Resonance Method) 13
3.1.2 參數 和 之識別 13
3.1.2 參數 之識別 15
3.2 參數之平均 15
3.3 驗證實驗的正確性 15
3.3.1 直接曲線擬合之最佳化 16
3.4 結構參數識別 16
3.4.1 結構物之勁度識別 16
3.4.2 結構物之自然頻率與阻尼比識別 17
3.4.3 結構物之轉動慣量識別 17
3.4.4 剛性建築之廣義質量(generalized mass) 17
第四章 實驗模型、儀器及架構與實驗流程及 實驗結果 18
4.1 實驗架構與儀器 18
4.1.1 大氣風洞實驗室 18
4.1.2 實驗模型 18
4.1.3 實驗儀器與架構 20
4.2 實驗流程 23
4.2.1 結構系統識別 23
4.2.2 氣動力參數之識別實驗 24
4.3 實驗結果與討論 24
4.3.1結構物扭轉向勁度律定 24
4.3.2 結構物之阻尼與自然頻率之識別 25
4.3.3 風洞流場配置 25
4.3.4 氣動力參數識別 25
第五章 結論與展望 33
參考文獻 36

圖表目錄
表4.1 不同實驗組合編號之參數識別結果 38

圖3.1 氣彈模型之示意圖 39
圖3.2 參數平均之區段劃分圖 39
圖3.3 衰減共振 40
圖3.4 遞增共振 40

圖4.1 淡江大學邊界層風洞 41
圖4.2(a) 實驗整體架構示意圖 42
圖4.2(b) 建築模型內部支架 43
圖4.2(c) 模型實體側視圖 44
圖4.2(d) 模型實體俯視圖 44
圖4.3 長雷射位移計 45
圖4.4 勁度盒、阻尼油槽 45
圖4.5 力規 46
圖4.6 壓力轉換器 46
圖4.7 資料擷取系統 47
圖4.8 轉動向勁度律定實驗架構 47
圖4.9 氣彈實驗結構上部 48
圖4.10 氣彈實驗結構底部 48
圖4.11 模型BD1扭轉向勁度識別之線性迴歸圖 49
圖4.12 模型BD1/2扭轉向勁度識別之線性迴歸圖 49
圖4.13 模型BD1/3扭轉向勁度識別之線性迴歸圖 49
圖4.14(a) 風洞實驗中之風速剖面 50
圖4.14(b) 風洞實驗中之紊流強度 50
圖4.15(a)判定將進入共振鎖定狀態之時間歷時示意圖 51
圖4.15(b)判定已進入共振鎖定狀態之時間歷時示意圖 51
圖4.15(c) 判定已脫離共振鎖定狀態之時間歷時示意圖 51
圖4.16 實驗組合編號BD1_J1_c_037、BD1_J1_c_092與BD1_J1_c_111之無因次振幅與約化風速關係圖 52
圖4.17 實驗組合編號BD1_J1_c_037、BD1_J1_c_092與BD1_J1_c_111氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 52
圖4.18 實驗組合編號BD1_J1_c_037、BD1_J1_c_092與BD1_J1_c_111氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 53
圖4.19 實驗組合編號BD1_J1_c_037、BD1_J1_c_092與BD1_J1_c_111氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 53
圖4.20 實驗組合編號BD1_J2_c_033、BD1_J2_c_086與BD1_J2_c_117之無因次振幅與約化風速關係圖 54
圖4.21 實驗組合編號BD1_J2_c_033、BD1_J2_c_086與BD1_J2_c_117氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 54
圖4.22 實驗組合編號BD1_J2_c_033、BD1_J2_c_086與BD1_J2_c_117氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 55
圖4.23 實驗組合編號BD1_J2_c_033、BD1_J2_c_086與BD1_J2_c_117氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 55
圖4.24 實驗組合編號BD1_J3_c_032、BD1_J3_c_076與BD1_J3_c_107之無因次振幅與約化風速關係圖 56
圖4.25 實驗組合編號BD1_J3_c_032、BD1_J3_c_076與BD1_J3_c_107氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 56
圖4.26 實驗組合編號BD1_J3_c_032、BD1_J3_c_076與BD1_J3_c_107氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 57
圖4.27 實驗組合編號BD1_J3_c_032、BD1_J3_c_076與BD1_J3_c_107氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 57
圖4.28 實驗組合編號BD1_J0_c_103與BD1_J4_c_059之無因次振幅與約化風速關係圖 58
圖4.29 實驗組合編號BD1_J0_c_103與BD1_J4_c_059氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 58
圖4.30 實驗組合編號BD1_J0_c_103與BD1_J4_c_059氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 59
圖4.31 實驗組合編號BD1_J0_c_103與BD1_J4_c_059氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 59
圖4.32 實驗組合編號BD1/2_J1_c_043與BD1/2_J1_c_072之無因次振幅與約化風速關係圖 60
圖4.33 實驗組合編號BD1/2_J1_c_043與BD1/2_J1_c_072氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 60
圖4.34 實驗組合編號BD1/2_J1_c_043與BD1/2_J1_c_072氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 61
圖4.35 實驗組合編號BD1/2_J1_c_043與BD1/2_J1_c_072氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 61
圖4.36 實驗組合編號BD1/2_J2_c_046與BD1/2_J2_c_071之無因次振幅與約化風速關係圖 62
圖4.37 實驗組合編號BD1/2_J2_c_046與BD1/2_J2_c_071氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 62
圖4.38 實驗組合編號BD1/2_J2_c_046與BD1/2_J2_c_071氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 63
圖4.39 實驗組合編號BD1/2_J2_c_046與BD1/2_J2_c_071氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 63
