内力高层建筑顺风向等效静力荷载

　　收稿日期:2005-05-11 　　作者简介:张建国(1974-),男,在职博士生,厦门大学土木工程系讲师,主要从事结构工程研究. 文章编号:167124229(2005)0620532205 高层建筑静力等效风荷载研究 张建国1,2,顾　明1,张永山3 (1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海　200092;2.厦门大学土木工程系,福建厦门　361005; 3.广州大学土木工程学院,广东广州　510006) 摘　要:静力等效风荷载是联系风工程师和结构工程师的纽带,在国内外的风荷载规范中都具有重要意义.文 章系统地介绍了国内外对高层建筑静力等效风荷载的研究成果,阐述了各种静力等效风荷载的物理意义,比较 了各自的优缺点,以供我国有关研究和设计人员参考. 关键词:高层建筑;静力

按通常的方法将高层建筑顺风向风荷载及风致响应分解为平均、背景和共振三部分。在合理简化的基础上提出了形式简单、与响应类型无关的背景和共振等效风荷载和响应的简化计算公式。两个典型数值算例的计算表明,该法精度很高,是一种很好的实用计算方法。

在确定高层建筑顺风向风致响应及等效静力风荷载时,顺风向荷载的竖向相干函数是非常重要的因素之一。目前的大多数研究均是以风速的相干函数来代替风压的相干函数,导致计算结果的误差较大。根据多个高层建筑模型表面测压风洞试验结果,详细分析高层建筑脉动阻力在b、d两类风场中的竖向相干特性,给出顺风向阻力竖向相干函数衰减指数cdz的公式,并与有关文献中提出的davenport、shiotani、eccs等三种风速相干函数的表达公式进行比较,指出阻力相干性要明显大于风速相干性。结合准定常理论,计算一栋实际高层建筑的顺风向风致响应。结果表明:利用给出的阻力竖向相干函数得到的结果与根据风洞试验数据计算的结果相吻合,而其他几种表达公式导致的响应误差则较大,最大可达30%。

为研究风荷载作用下高层建筑动力响应对其顺风向等效静力风荷载的影响,基于结构风致响应动力学理论、脉动风速功率谱密度函数与相干函数的维纳辛钦关系及脉动风速准定常关系,采用随机振动振型分解方法对高层建筑的风致响应进行了研究.首先,对高层建筑的平均风响应、背景风响应和共振风响应进行了理论分析,并推导出了沿结构高度分布的高层建筑顺风向等效静力风荷载理论计算公式；其次,通过对理论公式中各参数对计算结果的影响进行分析,提出了便于实际应用的高层建筑顺风向等效静力风荷载简化计算方法；最后,设计了4个典型高层建筑算例模型,并与阵风荷载因子法(gustloadfactormethod,glf)和惯性风荷载法(inertialwindloadmethod,iwl)进行对比,研究了本文方法的可靠性和有效性.研究结果表明:当结构高度小于250m时,3种方法所计算出的分布风力、剪力响应和弯矩响应偏差要大一些,glf法计算结果最大,iwl法的计算结果最小,本文方法介于二者之间；当结构高度大于350m时,分布风力的偏差在15%以内,对于剪力响应和弯矩响应的偏差在10%以内；本文方法与iwl法在剪力响应方面的差异率在–1%～18%之间,与glf法的差异率在–12%～5%之间；本文方法与iwl法在弯矩响应方面的差异率在–6%～10%之间,与glf法的差异率在–16%～5%之间.

高层建筑横风向风振响应和等效静风荷载备受风工程和结构工程领域的关注。横风向风荷载产生机理复杂,一般认为主要来源于紊流、尾流及旋涡脱落和气动阻尼。横风向风振主要是旋涡脱落下的涡激振动,各国规范大都规定圆柱体横风向涡激振动是确定性振动,非圆截面要依据风洞试验确定。该文综合众多试验研究,提出了在准定常理论不适用情况下的随机振动分析方法,建立了超高层建筑的横风向等效静风荷载的计算模型。引入横风力谱,考虑气动阻尼,对某矩形截面建筑进行了等效静风荷载分析,并对相关参数进行了分析。分析结果表明,按随机振动理论建立计算模型是可行的,当计算横风向风振响应时,应适当考虑正气动阻尼的影响,使计算结果更具真实性。

第23卷第7期vol.23no.7工程力学 2006年7月july2006engineeringmechanics93 ——————————————— 收稿日期：2004-10-14；修改日期：2005-05-14 基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金(50321003)；教育部“高等学校骨干教师资助计划”联合资助 作者简介：*顾明(1957)，男，江苏兴化人，教授，博导，长江学者，主要从事结构抗风研究(e-mail:minggu@mail.tongji.edu.cn)； 叶丰(1977)，男，江西上饶人，博士生，主要从事结构抗风研究。 文章编号：1000-4750(2006)07-0093-06 高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特征 *顾明，叶丰 (同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092) 摘

