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 系統識別號 U0002-2708200522294700 中文論文名稱 應用白噪音強制振動於高層建築之氣彈互制識別 英文論文名稱 Identification of Aeroelasticity for High-Rise Buildings by Using White-Noise Forced Oscillation Method 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 93 學期 2 出版年 94 研究生中文姓名 林勝偉 研究生英文姓名 Sheng-Wei Lin 學號 692310559 學位類別 碩士 語文別 中文 口試日期 2005-06-29 論文頁數 113頁 口試委員 指導教授-吳重成委員-鄭啟明委員-陳振華 中文關鍵字 強制振動  白噪音  基因演算法  抖振  氣彈現象  高層建築  氣動力阻尼  氣動力勁度  大氣邊界層 英文關鍵字 Forced Excitation  White Noise  Genetic Algorithm  Buffeting  Aero-elasticity  High-rise Buildings  Aerodynamic Damping  Aerodynamic Stiffness  Atmospheric Boundary Layer 學科別分類 學科別＞應用科學＞土木工程及建築 中文摘要 本論文探討使用強制振動方式對高層建築順風向之氣彈行為進行系統識別，最後歸納出頻率相關之氣動力阻尼與氣動力勁度。藉由白噪音之強制振動，本文提出一套新識別方法，使用基因演算法來曲線擬合不同風速實驗下所得之氣彈互制頻率轉換函數，進而識別出結構的氣動力阻尼與氣動力勁度。為驗證此方法之可行性，本實驗使用高寬比為7的兩個高層建築模型（一為正方形斷面、一為長方形斷面）為代表在淡江大學土木系風洞進行識別試驗。 將識別得到之氣動力阻尼與氣動力勁度，配合紊流場由力平衡儀所量測到的結構基底彎矩歷時，以數值模擬方式預測高層建築在紊流場下的抖振位移反應；並將其結果與紊流場試驗之直接量測結果做比較。比較結果發現預測與直接量測的結果非常接近，因此印證所識別出的氣動力阻尼與氣動力勁度之正確性。 英文摘要 This thesis investigated the frequency-dependent aerodynamic damping and stiffness of high-rise buildings for the along-wind motion by utilizing forced excitation technique. Through the white noise excitation to an elastic model, a new approach that involves the curve-fitting for aero-elastic frequency response function and genetic algorithm for global minimization was presented to identify the frequency-dependent aerodynamic damping and stiffness. For demonstration, two prisms (one square-shape, the other rectangular shape) with a height/width ratio of 7 as the high-rise building models were used in the wind tunnel tests to perform the identification following the approach presented. The identified results were further used to numerically predict the buffeting response of the same building model under the disturbance of wind gust within an atmospheric boundary layer, and the comparisons were made with the direct measurements from wind