內(nèi)力高層建筑順風(fēng)向等效靜力荷載

　　收稿日期:2005-05-11 　　作者簡介:張建國(1974-),男,在職博士生,廈門大學(xué)土木工程系講師,主要從事結(jié)構(gòu)工程研究. 文章編號:167124229(2005)0620532205 高層建筑靜力等效風(fēng)荷載研究 張建國1,2,顧　明1,張永山3 (1.同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室,上?！?00092;2.廈門大學(xué)土木工程系,福建廈門　361005; 3.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣東廣州　510006) 摘　要:靜力等效風(fēng)荷載是聯(lián)系風(fēng)工程師和結(jié)構(gòu)工程師的紐帶,在國內(nèi)外的風(fēng)荷載規(guī)范中都具有重要意義.文 章系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外對高層建筑靜力等效風(fēng)荷載的研究成果,闡述了各種靜力等效風(fēng)荷載的物理意義,比較 了各自的優(yōu)缺點,以供我國有關(guān)研究和設(shè)計人員參考. 關(guān)鍵詞:高層建筑;靜力

按通常的方法將高層建筑順風(fēng)向風(fēng)荷載及風(fēng)致響應(yīng)分解為平均、背景和共振三部分。在合理簡化的基礎(chǔ)上提出了形式簡單、與響應(yīng)類型無關(guān)的背景和共振等效風(fēng)荷載和響應(yīng)的簡化計算公式。兩個典型數(shù)值算例的計算表明,該法精度很高,是一種很好的實用計算方法。

在確定高層建筑順風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)及等效靜力風(fēng)荷載時,順風(fēng)向荷載的豎向相干函數(shù)是非常重要的因素之一。目前的大多數(shù)研究均是以風(fēng)速的相干函數(shù)來代替風(fēng)壓的相干函數(shù),導(dǎo)致計算結(jié)果的誤差較大。根據(jù)多個高層建筑模型表面測壓風(fēng)洞試驗結(jié)果,詳細(xì)分析高層建筑脈動阻力在b、d兩類風(fēng)場中的豎向相干特性,給出順風(fēng)向阻力豎向相干函數(shù)衰減指數(shù)cdz的公式,并與有關(guān)文獻(xiàn)中提出的davenport、shiotani、eccs等三種風(fēng)速相干函數(shù)的表達(dá)公式進(jìn)行比較,指出阻力相干性要明顯大于風(fēng)速相干性。結(jié)合準(zhǔn)定常理論,計算一棟實際高層建筑的順風(fēng)向風(fēng)致響應(yīng)。結(jié)果表明:利用給出的阻力豎向相干函數(shù)得到的結(jié)果與根據(jù)風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)計算的結(jié)果相吻合,而其他幾種表達(dá)公式導(dǎo)致的響應(yīng)誤差則較大,最大可達(dá)30%。

為研究風(fēng)荷載作用下高層建筑動力響應(yīng)對其順風(fēng)向等效靜力風(fēng)荷載的影響,基于結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)動力學(xué)理論、脈動風(fēng)速功率譜密度函數(shù)與相干函數(shù)的維納辛欽關(guān)系及脈動風(fēng)速準(zhǔn)定常關(guān)系,采用隨機振動振型分解方法對高層建筑的風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了研究.首先,對高層建筑的平均風(fēng)響應(yīng)、背景風(fēng)響應(yīng)和共振風(fēng)響應(yīng)進(jìn)行了理論分析,并推導(dǎo)出了沿結(jié)構(gòu)高度分布的高層建筑順風(fēng)向等效靜力風(fēng)荷載理論計算公式；其次,通過對理論公式中各參數(shù)對計算結(jié)果的影響進(jìn)行分析,提出了便于實際應(yīng)用的高層建筑順風(fēng)向等效靜力風(fēng)荷載簡化計算方法；最后,設(shè)計了4個典型高層建筑算例模型,并與陣風(fēng)荷載因子法(gustloadfactormethod,glf)和慣性風(fēng)荷載法(inertialwindloadmethod,iwl)進(jìn)行對比,研究了本文方法的可靠性和有效性.研究結(jié)果表明:當(dāng)結(jié)構(gòu)高度小于250m時,3種方法所計算出的分布風(fēng)力、剪力響應(yīng)和彎矩響應(yīng)偏差要大一些,glf法計算結(jié)果最大,iwl法的計算結(jié)果最小,本文方法介于二者之間；當(dāng)結(jié)構(gòu)高度大于350m時,分布風(fēng)力的偏差在15%以內(nèi),對于剪力響應(yīng)和彎矩響應(yīng)的偏差在10%以內(nèi)；本文方法與iwl法在剪力響應(yīng)方面的差異率在–1%～18%之間,與glf法的差異率在–12%～5%之間；本文方法與iwl法在彎矩響應(yīng)方面的差異率在–6%～10%之間,與glf法的差異率在–16%～5%之間.