以重庆宾馆为工程背景,制作了缩尺比为1∶300的试验模型,并进行了刚性模型同步测压风洞试验,采集了重庆宾馆建筑表面的脉动风压时程。风洞试验包括有周边建筑和无周边建筑两类工况。采用风洞试验的脉动风压时程数据,考虑该高层建筑2个主轴方向的前4阶弯曲模态,进行了其风致响应研究,得到了建筑顶部的位移响应和加速度响应,并进行了人体舒适度验算。采用惯性风荷载法,研究了建筑主轴方向的等效静力风荷载。结果表明:对于高度为300m的混凝土高层建筑,仅考虑1阶模态进行风致响应分析,位移响应能满足工程精度的要求,但加速度响应误差较大,至少应考虑前4阶模态;重庆宾馆10年重现期下建筑顶部的峰值加速度为0.144m/s2,满足舒适度限制要求;横风向平均风荷载较小,但惯性风荷载较大。

工程力学97 0 50 100 150 200 250 300 0.02.0x1094.0x1096.0x1098.0x1091.0x1010 顺风向弯矩/(n·m) he ig ht /m 均值 背景分量 共振分量 总量 0 50 100 150 200 250 300 0.03.0x1096.0x1099.0x1091.2x1010 横风向弯矩/(n·m) he ig ht /m 背景分量 共振分量 总量 图3选定建筑在d类风场中的弯矩响应 fig.3bendingmomentofbuildinginterraincategoryd 3.2响应和广义阵风效应因子随风速的变化特征 本节讨论响应和ggef随风速的变化。计算了 不同风速下所选建筑在b类风场中的顺、横风向的

详细讨论了高层建筑风致振动和等效静力风荷载的计算方法及其特征。将结构风致响应分解为平均响应、动力响应的背景分量和共振分量,给出了相应的计算公式;还给出了背景和共振等效静力风荷载的计算公式,提出了等效静力风荷载组合的一种简便方法,并讨论了计算背景分量的qml法和lrc法的差异。最后,以一典型高层建筑为算例,讨论了高层建筑风致响应和等效静力风荷载的主要特征。

采用了谐波叠加法模拟作用在结构上的顺风向脉动风压,同时为了能反映作用在迎风面不同点上脉动风压的相关特性,首先生成脉动风速互谱密度矩阵,然后采用三角分解法进行分解,再以此生成脉动风压作为输入脉动风荷载,采用newmark方法计算结构的动力反应时程.对两栋高层建筑的风振反应时程计算结果表明,本方法得到的结构动力反应均方根值与建筑结构荷载规范中采用的谱分析结果有较好的吻合性;风振反应以共振反应为主,非共振反应值占次要的部分.这与谱分析法得出的结论也是一致的,说明了利用谐波叠加法模拟脉动风压时程的准确性.这对于正确估算结构的风振反应值,为高层建筑风振控制措施设计提供参考依据是有一定意义的.

针对矩形截面的高层建筑物,对不同高宽比和边长比的9种模型进行风洞实验,通过对大量数据的处理和分析,考察了模型高度、高宽比、边长比对高层建筑物扭转风向风力功率谱(扭矩功率谱)的影响规律,并拟合出了一个以风速、湍流强度、边长比等为参数的高层建筑物扭矩功率谱密度函数的数学表达式,与试验结果吻合较好,证明它是合理有效的.

荷载规范风振系数计算式以背景分量因子和共振分量因子为主要参数,其中背景分量因子采用规范振型进行简化计算。本文比较了规范简化表达式和具体表达式的计算结果,对比了采用不同基本振型计算所得的风振系数和等效静力风荷载。结果表明:规范简化表达式与具体表达式计算结果一致;与某些非规范振型计算结果相比,按规范振型计算会导致风振系数与实际结果差异较大,风致基底剪力的差异也可达5%以上。基于指数振型系列,采用非线性最小二乘法,拟合得到了简化表达式的系数k和a1,用此系数的简化表达式与具体表达式计算结果基本一致。

立面开洞是建筑实践中的常见现象，至今，国内外有关洞口设置对高层建筑风荷载影响的研究还很少。洞口形状、位置及开洞率等都是影响建筑静力风荷载的因素，借助计算流体动力学(cfd)大型商业软件fluent6．0，进行了大量的数值模拟分析，研究了相对风压和基底倾覆力矩系数与开洞率间的关系，给出了中部和下部开口情况下的相关方程。同时探讨了底部开洞情况下。洞内风速的增大效应与洞口大小和来流方向之间的关系。所得结论可供工程研究和抗风设计参考。

