高层建筑横风向风效应研究综述

高层建筑的横风向荷载及响应问题非常复杂,它与来流紊流、尾流和气动反馈3个方面的激励有关.虽然研究人员关注这一问题已有30多年,但迄今为止还没有形成被广泛采用的成熟的分析理论和方法,许多国家的规范中尚无相关的规定.国内外高层建筑横风向风效应研究成果主要分为3部分:横风向气动力的确定,横风向气动阻尼的识别和横风向等效静力风荷载的计算方法.风洞试验技术、数据拟合技术、参数识别技术是确定高层建筑横风向风效应的主要手段.通过分析国内外研究手段和方法的现状及优缺点,针对高层建筑横风向响应研究中存在的问题和不足,提出了应该关注的重点:高层建筑外形的复杂变化对气动力的影响、高层建筑横风向气动阻尼的识别方法以及形成机理和影响因素、等效静力风荷载计算方法和复杂形体超高层建筑顺、横、扭3种风荷载分量的耦合问题.     

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计部分的规定是不完善的，需要补充该部分内容，本文则通过几个典型工程实例来说明该问题。     

方形截面超高层建筑全风向气动阻尼的试验研究

超高层建筑质量小、阻尼低,极易在设计风速下产生明显的气动弹性效应,出现明显的气动阻尼.考虑一阶线性弯曲模态,制作了方形截面超高层建筑的单自由度气动弹性模型,高宽比8∶1,模型比例1∶600,进行风洞试验测量了各风速下建筑顶部的加速度响应,采用随机减量方法对全风向下方形截面超高层建筑的气动阻尼进行识别.其中,顺风向和横风向的气动阻尼结果与文献结果趋势吻合良好.研究结果表明:当风向角在84°~90°范围内时(90°为横风向),气动阻尼特性与横风向结果趋势一致;当风向角在0°~12°范围内时(0°为顺风向),气动阻尼特性与顺风向结果趋势一致;在某些特定的风向角下(例如16.5°),临界风速降低,气动负阻尼的起始风速也降低.     

锥形超高层建筑横风向风荷载模型

采用同步测压技术,进行了不同锥率的超高层建筑刚性模型风洞试验,根据试验结果得到了该类建筑物的横风向风荷载数学模型.根据作用机理,通过在已有矩形超高层建筑横风向风荷载功率谱模型中增加紊流机理项的方法,给出了精细化拟合公式,修正后的横风向风荷载功率谱模型在工程结构一般频率范围内与试验结果吻合较好.锥率没有改变超高层建筑横风向风荷载相干函数的频谱特性,已有超高层建筑相干函数模型对锥形超高层建筑仍然适用.本文提出的锥形超高层建筑横风向风荷载模型能够用于确定该类结构的横风向风致效应.     

某拟建838m高楼多自由度气弹模型风洞试验研究

为了考察某拟建超高层建筑(总高838m)在设计风速下的风致响应,对该大厦进行了多自由度气弹模型风洞试验.模型自振特性测试表明,该气弹模型各横截面对两个正交的水平主轴对称,每个轴向1阶和2阶频率误差分别在1%和28%以内,1阶阻尼比约为2%,平动振型与实际结构有限元模型计算结果较为一致.分析不同风速和风向角下风致响应发现,该大厦顶部在100年重现期设计风速下最大动态侧移为0.89m,且动态位移本身并未使结构顶部位移超标,而10年,50年和100年重现期下风致加速度响应超过规范阈值幅度分别为16%,23%和29%.另外,该大厦横风向涡振使得临界风速附近横风向风致响应明显偏大,如果假定风荷载谱为白噪声,则横风向1阶气动阻尼比对总响应的贡献达37%.若欲保证该建筑在百年一遇风速下加速度在允许范围内,则须使其结构阻尼比在2.9%以上.     

