钢结构高层住宅的风振模型与风振特性研究

为探讨高层钢结构风振计算模型的合理性和风振响应特性,对某钢结构高层住宅进行了风洞试验,得到了建筑表面的风荷载时程;建立面向风振分析的弹性楼板精细模型、刚性楼板精细模型和简化层刚片模型,将测得的风荷载时程分别施加于三种模型,按随机振动理论计算得到了各模型在不同风向角下的顺风向、横风向和扭转向风振响应统计值,并与相关规范方法结果进行比较。结果显示:结构的峰值位移响应虽由顺风向控制,但加速度响应由横风向控制,扭转向加速度接近于顺风向;基于刚性楼板假定的风振分析所带来的偏差并不大,但采用简化层刚片模型及规范方法求得的扭转向位移可能偏不安全。     

超高层建筑三维风致响应时程分析

进行了某复杂体形超高层建筑顺风向、横风向及扭转风致振动时程分析,用每层质量集中于楼板并视之为刚片的高层建筑层间结构模型代替精细有限元模型。计算结果显示结构位移响应以1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;对于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。     

均匀风场中矩形单体高层建筑风致响应的阻塞效应

在闭口回流式风洞TJ-2中分别对阻塞度为4.1%,6.1%,8.4%,10.1%的单体高层建筑刚性模型进行了测压试验,根据风洞试验结果,选取3种典型结构进行响应计算,以研究阻塞效应对不同结构风致响应的影响。对结构顶部位移和加速度、基底剪力、等效静力风荷载进行了细致分析。结果表明:各结构顺风向顶部位移和基底剪力平均值的阻塞效应较为接近,但顺风向、横风向顶部位移、加速度和基底剪力均方根的阻塞效应较为显著,且差别较大。随着阻塞度的增大,结构质量越轻、刚度越柔,横风向顶部位移、加速度和基底剪力的均方根的阻塞效应均有所降低。各结构顺风向等效静力风荷载峰值在顶部和底部处的阻塞效应较为明显。结构质量越轻,刚度越柔,建筑顶部附近的顺风向等效静力风荷载峰值的阻塞效应增强,而横风向等效静力风荷载峰值的阻塞效应减弱。     

浅议高层建筑抗风的技术问题及对策

高层建筑横风向、扭转向风荷载及群体建筑干扰效应可能引起较大的风致响应。本文综合分析了高层建筑受风荷载的特点,对不同的抗风要求提出了针对性的抗风措施。研究和工程实例表明,通过改变建筑外形或结构动力特性可有效改善高层建筑受风环境,从而降低建筑风致响应。     

不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构风致响应数值模拟

国内对冷弯薄壁型钢结构风载特性研究已有部分成果,但是风致响应研究较少,特别是不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构的风致响应研究。本文基于AR法原理,在MATLAB中模拟脉动风速时程,通过转化生成结构各高度处的风压时程,并在ANSYS中建立多层冷弯薄壁型钢结构有限元模型,计算不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构的风致动力响应,得到结构顶层的位移、加速度时程,并进行分析。结果表明:1通过模态分析和功率谱对比验证了建模及模拟风速时程的正确性;2五个风向的最大层间位移均满足规范限值,22.5°、45°、67.5°三个风向角的位移响应依次增大,最大位移出现在90°风向角;3在修建冷弯薄壁型钢结构时,应考虑风向带来的影响,据此进行合理布局。     

高层住宅建筑风荷载特性及风致响应

对某复杂体型高层住宅建筑进行了实际工况和三种不同高宽比单体工况下的刚性模型测压风洞试验,通过数据整理计算得到各工况下结构的轴向整体风力系数、加速度和位移响应值,进而研究了周边建筑干扰和高宽比变化对结构的风荷载及风致响应的影响。结果表明:干扰使得结构整体风力系数偏小,高宽比变化对整体风力系数的影响基本可以忽略,但由于结构体型复杂,值达1.52,超出规范对类似矩形结构建议值;干扰使得结构响应沿风向角变化较大,随着高宽比的增大加速度和位移响应增大,加速度响应主要体现在横风向,位移响应主要体现在顺风向;单体结构的风荷载与风致响应最不利风向角不一定为来流沿两个主轴的风向角,进行抗风设计时应注意与类似单体矩形结构的这种区别。     