高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)和等效靜風(fēng)荷載備受風(fēng)工程和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的關(guān)注。橫風(fēng)向風(fēng)荷載產(chǎn)生機理復(fù)雜,一般認(rèn)為主要來源于紊流、尾流及旋渦脫落和氣動阻尼。橫風(fēng)向風(fēng)振主要是旋渦脫落下的渦激振動,各國規(guī)范大都規(guī)定圓柱體橫風(fēng)向渦激振動是確定性振動,非圓截面要依據(jù)風(fēng)洞試驗確定。該文綜合眾多試驗研究,提出了在準(zhǔn)定常理論不適用情況下的隨機振動分析方法,建立了超高層建筑的橫風(fēng)向等效靜風(fēng)荷載的計算模型。引入橫風(fēng)力譜,考慮氣動阻尼,對某矩形截面建筑進(jìn)行了等效靜風(fēng)荷載分析,并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,按隨機振動理論建立計算模型是可行的,當(dāng)計算橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)時,應(yīng)適當(dāng)考慮正氣動阻尼的影響,使計算結(jié)果更具真實性。

第23卷第7期vol.23no.7工程力學(xué) 2006年7月july2006engineeringmechanics93 ——————————————— 收稿日期：2004-10-14；修改日期：2005-05-14 基金項目：國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金(50321003)；教育部“高等學(xué)校骨干教師資助計劃”聯(lián)合資助 作者簡介：*顧明(1957)，男，江蘇興化人，教授，博導(dǎo)，長江學(xué)者，主要從事結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究(e-mail:minggu@mail.#edu.cn)； 葉豐(1977)，男，江西上饒人，博士生，主要從事結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究。 文章編號：1000-4750(2006)07-0093-06 高層建筑風(fēng)致響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載的特征 *顧明，葉豐 (同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，上海200092) 摘

以重慶賓館為工程背景,制作了縮尺比為1∶300的試驗?zāi)Ｐ?并進(jìn)行了剛性模型同步測壓風(fēng)洞試驗,采集了重慶賓館建筑表面的脈動風(fēng)壓時程。風(fēng)洞試驗包括有周邊建筑和無周邊建筑兩類工況。采用風(fēng)洞試驗的脈動風(fēng)壓時程數(shù)據(jù),考慮該高層建筑2個主軸方向的前4階彎曲模態(tài),進(jìn)行了其風(fēng)致響應(yīng)研究,得到了建筑頂部的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng),并進(jìn)行了人體舒適度驗算。采用慣性風(fēng)荷載法,研究了建筑主軸方向的等效靜力風(fēng)荷載。結(jié)果表明:對于高度為300m的混凝土高層建筑,僅考慮1階模態(tài)進(jìn)行風(fēng)致響應(yīng)分析,位移響應(yīng)能滿足工程精度的要求,但加速度響應(yīng)誤差較大,至少應(yīng)考慮前4階模態(tài);重慶賓館10年重現(xiàn)期下建筑頂部的峰值加速度為0.144m/s2,滿足舒適度限制要求;橫風(fēng)向平均風(fēng)荷載較小,但慣性風(fēng)荷載較大。