圖4.40 實驗組合編號BD1/2_J3_c_043與BD1/2_J3_c_068之無因次振幅與約化風速關係圖 64
圖4.41 實驗組合編號BD1/2_J3_c_043與BD1/2_J3_c_068氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 64
圖4.42 實驗組合編號BD1/2_J3_c_043與BD1/2_J3_c_068氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 65
圖4.43 實驗組合編號BD1/2_J3_c_043與BD1/2_J3_c_068氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 65
圖4.44 實驗組合編號BD1/2_J0_c_086與BD1/2_J4_c_055之無因次振幅與約化風速關係圖 66
圖4.45 實驗組合編號BD1/2_J0_c_086與BD1/2_J4_c_055氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 66
圖4.46 實驗組合編號BD1/2_J0_c_086與BD1/2_J4_c_055氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 67
圖4.47 實驗組合編號BD1/2_J0_c_086與BD1/2_J4_c_055氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 67
圖4.48 實驗組合編號BD1/3_J1_c_050與BD1/3_J1_c_080之無因次振幅與約化風速關係圖 68
圖4.49 實驗組合編號BD1/3_J1_c_050與BD1/3_J1_c_080氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 68
圖4.50 實驗組合編號BD1/3_J1_c_050與BD1/3_J1_c_080氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 69
圖4.51 實驗組合編號BD1/3_J1_c_050與BD1/3_J1_c_080氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 69
圖4.52實驗組合編號BD1/3_J2_c_040與BD1/3_J2_c_067之無因次振幅與約化風速關係圖 70
圖4.53實驗組合編號BD1/3_J2_c_040與BD1/3_J2_c_067氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 70
圖4.54實驗組合編號BD1/3_J2_c_040與BD1/3_J2_c_067氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 71
圖4.55實驗組合編號BD1/3_J2_c_040與BD1/3_J2_c_067氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 71
圖4.56實驗組合編號BD1/3_J3_c_054與BD1/3_J3_c_066之無因次振幅與約化風速關係圖 72
圖4.57實驗組合編號BD1/3_J3_c_054與BD1/3_J3_c_066氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 72
圖4.58實驗組合編號BD1/3_J3_c_054與BD1/3_J3_c_066氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 73
圖4.59實驗組合編號BD1/3_J3_c_054與BD1/3_J3_c_066氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 73
圖4.60實驗組合編號BD1/3_J0_c_088與BD1/3_J4_c_049之無因次振幅與約化風速關係圖 74
圖4.61實驗組合編號BD1/3_J0_c_088與BD1/3_J4_c_049氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 74
圖4.62實驗組合編號BD1/3_J0_c_088與BD1/3_J4_c_049氣動力數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 75
圖4.63實驗組合編號BD1/3_J0_c_088與BD1/3_J4_c_049氣動力參數 GTR、Opt.及Reg.與約化風速比較 75
參考文獻 參考文獻
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3. Zhang, W. J. Xu, Y. L., and Kwok, K.C.S., “Torsional Vibration and Stability of Wind-excited Tall Buildings with Eccentricity ”, J. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 50 (1993), p299-308
4. Davenport,A. G. and Tschanz, T.,Proc. “The Response of Tall Buildings To Wind : Effect of Wind Direction and The Direct Measurement of Dynamic Force” 4th. U.S.National Conference on Wind Eigineering, Seattle,(1981)205
5. Waldeck, J. L., 1992, “The Measured and Predicted Response of a 300m Concrete Chimney”, J.Wind Eng. Ing. Aero., 41-44, P229-240
6. Scalan, R.H., “On the state-of-the art methods for calculations of flutter vortex-induced and buffeting response of bridge structures”, FHWA/RD-80/050, Nat. Tech. Information Service, Springfield, Va, (1981)
7. Van der Pol, B., “A theory of the amplitude of free and forced triode oscillation”, Radio Review, I, pp.701, (1920)
8. Ehsan, F. &Scalan, R. H. , “Voretx-induced vibration of flexible bridges” , J. Engrg. Mech. , Vol 116(6), pp.1392-1411, (1990)
9. 王軍翰,”高層建築橫風向氣彈研究”,吳重成博士指導,私立淡江大學土木工程研究所碩士論文,2009年7月。
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