本文对涉及两种开洞率、三种不同开洞位置和全封闭(无洞口)的八个高层建筑刚性模型的表面平均风压分布进行了风洞试验研究,并与计算流体动力学(cfd)大型商业软件fluent6.0的计算结果进行了对比分析。结果表明,开洞建筑平均风压的减少主要是受荷面积减少引起的,但其减少的比率大于开洞率。此外,借助fluent6.0对不同开洞率情况下的建筑模型进行了大量算例分析,得到了中部开洞建筑模型的平均风压系数相对值和基底弯矩系数相对值与开洞率之间的相关方程;探讨了底部开洞建筑模型洞内平均风速的增大效应与洞口大小、来流方向之间的关系。分析表明,在最不利来流风向角情况下,洞中最大平均风速可超过建筑模型顶部的远处来流风速,应引起建筑风环境设计者的关注。

1 七、高层建筑（高耸结构）的顺风向和横风向振动 i.概述 顺风向和横风向 顺风向---抖振机制 横风向---机制复杂（高层建筑：紊流+尾流+气动弹性） 研究方法 顺风向： (1)平均风压（整体型系数）----准定常风力----随机振动方法计算--- 振动响应 (2)同步测压----脉动风力分布---随机振动方法计算---振动响应（不 能应用于格构式高耸结构） (3)高频动态测力天平---一阶广义风荷载---振动响应计算 (4)气动弹性模型试验----直接获得振动响应 横风向： (1)同步测压----脉动风力分布---随机振动方法计算---振动响应（不 能应用于格构式高耸结构） (2)高频动态测力天平---一阶广义风荷载---振动响应计算 (3)气动弹性模型试验----直接获得和振动响应 ii、高层建筑风压分布特性 2．1概述

精品文档 精品文档 七、高层建筑（高耸结构）的顺风向和横风向振动 i.概述 顺风向和横风向 顺风向---抖振机制 横风向---机制复杂（高层建筑：紊流+尾流+气动弹性） 研究方法 顺风向： (1)平均风压（整体型系数）----准定常风力----随机振动方法计算--- 振动响应 (2)同步测压----脉动风力分布---随机振动方法计算---振动响应（不 能应用于格构式高耸结构） (3)高频动态测力天平---一阶广义风荷载---振动响应计算 (4)气动弹性模型试验----直接获得振动响应 横风向： (1)同步测压----脉动风力分布---随机振动方法计算---振动响应（不 能应用于格构式高耸结构） (2)高频动态测力天平---一阶广义风荷载---振动响应计算 (3)气动弹性模型试验----直接获得和振动响应 ii、高层建筑风压分布特性

高层建筑的等效设计风荷载与风振响应研究——基于某典型高层建筑详细的风洞试验结果，计算分析了该结构的基础等效静风荷载及结构顶部峰值加速度响应，与前期的风洞试验结果相对比，评估了不同风洞试验条件和周边建筑对试验结果的影响，获得的结果可以用于此结构...

分析了某高层建筑的多通道同步测压风洞试验。利用随机振动理论计算了结构等效静力风荷载,分析了风荷载随风向的变化关系,计算了结构顶部峰值加速度响应,对居住者舒适度进行了评价。

基于某典型高层建筑详细的风洞试验结果,计算分析了该结构的基础等效静风荷载及结构顶部峰值加速度响应,与前期的风洞试验结果相对比,评估了不同风洞试验条件和周边建筑对试验结果的影响,获得的结果可以用于此结构的抗风设计以及居住者舒适度评估。

从悬臂梁振动理论出发,讨论了高层建筑风响应的计算以及在风洞中利用高频天平测量高层建筑风荷载的原理,并进一步分析讨论了沿建筑物高度分布的平均风力、脉动风力、风致振动惯性力以及建筑结构设计所需要的等效静态风荷载的确定问题,指出了所提方法的局限性和应用范围,可为高层建筑结构设计中的风荷载确定提供参考.分析结果表明,求沿高层建筑高度分布的等效静态风荷载的方法适用于顺风向风力,在应用于横风向风力时由于涡脱落力的影响有理论误差.

超高层建筑结构横风向风荷载研究——对于超高层建筑结构，我国荷载规范只给出了顺风向的抗风设计方法，对于横风向风荷载则并没有给出规定。而在实际工程中的超高层建筑，有时横风向风荷载远大于顺风项，为控制荷载，因此目前我国荷载规范在超结构的横风向抗风设...

基于瞬态脉动测压方法,分析了典型断面高层建筑结构各层合力的相干特性,结果显示横风向脉动风荷载在漩涡脱落频率处存在和顺风向不同的显著相关性,相干函数值接近于1。采用拟合方法提出了一个各层横风向脉动风荷载的相干函数公式,并给出了采用脉动测压技术分析高层建筑风振响应与等效荷载的简化方法。采用caarc高层建筑标模做了风洞试验,将其结果与高频底座力天平方法的试验和规范方法的计算结果作了对比,结果较为满意。采用本文方法可以克服力天平方法要求结构的基阶模态必须线性且不能给出结构沿高度的荷载分布等缺点。最后结合一具体的工程实例,分析了深圳新万基国际大厦的风振响应和等效设计荷载