工程力學(xué)97 0 50 100 150 200 250 300 0.02.0x1094.0x1096.0x1098.0x1091.0x1010 順風(fēng)向彎矩/(n·m) he ig ht /m 均值 背景分量 共振分量 總量 0 50 100 150 200 250 300 0.03.0x1096.0x1099.0x1091.2x1010 橫風(fēng)向彎矩/(n·m) he ig ht /m 背景分量 共振分量 總量 圖3選定建筑在d類風(fēng)場中的彎矩響應(yīng) fig.3bendingmomentofbuildinginterraincategoryd 3.2響應(yīng)和廣義陣風(fēng)效應(yīng)因子隨風(fēng)速的變化特征 本節(jié)討論響應(yīng)和ggef隨風(fēng)速的變化。計算了 不同風(fēng)速下所選建筑在b類風(fēng)場中的順、橫風(fēng)向的

詳細(xì)討論了高層建筑風(fēng)致振動和等效靜力風(fēng)荷載的計算方法及其特征。將結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)分解為平均響應(yīng)、動力響應(yīng)的背景分量和共振分量,給出了相應(yīng)的計算公式;還給出了背景和共振等效靜力風(fēng)荷載的計算公式,提出了等效靜力風(fēng)荷載組合的一種簡便方法,并討論了計算背景分量的qml法和lrc法的差異。最后,以一典型高層建筑為算例,討論了高層建筑風(fēng)致響應(yīng)和等效靜力風(fēng)荷載的主要特征。

采用了諧波疊加法模擬作用在結(jié)構(gòu)上的順風(fēng)向脈動風(fēng)壓,同時為了能反映作用在迎風(fēng)面不同點上脈動風(fēng)壓的相關(guān)特性,首先生成脈動風(fēng)速互譜密度矩陣,然后采用三角分解法進(jìn)行分解,再以此生成脈動風(fēng)壓作為輸入脈動風(fēng)荷載,采用newmark方法計算結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)時程.對兩棟高層建筑的風(fēng)振反應(yīng)時程計算結(jié)果表明,本方法得到的結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)均方根值與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中采用的譜分析結(jié)果有較好的吻合性;風(fēng)振反應(yīng)以共振反應(yīng)為主,非共振反應(yīng)值占次要的部分.這與譜分析法得出的結(jié)論也是一致的,說明了利用諧波疊加法模擬脈動風(fēng)壓時程的準(zhǔn)確性.這對于正確估算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振反應(yīng)值,為高層建筑風(fēng)振控制措施設(shè)計提供參考依據(jù)是有一定意義的.

針對矩形截面的高層建筑物,對不同高寬比和邊長比的9種模型進(jìn)行風(fēng)洞實驗,通過對大量數(shù)據(jù)的處理和分析,考察了模型高度、高寬比、邊長比對高層建筑物扭轉(zhuǎn)風(fēng)向風(fēng)力功率譜(扭矩功率譜)的影響規(guī)律,并擬合出了一個以風(fēng)速、湍流強度、邊長比等為參數(shù)的高層建筑物扭矩功率譜密度函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,與試驗結(jié)果吻合較好,證明它是合理有效的.

荷載規(guī)范風(fēng)振系數(shù)計算式以背景分量因子和共振分量因子為主要參數(shù),其中背景分量因子采用規(guī)范振型進(jìn)行簡化計算。本文比較了規(guī)范簡化表達(dá)式和具體表達(dá)式的計算結(jié)果,對比了采用不同基本振型計算所得的風(fēng)振系數(shù)和等效靜力風(fēng)荷載。結(jié)果表明:規(guī)范簡化表達(dá)式與具體表達(dá)式計算結(jié)果一致;與某些非規(guī)范振型計算結(jié)果相比,按規(guī)范振型計算會導(dǎo)致風(fēng)振系數(shù)與實際結(jié)果差異較大,風(fēng)致基底剪力的差異也可達(dá)5%以上?；谥笖?shù)振型系列,采用非線性最小二乘法,擬合得到了簡化表達(dá)式的系數(shù)k和a1,用此系數(shù)的簡化表達(dá)式與具體表達(dá)式計算結(jié)果基本一致。