超高层建筑横风向气动力谱

利用高频测力天平技术，在四种不同风场中对15种不同外形的超高层建筑的刚性模型进行了风洞试验，测量了这些模型的横风向基底弯矩，即一 阶横风向广义风荷载，考察了风洞类型、模型长细比、宽厚比及模型横截面角沿的修正对超高层建筑横风向广义气动力谱的影响规律，并拟合出一个以风场类型、模拟长细比、宽厚比为参数的超高层建筑横向风向广义气动力谱的闭合表达式。通过与国外有关文献给出的结果的对比，验证了拟合公式的精度。     

高层建筑结构抗风可靠性研究进展

回顾并总结了建筑结构可靠性评价标准、可靠性动静态分析方法和考虑风向的可靠性分析方法等几个涉及结构抗风可靠性问题的国内外研究成果,同时对多国荷载规范中关于风向和抗风可靠性的规定进行了讨论.通过分析结构可靠性的评判准则、研究方法、结构动力响应参数、风向等多个因素对结构抗风可靠性的影响以及现有研究方法中所存在的问题,指出当前结构抗风可靠性研究中存在的不足,并提出了进一步研究的建议.     

风向对某超高层建筑等效静风荷载的影响

风向和平均风速联合分布是风荷载的基本特征之一,本文研究风向对某超高层建筑等效风荷载的影响,主要包括以下三个部分:(1)获取建筑物所在地区气象站的风向风速气象资料,并统计得到各个风向上的设计风速;(2)对某超高层建筑进行36个风向角下的刚性模型同步测压风洞试验,试验中模拟了周围建筑对超高层建筑的干扰作用;(3)结合各个风向上的设计风速,基于风洞试验结果,用随机风振理论计算超高层建筑的等效风荷载.本文得到的结论为超高层建筑设计提供参考.     

X型超高层建筑的三维风荷载及风振响应

以某X型超高层建筑为工程背景,研究了该超高层建筑顺风向、横风向以及扭转风荷载系数沿高度方向的分布规律.以质量和刚度相同、动力特性相近为原则使用简化的自由度缩聚模型代替结构精确有限元模型,计算结果显示结构位移与加速度响应均以一阶模态响应为主,该模型代替精确有限元模型能够满足工程计算需要.对质量中心和刚度中心重合的结构,扭转加速度响应在合加速度响应中占有的比例较小,结构在3个方向上振动的耦合程度不高.提出的合成位移投影方法计算出的沿坐标轴方向的风振系数能够保证X和Y方向最大位移与合成位移最大值的同步性,并考虑了横风向风振的影响略大于顺风向风振系数.     

山地风场中圆形截面超高层建筑风荷载谱

为了研究山地风场中超高层建筑的风荷载和风振响应特性,必须了解复杂湍流变化对建筑风荷载的影响。在风洞中模拟了4种湍流度,通过3个不同高宽比圆形截面超高层建筑模型,考察了来流湍流度、建筑高宽比、层高度等因素对顺风向和横风向风荷载功率谱影响规律。针对2个方向风荷载功率谱的特点分别采用不同荷载谱模型进行了参数拟合,再以湍流度、建筑高宽比为基本变量对荷载谱模型参数进行二次拟合,初步建立了复杂山地圆形截面超高层建筑风荷载功率谱的数学模型。最后给出一个实例,通过具体山地风速和湍流度剖面,根据提出的建筑风荷载功率谱数学模型,比较了山地和平地圆形截面超高层建筑的风振响应。     

高层建筑干扰气动阻尼的试验研究

在风洞中采用气动弹性模型技术和高频动态天平技术研究了两个高层建筑间的风致动力干扰效应 .根据气弹模型试验数据 ,采用随机减量法 (RDT)及特征系统实现算法 (ERA) ,首次研究了在受扰情况下高层建筑气动阻尼的变化 .在某些工况下 ,受扰建筑的气动阻尼为负值 (且绝对值较大 ) ,使结构总阻尼很低 ,导致了受扰建筑高的动力响应及高的动力干扰因子值 .根据受扰建筑的新的阻尼值 ,重新对高频动态天平试验的数据进行了计算 ,所得动力干扰因子与气弹模型试验结果趋于一致     

