淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-2807201110523200
中文論文名稱 高寬比7之矩形斷面高層建築橫風向 之氣動力參數識別
英文論文名稱 Identification of Aerodynamic Coefficient of High-Rise Buildings with Rectangular Shapes of aspect ratio 7 in Across-Wind
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 黃雍勛
研究生英文姓名 Yung-hsun Hung
學號 698380069
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-06-27
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-吳重成
委員-陳振華
委員-陳若華
委員-鄭啟明
中文關鍵字 高層建築  橫風向  直接預測法  鎖定  氣動力參數 
英文關鍵字 High-rise Building  Across-Wind  Direct Prediction Method  Lock-in  Aerodynamic Parameters 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 當結構反應與風場形成互制時,對結構安全將造成嚴重威脅。對於高層
建築而言,建築物高度越高,其擺動的自然頻率就越低,而因風力振動之頻
率較低,較易與高樓產生共振,在設計時應盡量避免。本研究利用非線性自
限運動理論模式,藉由三維高層建築之風洞試驗橫風向反應量測,探討及識
別在平滑流場下其鎖定(Lock-In)共振時之線性氣動力阻尼、非線性氣動力阻
尼及氣動力勁度三項參數,並建立氣動力參數資料庫。
本研究利用直接預測法理論,假設其高層建築為單一自由度,配合實
驗,進行不同斷面建物在共振鎖定時,使用追蹤共振法之遞增共振法識別氣
動力參數識別,模型使用三組相同高度(70 ㎝)但不同矩型斷面進行識別實
驗,分別為正方形斷面(BD1)、矩形斷面(BD1/2)及矩形斷面(BD1/3)。
各種斷面以三種轉動慣量及三種阻尼比分類,模型BD1 進行了轉動慣量(低、
中、高)及阻尼比(低、中、高)九種組合的試驗,模型BD1/2 及模型BD1/3
由於在阻尼比0.75%以上時,產生振幅的反應極小,故僅進行了轉動慣量
(低、中、高)及阻尼比(低、中)六種組合的試驗。
實驗振幅反應顯示,在模型BD1 三種轉動慣量及三種阻尼比試驗中,皆
在無因次化風速9.2 到9.8 之間進入鎖定現象,而中、高阻尼比試驗在無因
次化風速較高時會有脫離鎖定現象情形,但在小阻尼比試驗時,大振幅反應
在高無因次化風速仍持續發生,此現象可能已伴隨著馳振(Galloping)狀態。
而模型BD1/2 及模型BD1/3 三種轉動慣量及兩種阻尼比試驗中,皆在無因次化
風速5 到7 之間進入鎖定現象,其高阻尼比試驗雖因振幅微小但在高無因次
化風速也有脫離鎖定現象情形發生,然而在低阻尼試驗中,因風速提高時,
造成彈簧斷裂而無法提高風速,使其之後反應無法量測進行識別。實驗氣動
力參數顯示方面,模型BD1 的三種氣動力參數,Y1隨著無因次化風速提高而減
小,在高轉動慣量及高阻尼比試驗中,Y1減小後會在增大,ε隨著無因次化
風速提高而減小,其在中、高阻尼比試驗中,ε減小後會在增大,Y2參數情
形跟Y1相同。模型BD1/2 及模型BD1/3 隨著無因次化風速增加氣動力參數有其
不同的趨勢。
英文摘要 When the excessive structural response is interacted with the wind flow and thus the so-called
aero-elasticity forms, the structural safety will become of great concern to engineers. Higher
building have the lower natural frequency of oscillation for High-rise building, and wind power the
lower frequency simple with the high-rise buildings of resonance, so that lock-in resonance effect in
the across-wind motion of high-rise buildings should be mostly avoided.