立面開洞是建筑實踐中的常見現(xiàn)象，至今，國內(nèi)外有關(guān)洞口設(shè)置對高層建筑風(fēng)荷載影響的研究還很少。洞口形狀、位置及開洞率等都是影響建筑靜力風(fēng)荷載的因素，借助計算流體動力學(xué)(cfd)大型商業(yè)軟件fluent6．0，進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬分析，研究了相對風(fēng)壓和基底傾覆力矩系數(shù)與開洞率間的關(guān)系，給出了中部和下部開口情況下的相關(guān)方程。同時探討了底部開洞情況下。洞內(nèi)風(fēng)速的增大效應(yīng)與洞口大小和來流方向之間的關(guān)系。所得結(jié)論可供工程研究和抗風(fēng)設(shè)計參考。

本文對涉及兩種開洞率、三種不同開洞位置和全封閉(無洞口)的八個高層建筑剛性模型的表面平均風(fēng)壓分布進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究,并與計算流體動力學(xué)(cfd)大型商業(yè)軟件fluent6.0的計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,開洞建筑平均風(fēng)壓的減少主要是受荷面積減少引起的,但其減少的比率大于開洞率。此外,借助fluent6.0對不同開洞率情況下的建筑模型進(jìn)行了大量算例分析,得到了中部開洞建筑模型的平均風(fēng)壓系數(shù)相對值和基底彎矩系數(shù)相對值與開洞率之間的相關(guān)方程;探討了底部開洞建筑模型洞內(nèi)平均風(fēng)速的增大效應(yīng)與洞口大小、來流方向之間的關(guān)系。分析表明,在最不利來流風(fēng)向角情況下,洞中最大平均風(fēng)速可超過建筑模型頂部的遠(yuǎn)處來流風(fēng)速,應(yīng)引起建筑風(fēng)環(huán)境設(shè)計者的關(guān)注。

1 七、高層建筑（高聳結(jié)構(gòu)）的順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動 i.概述 順風(fēng)向和橫風(fēng)向 順風(fēng)向---抖振機制 橫風(fēng)向---機制復(fù)雜（高層建筑：紊流+尾流+氣動彈性） 研究方法 順風(fēng)向： (1)平均風(fēng)壓（整體型系數(shù)）----準(zhǔn)定常風(fēng)力----隨機振動方法計算--- 振動響應(yīng) (2)同步測壓----脈動風(fēng)力分布---隨機振動方法計算---振動響應(yīng)（不 能應(yīng)用于格構(gòu)式高聳結(jié)構(gòu)） (3)高頻動態(tài)測力天平---一階廣義風(fēng)荷載---振動響應(yīng)計算 (4)氣動彈性模型試驗----直接獲得振動響應(yīng) 橫風(fēng)向： (1)同步測壓----脈動風(fēng)力分布---隨機振動方法計算---振動響應(yīng)（不 能應(yīng)用于格構(gòu)式高聳結(jié)構(gòu)） (2)高頻動態(tài)測力天平---一階廣義風(fēng)荷載---振動響應(yīng)計算 (3)氣動彈性模型試驗----直接獲得和振動響應(yīng) ii、高層建筑風(fēng)壓分布特性 2．1概述

精品文檔 精品文檔 七、高層建筑（高聳結(jié)構(gòu)）的順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動 i.概述 順風(fēng)向和橫風(fēng)向 順風(fēng)向---抖振機制 橫風(fēng)向---機制復(fù)雜（高層建筑：紊流+尾流+氣動彈性） 研究方法 順風(fēng)向： (1)平均風(fēng)壓（整體型系數(shù)）----準(zhǔn)定常風(fēng)力----隨機振動方法計算--- 振動響應(yīng) (2)同步測壓----脈動風(fēng)力分布---隨機振動方法計算---振動響應(yīng)（不 能應(yīng)用于格構(gòu)式高聳結(jié)構(gòu)） (3)高頻動態(tài)測力天平---一階廣義風(fēng)荷載---振動響應(yīng)計算 (4)氣動彈性模型試驗----直接獲得振動響應(yīng) 橫風(fēng)向： (1)同步測壓----脈動風(fēng)力分布---隨機振動方法計算---振動響應(yīng)（不 能應(yīng)用于格構(gòu)式高聳結(jié)構(gòu)） (2)高頻動態(tài)測力天平---一階廣義風(fēng)荷載---振動響應(yīng)計算 (3)氣動彈性模型試驗----直接獲得和振動響應(yīng) ii、高層建筑風(fēng)壓分布特性

高層建筑的等效設(shè)計風(fēng)荷載與風(fēng)振響應(yīng)研究——基于某典型高層建筑詳細(xì)的風(fēng)洞試驗結(jié)果，計算分析了該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)等效靜風(fēng)荷載及結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度響應(yīng)，與前期的風(fēng)洞試驗結(jié)果相對比，評估了不同風(fēng)洞試驗條件和周邊建筑對試驗結(jié)果的影響，獲得的結(jié)果可以用于此結(jié)構(gòu)...

