高層建築模型氣彈力實驗

有關高層建築之風力研究，目前多以風洞模型試驗為主要之方 法。而綜觀現有之相關氣彈力研究中，儘管柔性氣彈模型(flexible aeroelastic model)能更真確地反映真實建築之動態行為，在容許的 範 圍 內 此 類 問 題 常 代 以 簡 化 的 剛 性 氣 彈 模 型(rigid aeroelastic model)進行分析，以免除模型製作上較難克服之困難，並得以有效 節省試驗所需之人力、經費與時間。茲將剛性氣彈模型國內外典型 之風洞試驗研究簡述如後：

結構物受風產生渦散作用之主要特徵指標為史特赫數，當高層 建築之自然頻率與渦散頻率接近時將發生共振，結構物橫風向位移 反應明顯放大，此時若在小幅度的風速範圍內略為提升風速，渦散 頻率並不隨風速提高。此鎖定現象(lock-in)乃橫風向位移與外力間 互制機制中重要的氣彈力效應。

渦散造成的氣彈力現象會受結構阻尼與來風紊流強度等因素 所影響，在低結構阻尼及低紊流強度的情況中常會呈現明顯的氣彈 力現象。針對高寬比為 10 的細長方柱、來流風速剖面指數為 0.1 及0.3、結構阻尼比在 l.5%以下時，Kawai[B-12]於模型試驗中發現

，方柱在橫風向之位移呈現發散之結果。Vickery 與 Steckley[B-14]

於來流風速剖面指數為0.112、建築物高寬比為 13.3、阻尼比為 0.5%

的風洞實驗中也發現了類似位移發散的情形。Matsumoto[B-15]在 高寬比為4 之矩柱氣彈力模型試驗指出，於均勻紊流場以及風速剖 面指數分別為0.2 與 0.4 等三種來流風場情況中，只有長寬比小於 1.0 的矩柱會發生渦散引發的自勵振動行為(self-excited)；而在高結 構阻尼、高紊流強度下，則不易發生氣彈力現象。此外，Kawai[B-12]

指出，在高寬比為 10 的方柱於均勻風場中，當結構阻尼比為高於

1.13%時，便無渦散造成的振動；Kwok 與 Melbourne[B-16]亦指出

，高寬比為 9 的方柱在城市地況中，當結構阻尼比在 0.25%以上時 便無鎖定現象發生。

考慮建築結構物質量與阻尼共同影響位移反應時，定義史庫頓 數 (Scr)如下：

2 air H

0

2(y)dy D

* Scr m

ρ ξ

= φ

∫

ρ

結果顯示於開闊地風場中，當 Scr 小於 2.18 時，兩種高寬比之方 柱皆出現渦散現象與急流現象合併發生的狀況，負值氣動力阻尼於 臨界風速之後便維持在最低值；當 Scr 介於 2.76 與 5.82 之間時，

則僅出現渦散造成之鎖住現象，負值氣動力阻尼於臨界風速處有最 小值；而當 Scr 大於 6.28 時，氣彈力不穩定現象消失，氣動力阻 尼成為正值。另於來流風場形態屬都市地形時，可能因較大的紊流 強度破壞渦散作用的完整性而使結構未能在臨界風速附近發生氣 彈力不穩定之鎖定現象，故其氣動力阻尼皆為正值。陳等[A-4]利 用剛性方柱模型於大氣邊界層來流風場中以強制搖擺方式運動，量 測柱體表面風壓並過濾出其中氣動力阻尼特徵值，進而配合結構動 力分析程式推估建築物氣彈力位移反應。由於其結果與蔡[A-1]氣 彈力實驗量測結果相符，證實運用氣動力阻尼觀念可適當描述結構 物與流場互制行為的氣彈力反應特性。

) y φ(

D H

第六節 氣動力勁度與氣動力阻尼

在考慮結構物之氣動力不穩定現象中，尤其是涉及結構物位移 反應時，常使用氣動力勁度(aerodynamic stiffness)與氣動力阻尼 (aerodynamic damping)的觀點來進行分析。在分析具有顯著互制現 象之問題時，除了考慮流場自身具有的氣動力作為結構物之外例載 重外，尚須加考慮振動導納外力(motion induced force)。據此，運 動方程式可描述為： 部份稱做氣動力勁度力(aerodynamic stiffness)，與結構振動之速度 有關的部份稱做氣動力阻尼力，與結構振動之加速度有關的部份稱 做氣動力質量(aerodynamic mass)。

y&& y&

由於空氣密度與實際建築物質量密度相去甚遠，因此氣動力質

體阻尼比與系統機械阻尼比相減之差即為氣動力阻尼比。例如，

Hayashida 等[B-17]針對高寬比 7.5 之方柱模型(結構阻尼比為 1%)

，在風速剖面指數為 0.25 之流場中進行氣彈力實驗，同時以力平 衡儀在相同之流場中進行氣動力實驗，經比較氣彈力實驗結果與氣 動力實驗計算值得出橫風向位移反應上所產生之正的氣動力阻尼 值。

2、 強制振動之氣動力模型實驗

由強制振動之氣動力模型實驗中量測與位移速度相關之外力，再估 算其氣動力阻尼比。例如，Steckley[B-18]應用高寬比為 13.3 之方 柱模型在不同的邊界層流場中進行強制振動之氣動力模型實驗，量 測 其 風 力 與 位 移 在 振 頻 處 之 交 頻 譜 ， 將 之 無 因 次 化 得 出 阻 抗 (impedance) 函數(實部代表氣動力勁度係數，虛部代表氣動力阻尼 係數)，繼利用此結果配合靜止模型氣動力實驗結果預測位移反應 與氣彈力實驗，結果獲致不錯的吻合情形。