国外高层木结构研究综述

整理和分析了国外高层木结构研究现状,重点介绍了适用于高层木结构的正交层板胶合木(CLT)的最新研究进展,指出纵横交错的层板在承受平面外荷载时,其横向层的滚动抗剪性能需重点关注.针对高层木结构的关键问题,即结构体系、结构抗震与抗风性能、节点连接和抗火性能的研究进展进行了综述,指出结构体系中抗侧力性能、构件间的连接以及力的传递是今后研究的重点;高层木结构抗火性能的研究可以借鉴低层和多层木结构,但高度和人群密集的影响需特别关注.最后,对我国高层木结构的发展进行了展望,对关键问题进行了分析和总结.     

基于风振舒适度的高层建筑生命周期费用模型

根据感知结构在风荷载作用下振动的人数所占比例将超高层建筑舒适度性能水平划分为五个等级,并以结构水平振动加速度作为控制指标,建立了超高层建筑舒适度性能的评价方法。通过虚拟激励法进行频域分析求得结构在随机风荷载作用下的响应特性,获得一次强风作用下结构各性能水平的可靠度;考虑工程场地可能出现的风荷载水平得到建筑生命周期内各舒适度性能水平的可靠度;同时根据 “投资-收益”准则建立基于舒适度性能的超高层建筑生命周期费用模型;该模型可以考虑不同设计方案下的生命周期费用,并可依据生命周期费用最小原则进行投资决策,是基于性能的抗风设计的具体应用。利用该方法对某超高层建筑进行了调频质量阻尼器(TMD)安装与否进行了投资决策,说明了本方法的适用性。     

建筑结构风荷载干扰效应的试验研究

在相邻建筑物的干扰下,受扰高层建筑的风荷载与其在孤立状态下相比会有较大的变化。采用测压刚性模型风洞试验研究了两个高层建筑间的风荷载干扰效应,得到了两个相同的矩形截面建筑在不同相对位置时受扰建筑各表面的风压系数变化规律。所得结果对结构的抗风设计有指导意义。     

拟建高大建筑对邻近建筑整体风荷载的影响

基于一栋既有高层建筑的刚性模型测压风洞试验,讨论了邻近更高大的拟建超高层建筑及周边其他建筑对其整体风荷载的干扰效应.试验结果表明,当拟建超高层建筑处在上游时,遮挡效应一般会减小下游既有建筑的顺风向气动力平均值,但尾流旋涡脱落现象会导致下游既有建筑的横风向风荷载峰值显著增大,这可能使得下游既有建筑的原始结构设计偏于危险.     

下游干扰体对上游高层建筑风力的影响

在用数值模拟和风洞实验方法对比研究两个方形高层建筑模型干扰影响的基础上,进一步用数值模拟方法研究了距离较近时下游干扰体对上游建筑的干扰影响.以广州合景大厦为背景,用数值模拟方法,并通过数值模拟与风洞实验平均风底部剪力的比较,得出当干扰的高层建筑处于下游或斜下游时,上游合景大厦的静风力比不受干扰时显著增大.说明在高层建筑密集、下游或斜下游建筑体量较大时,对上游建筑干扰后的静风力会有显著增加.     

风和地震作用下高层建筑土-结构作用比较

根据考虑上部结构荷载相关性的近似频域方法，详细分析了各类参数（如上部结构刚度、结构阻尼、土体刚度、土体阻尼等）对土-结构相互作用效应的影响．此外，探究了在风荷载和地震作用下，土-结构作用效应对上部结构响应影响的异同．数值算例给出了带有群桩基础的实际高层结构的风、地震作用下的土-结构作用响应的比较．比较结果说明，风、地震作用下高层建筑土-结构作用效应对上部结构响应的影响规律可能是不一致的，而这主要与风、地震作用于土体结构耦合系统的位置以及风、地震作用的卓越频率有关．