基于某典型高層建筑詳細(xì)的風(fēng)洞試驗結(jié)果,計算分析了該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)等效靜風(fēng)荷載及結(jié)構(gòu)頂部峰值加速度響應(yīng),與前期的風(fēng)洞試驗結(jié)果相對比,評估了不同風(fēng)洞試驗條件和周邊建筑對試驗結(jié)果的影響,獲得的結(jié)果可以用于此結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計以及居住者舒適度評估。

從懸臂梁振動理論出發(fā),討論了高層建筑風(fēng)響應(yīng)的計算以及在風(fēng)洞中利用高頻天平測量高層建筑風(fēng)荷載的原理,并進(jìn)一步分析討論了沿建筑物高度分布的平均風(fēng)力、脈動風(fēng)力、風(fēng)致振動慣性力以及建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的等效靜態(tài)風(fēng)荷載的確定問題,指出了所提方法的局限性和應(yīng)用范圍,可為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的風(fēng)荷載確定提供參考.分析結(jié)果表明,求沿高層建筑高度分布的等效靜態(tài)風(fēng)荷載的方法適用于順風(fēng)向風(fēng)力,在應(yīng)用于橫風(fēng)向風(fēng)力時由于渦脫落力的影響有理論誤差.

超高層建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)荷載研究——對于超高層建筑結(jié)構(gòu)，我國荷載規(guī)范只給出了順風(fēng)向的抗風(fēng)設(shè)計方法，對于橫風(fēng)向風(fēng)荷載則并沒有給出規(guī)定。而在實際工程中的超高層建筑，有時橫風(fēng)向風(fēng)荷載遠(yuǎn)大于順風(fēng)項，為控制荷載，因此目前我國荷載規(guī)范在超結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向抗風(fēng)設(shè)...

基于瞬態(tài)脈動測壓方法,分析了典型斷面高層建筑結(jié)構(gòu)各層合力的相干特性,結(jié)果顯示橫風(fēng)向脈動風(fēng)荷載在漩渦脫落頻率處存在和順風(fēng)向不同的顯著相關(guān)性,相干函數(shù)值接近于1。采用擬合方法提出了一個各層橫風(fēng)向脈動風(fēng)荷載的相干函數(shù)公式,并給出了采用脈動測壓技術(shù)分析高層建筑風(fēng)振響應(yīng)與等效荷載的簡化方法。采用caarc高層建筑標(biāo)模做了風(fēng)洞試驗,將其結(jié)果與高頻底座力天平方法的試驗和規(guī)范方法的計算結(jié)果作了對比,結(jié)果較為滿意。采用本文方法可以克服力天平方法要求結(jié)構(gòu)的基階模態(tài)必須線性且不能給出結(jié)構(gòu)沿高度的荷載分布等缺點。最后結(jié)合一具體的工程實例,分析了深圳新萬基國際大廈的風(fēng)振響應(yīng)和等效設(shè)計荷載

采用可實現(xiàn)的k-ε湍流模型,對處于b類地貌風(fēng)場中復(fù)雜體型的雙塔建筑進(jìn)行了風(fēng)荷載和風(fēng)場的數(shù)值模擬,計算得出了建筑周圍的流場分布和建筑表面各測點的風(fēng)壓,與風(fēng)洞試驗結(jié)果比較表明,數(shù)值模擬方法具有較好的精度,可用于復(fù)雜體型的雙塔建筑的靜力干擾研究。著重討論了雙塔建筑物之間的狹縫效應(yīng),結(jié)果表明,并列布置時,干擾作用只發(fā)生在相鄰建筑物的側(cè)風(fēng)面,對相鄰建筑物的迎風(fēng)面影響很小,干擾作用的大小與建筑物的間距有關(guān)。