基于风洞试验的对称截面高层建筑三维等效静力风荷载研究

基于刚性模型表面测压风洞试验建立高层建筑三维风荷载模型,进而运用振型加速度法求解风振响应动力方程,得到了包含拟静力项和惯性力项的弹性力响应解,并推导了对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向风致随机内力响应。在此基础上提出了基于内力响应等效的可考虑高阶振型贡献的对称截面高层建筑顺风向、横风向和扭转向等效静力风荷载计算方法。结合某一对称截面高层建筑工程实例,对采用上述方法计算得到的结构三维等效静力风荷载进行分析并与我国规范方法顺风向等效静力风荷载计算结果进行比较。结果表明,高层建筑结构抗风设计应该考虑三维等效静力风荷载,且二阶振型对高层建筑等效静力风荷载的贡献不可忽视。     

矩形高层建筑结构扭转风振反应时程的分析计算

根据Davenport脉动风速谱函数与日本规范中提出的横风向脉动风力谱系数函数模拟的顺风向与横风向脉动风压时程,采用Newmark法计算了一栋高68m的高层建筑物的风振扭转动力反应时程。计算时考虑了顺风向脉动风压与横风向脉动风压的联合作用。计算结果表明:结构扭转振动加速度响应以共振响应为主,非共振响应仅占次要的部分,这与谱分析法得出的结论是一致的,从而说明了计算结果的正确性。这对于正确估算结构的扭转风振反应值,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。     

Y形截面超高层建筑风荷载及风效应的干扰效应研究

通过刚性模型同步测压风洞试验,研究周围建筑对Y形建筑风荷载和风效应的干扰影响,分析了全风向峰值正压系数、峰值负压系数、不同风向角下结构顶部加速度及其干扰因子等参数的变化规律。结果表明：干扰效应对全风向最大峰值负压系数影响程度要大于全风向最大峰值正压系数;干扰效应整体上会减少Y形截面超高层建筑全风向最大峰值正压值,增大全风向最大峰值负压绝对值,不利于工程设计,在实际工程时应引起重视;结构顶部最大峰值加速度受干扰效应影响会有所增加,最大峰值加速度为5.28 cm/s2,满足《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》对结构顶点最大加速度的限值要求。     

复杂塔冠对双塔高层建筑风压特性影响的试验研究

利用同步测压风洞试验方法,研究了3种典型风向角下圆角三角形截面双塔高层建筑顶部的花瓣形塔冠对建筑表面风压分布特性和风致响应的影响。基于试验数据,对建筑平均风压和极值风压等值线、整体体型系数、风荷载功率谱密度曲线以及基底合力(矩)进行了分析和比较。结果显示,复杂塔冠在整体上抬高了建筑顶部的风致绕流,使得部分风向角下建筑顶部附近的风压出现增大趋势;塔冠的存在同时使各楼层阻力和升力系数增大,且越靠近顶部增幅越明显;当风向沿着双塔形心连线方向时,由上游塔楼漩涡脱落形成的尾流激振现象十分显著,从而使得该风向角下的峰值加速度和横风向等效静力风荷载均达到最大,而塔冠的存在可能改变横风向风荷载的频谱特性,对于文中研究的双塔高层建筑,塔冠使得涡漩脱落频率略向低频转移,故使相应的峰值加速度和等效静力风荷载有所降低。     

正六边形超高层建筑横风向气弹效应研究

为研究正六边形超高层建筑横风向风致响应和气动阻尼比,开展了一系列多自由度气弹模型风洞试验。测量模型顶部风致位移和加速度响应,基于随机减量法识别了横风向气动阻尼比。结果表明,在顶角迎风时,正六边形超高层建筑易于出现大幅涡振现象,在立面迎风时没有出现涡振现象。顶角迎风时,横风向气动阻尼比随折算风速增大呈现出“先增大到最大正值、再迅速转为最小负值,再平稳回升到零值附近”完整过程。而立面迎风时,横风向气动阻尼比与折算风速近似呈线性关系。最后,建立横风向气动阻尼比的经验评估公式。相关研究可为正六边形超高层建筑的抗风设计和规范完善提供参考。     