tunnel experiment. As demonstrated from the remarkable correlation between the simulations and experiments, the validity of the frequency-dependent damping and stiffness identified were well verified 論文目次 第一章　　導論 1 1.1　前言 1 1.2 研究動機與目的 3 1.3　研究內容與架構 3 第二章　　相關理論回顧 5 2.1　風力作用之形式 5 2.2　結構物順風向之反應行為 7 2.3　結構物橫風向之反應行為 8 2.4　系統識別 8 2.4.1 曲線擬合(非參數系統識別) 10 2.4.2　控制典型式(Controllable Canonical Form) 13 2.4.3　結構物之轉動慣量率定 17 2.5 基因遺傳演算法則 18 第三章　　研究方法與實驗架構 22 3.1　強制振動下之高層建築運動方程式 22 3.2　結構參數之識別 22 3.3　氣動力導數應用於高層建築之理論推導 23 3.4　利用基因演算法曲線擬合 27 3.5　驗證實驗的正確性 28 3.6　實驗架構與儀器 28 3.6.1　大氣風洞實驗室 28 3.6.2 實驗儀器 29 3.7　實驗流程 32 3.7.1　結構系統識別實驗 32 3.7.2　氣動力導數之系統識別實驗 33 3.7.3　驗證實驗之正確性 34 第四章　　實驗結果討論與比較 35 4.1　結構物扭轉向阻尼與扭轉向自然頻率之識別 35 4.2　結構物轉動慣量之率定 35 4.3　氣動力導數系統識別之實驗結果 36 4.4　驗證實驗之正確性 37 4.5 定義通用之氣動力導數 38 4.6　關於橫風向之行為 40 4.7　簡化公式並比較結果 40 第五章　　結論與展望 43 參考文獻 45 圖表目錄 圖1.1　本論文大綱示意圖 i 圖2.1　基因演算法之流程圖 ii 圖3.1 氣彈力模型之強制振動試驗架設示意圖 iii 圖3.2 淡江大學結構氣動力風洞研究室平面圖 iv 圖3.3　壓力轉換器 iv 圖3.4　皮托管 v 圖3.5　正方形斷面高層建築模型 v 圖3.6　長方形斷面高層建築模型 v 圖3.7　雷射位移計(左邊為雷射控制器，右邊為雷射源) vi 圖3.9　力平衡儀各構件圖(由左至右依序為感應器、電源供應器、訊號處理器) vi 圖3.10　平坦地形之邊界模擬圖 vii 圖3.11　平坦地形之錐形擾流板設計尺寸圖 viii 圖3.12　模擬邊界層流場之粗糙元素尺寸圖 viii 圖4.1 正方形斷面模型之轉換函數fitting ix 圖4.2　長方形斷面模型之轉換函數fitting ix 圖4.3 正方形斷面模型轉動慣量J之律定 x x 圖4.4　長方形斷面模型之轉動慣量律定 x 圖4.5 正方形斷面模型在不同風速下之轉換函數比較圖 xi 圖4.6 正方形斷面模型在順風向(5 m/s)反應互制轉換函數圖 xi 圖4.7 正方形斷面模型在順風向(6 m/s)反應互制轉換函數圖 xii 圖4.8 正方形斷面模型在順風向(7 m/s)反應互制轉換函數圖 xii 圖4.9 正方形斷面模型在順風向(8 m/s)反應互制轉換函數圖 xiii 圖4.10 正方形斷面模型在順風向(9 m/s)反應互制轉換函數圖 xiii 圖4.11 正方形斷面模型在順風向(10 m/s)反應互制轉換函數圖 xiv 圖4.12 正方形斷面模型在順風向(11 m/s)反應互制轉換函數圖 xiv 圖4.13　正方形斷面模型之氣動力阻尼 xv 圖4.14 正方形斷面模型之氣動力勁度 xvi 圖4.15　正方形斷面模型在各風速所得之 比較圖 xvii 圖4.16　正方形斷面模型在各風速所得之 比較圖 xviii 圖4.17　長方形斷面模型在順風向(5 m/s)反應之互制轉換函數 xix 圖4.18　長方形斷面模型在順風向(6 m/s)反應之互制轉換函數 xix 圖4.19　長方形斷面模型在順風向(7 m/s)反應之互制轉換函數 xx 圖4.20　長方形斷面模型在順風向(8 m/s)反應之互制轉換函數 xx 圖4.21　長方形斷面模型在順風向(9 m/s)反應之互制轉換函數 xxi 圖4.22　長方形斷面模型在順風向(10 m/s)反應之互制轉換函數 xxi 圖4.23　長方形斷面模型在順風向(11 m/s)反應之互制轉換函數 xxii 圖4.24　長方形斷面模型在各風速下所得之 比較圖 xxii 圖4.25　長方形斷面模型在各風速下所得之 