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 identification tests were conducted in the wind
tunnel by using three building models of the same height(70 ㎝)but different section shapes. They
are square section(BD1), rectangular section (BD1/2) and rectangular section (BD1/3). The model
BD1 was categorized in three sets of different combinations of mass moments of inertia (low,
medium and high) and three sets of damping ratios (low, medium and high). The model BD1/2 and
BD1/3 were categorized in three sets of different combinations of mass moments of inertia (low,
medium and high) and two sets of damping ratios (low and high), because in these two cases the
steady state response did not occur at the damping ratio above 0.75%.
The resonance effect of the model BD1 starts to occur at the reduced velocity of about nine
point two For the case with medium and high damping ratios, the resonance and lock-in effect cease
at different reduced velocities. For the case with low damping ratio, the resonance amplitude keep
increasing as the reduced velocity increases. The models BD1/2 and BD1/3 when wind speed
increases will result spring break in the low damping. The three aerodynamic parameters (Y1,εand
Y2) of the model BD1 BD1/2 and BD1/3 are completely different.
論文目次 目錄……………………………………………………………………………………I
圖表目錄……… ……………………………………………………………………III
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 6
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
3.1.3 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 25
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 26
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、阻尼水槽 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_038、BD1_J1_C_085與BD1_J1_C_11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_038、BD1_J1_C_085與BD1_J1_C_11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_038、BD1_J1_C_085與BD1_J1_C_11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_038、BD1_J1_C_085與BD1_J1_C_11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_038、BD1_J2_C_073與BD1_J2_C_101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_038、BD1_J2_C_073與BD1_J2_C_101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_038、BD1_J2_C_073與BD1_J2_C_101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_038、BD1_J2_C_073與BD1_J2_C_101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_036、BD1_J3_C_072與BD1_J3_C_101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_036、BD1_J3_C_072與BD1_J3_C_101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_036、BD1_J3_C_072與BD1_J3_C_101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_036、BD1_J3_C_072與BD1_J3_C_101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BD1/2_J1_C_028與BD1/2_J1_C_071之無因次振幅與約化風速關係圖 58
圖4.29 實驗組合編號BD1/2_J1_C_028與BD1/2_J1_C_071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BD1/2_J1_C_028與BD1/2_J1_C_071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BD1/2_J1_C_028與BD1/2_J1_C_071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_J2_C_032與BD1/2_J2_C_065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_J2_C_032與BD1/2_J2_C_065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_J2_C_032與BD1/2_J2_C_065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_J2_C_032與BD1/2_J2_C_065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_J3_C_031與BD1/2_J3_C_064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_J3_C_031與BD1/2_J3_C_064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_J3_C_031與BD1/2_J3_C_064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_J3_C_031與BD1/2_J3_C_064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BD1/3_J1_C_034與BD1/3_J1_C_067之無因次振幅與約化風速關係圖 64
圖4.41 實驗組合編號BD1/3_J1_C_034與BD1/3_J1_C_067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BD1/3_J1_C_034與BD1/3_J1_C_067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BD1/3_J1_C_034與BD1/3_J1_C_067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BD1/3_J2_C_032與BD1/3_J2_C_065之無因次振幅與約化風速關係圖 66
圖4.45實驗組合編號BD1/3_J2_C_032與BD1/3_J2_C_065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BD1/3_J2_C_032與BD1/3_J2_C_065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BD1/3_J2_C_032與BD1/3_J2_C_065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_J3_C_031與BD1/3_J3_C_061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_J3_C_031與BD1/3_J3_C_061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_J3_C_031與BD1/3_J3_C_061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_J3_C_031與BD1/3_J3_C_061氣動力參數 GTR、OPT.及REG.與約化風速比較 69
參考文獻 1. Sakamoto, H. A, “Vortex shedding from a rectangular prism
and a circular cylinder placed vertically in a turbulent
boundary layer ”, J. Fluid Mech., Vol 126, p.147-165, (1983)
2. N, Isyumov and M. Poole, ”Wind Induced torque on Square and
Rectangular Building Shpaes” ,L. of Wind Engineering and
Industrial Aerodynamics, (1983), p183-196
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
37
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。
10. 陳志祥,”矩形斷面超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,2010 年7 月。
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2011-08-03公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2011-08-03起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信