比較圖 xxiii 圖4.26　長方形斷面模型在各風速下之氣動力阻尼 xxiii 圖4.27　長方形斷面模型在各風速下之氣動力勁度 xxiii 圖4.28　正方形斷面模型平均後之氣動力導數 xxiv 圖4.29　正方形斷面模型 之擬合圖 xxv 圖4.30　正方形斷面模型之通用系統轉換函數與實驗擬合轉換函數比較 xxvi 圖4.31　長方形斷面模型平均後之氣動力導數 xxvii 圖4.32　長方形斷面模型 之擬合圖 xxviii 圖4.33　長方形斷面模型之通用系統轉換函數與實驗擬合轉換函數比較 xxix 圖4.34　正方形斷面模型橫風向風速2 m/s以不同振幅激振結構所得之轉換函數比較圖 xxx 圖4.35　正方形斷面模型橫風向風速3 m/s以不同振幅激振結構所得之轉換函數比較圖 xxx 圖4.36　正方形斷面模型橫風向風速4 m/s以不同振幅激振結構所得之轉換函數比較圖 xxx 圖4.37　正方形斷面模型順風向不同風速以不同振幅激振結構所得之轉換函數比較圖 xxxi 圖4.38　長方形斷面模型順風向風速6 m/s以不同振幅激振結構所得之轉換函數比較圖 xxxi 圖4.39　長方形斷面模型順風向風速9 m/s以不同振幅激振結構所得之轉換函數比較圖 xxxi 圖4.40　長方形斷面模型順風向風速11 m/s以不同振幅激振結構所得之轉換函數比較圖 xxxii 圖4.41　簡化後正方形斷面模型在順風向(5 m/s)反應互制轉換函數 xxxii 圖4.42　簡化後正方形斷面模型在順風向(6 m/s)反應互制轉換函數 xxxiii 圖4.43　簡化後正方形斷面模型在順風向(7 m/s)反應互制轉換函數 xxxiii 圖4.44　簡化後正方形斷面模型在順風向(8 m/s)反應互制轉換函數 xxxiv 圖4.45　簡化後正方形斷面模型在順風向(9 m/s)反應互制轉換函數 xxxiv 圖4.46　簡化後正方形斷面模型在順風向(10 m/s)反應互制轉換函數 xxxv 圖4.47　簡化後正方形斷面模型在順風向(11 m/s)反應互制轉換函數 xxxv 圖4.48　簡化後正方形斷面模型之氣動力導數 xxxvi 圖4.49　簡化後正方形斷面模型之通用氣動力導數 xxxvi 圖4.50　簡化後正方形斷面模型之通用系統轉換函數與實驗擬合轉換函數比較 xxxvii 圖4.51　簡化後長方形斷面模型在順風向(5 m/s)反應互制轉換函數 xxxvii 圖4.52　簡化後長方形斷面模型在順風向(6 m/s)反應互制轉換函數 xxxviii 圖4.53　簡化後長方形斷面模型在順風向(7 m/s)反應互制轉換函數 xxxviii 圖4.54　簡化後長方形斷面模型在順風向(8 m/s)反應互制轉換函數 xxxix 圖4.55　簡化後長方形斷面模型在順風向(9 m/s)反應互制轉換函數 xxxix 圖4.56　簡化後長方形斷面模型在順風向(10 m/s)反應互制轉換函數 xl 圖4.57　簡化後長方形斷面模型在順風向(11 m/s)反應互制轉換函數 xl 圖4.58　簡化後長方形斷面模型之氣動力導數 xli 圖4.59　簡化後長方形斷面模型之通用氣動力導數 xli 圖4.60　簡化後長方形斷面模型之通用系統轉換函數與實驗擬合轉換函數比較 xlii 表4.1　正方形斷面模型各風速下所推得之 分子分母係數 xlii 表4.2　長方形斷面模型各風速下所推得之 分子分母係數 xliii 表4.3　正方形斷面模型實驗與數值模擬位移擾動均方根值之比較 xliii 表4.4　長方形斷面模型實驗與數值模擬位移擾動均方根值之比較 xliv 表4.5　正方形斷面模型通用的 分子分母係數 xliv 表4.6　正方形斷面模型實驗與通用系統位移擾動均方根值之比較 xliv 表4.7　長方形斷面模型通用的 分子分母係數 xliv 表4.8　長方形斷面模型實驗與通用系統位移擾動均方根值之比較 xliv 表4.9　簡化後正方形斷面模型實驗與數值模擬位移擾動均方根值之比較 xlv 表4.10　簡化後正方形斷面模型實驗與數值模擬通用系統位移擾動均方根值之比較 xlv 表4.11　曲線擬合與通用氣動力導數反推所得到 分子與分母的係數 xlv 表4.12　簡化後長方形斷面模型實驗與數值模擬位移擾動均方根值之比較 xlvi 表4.13　簡化後長方形斷面模型實驗與數值模擬通用系統位移擾動均方根值之比較 xlvi 表4.14　曲線擬合與通用氣動力導數反推所得到 分子與分母的係數 xlvii 參考文獻 參考文獻 1. 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