强台风作用下深圳卓越世纪中心的实测研究

超高层建筑的结构动力特性是影响结构风效应评估精度的重要因素,实测是获取实际结构动力特性参数的唯一方法并已有很多研究,但实测研究中出现较大振幅的情况仍极为少见。文章采用自主研发的无线加速度传感器,对高度280m的深圳卓越世纪中心北塔(ZCC)进行连续长期监测,得到10年来多次台风作用下ZCC结构顶部加速度响应时程信号。采用不同参数识别方法分别对ZCC在5次具有代表性的台风作用下的结构顶部加速度响应时程数据进行详细分析,并将台风“山竹”的实测结果和风洞试验的结果进行对比。结果显示：不同方法识别得到的结构模态频率一致性较好,模态阻尼比则存在一定差别;结构模态频率有随振幅增大而减少的趋势,顺风向的结构模态阻尼比随加速度的增大有增大的趋势,横风向的结构阻尼比则呈现较大的离散性,和加速度振幅的相关性不明显;现场实测得到的ZCC在台风“山竹”作用下的结构顶部峰值加速度和风洞试验结果具有较好的一致性,且在连续10年中测到的最大峰值加速度为23.91cm/s²,表明该建筑能够满足舒适度要求。     

某百米级高层隔震结构风致效应研究

现行规范采用静力设计的方法可能对高层隔震结构的风致效应考虑不足,为此深入研究了高层隔震结构抗风设计与风致效应,结合现行规范提出高层隔震结构风致效应分析框架,并针对中国某百米级实际工程隔震结构展开风致效应的分析与评估。结果表明:现行规范采用等效静力的计算方式低估了高层隔震结构实际所受的脉动风作用,通过风荷载时程分析发现,隔震层X、Y向的水平剪力相比风荷载标准值作用分别增加了23.8%和27.7%,但从设计的角度出发,现行规范取1.4的分项系数能满足隔震层抗风稳定性的要求; 在10年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部存在舒适度的问题,最大风振加速度达到16.2 cm?m^-2,超出规范限值8%; 在1年一遇风荷载作用下,高层隔震结构顶部的最大风振加速度达到7.6 cm?m^-2,其居住舒适性更难以满足,高层隔震结构的舒适度问题在今后的抗风设计中应予以重视; 提出的分析框架能较系统和全面地反映高层隔震结构风致效应,可为现行规范提供理论参考依据。     

超高层建筑结构抗风性能研究

针对按规范公式计算得到的超高层建筑结构风致振动不尽合理的问题,以西安环球贸易中心超高层建筑为工程背景,首先通过风洞试验测得各楼层的风荷载,再利用ANSYS参数化设计语言编制了能够精确求解超高层建筑风振系数及等效静风荷载的程序,进而对超高层建筑的抗风性能进行研究。结果表明:当风向角接近90°时,结构中部出现了极值位移风振系数,且其迎风面顺风向的变形和内力都达到了最大值,横风向的变形和内力则最小;当风向角为20°~70°时,位移风振系数随着楼层的增高而增加,其峰值出现在顶层;随着风向角的变化,结构扭转加速度峰值在各区间都是先减小后增大,特别是风向角呈45°左右时,结构扭转变形和基底扭矩达到了最大值;提出的将风洞试验与有限元分析相结合的新方法可为同类工程的抗风设计提供参考。     

任意排列两方形断面高层建筑风致干扰机理研究

风致干扰效应是高层建筑群抗风设计中的常见难点问题之一。采用刚性模型测压试验,研究了均匀层流和两种大气边界层风场条件下任意排列两方形断面高层建筑的风致干扰效应,通过平均和脉动基底弯矩系数的干扰因子、风力系数、风压系数分布以及风荷载功率谱的研究,解释了其风致干扰效应的机理。结果表明,任意排列的两方形断面高层建筑风致干扰中,至少存在横风向静力干扰、顺风向静力干扰和横风向动力干扰三个值得注意的干扰区域。 窄道形成的加速效应使受扰结构上形成指向施扰建筑横风向平均吸力和阻塞形成的受扰建筑的横风向平均推力;遮挡效应使得受扰建筑承受指向位于上游的施扰建筑的顺风向风力;漩涡叠加增强位于尾流区受扰建筑上的横风向脉动荷载。不同风场的试验结果表明,提高来流的紊流度有助于减弱上述干扰效应。     

Study on full-scale measurements of wind effect on super high-rise buildings in Pearl River Delta region during super Typhoon Mangkhut

对超强台风“山竹”侵袭时珠三角地区数栋超高层建筑的风致响应实测结果进行分析和总结，开展内伶仃岛缩尺模型风洞试验，获取该岛对气象站点风速的影响系数，并依此对观测风速进行订正，结合实测和风洞试验分析和评价深圳湾壹号7号塔楼(T7)的抗风性能。结果表明：不同高度、平立面外形的超高层建筑实测风致最大峰值加速度均超过10 cm/s2，且超高层建筑风振响应和建筑高度不存在相关性；在所有被测的建筑中加速度响应最小的建筑为高度342 m的T7，其最大峰值加速度仅为13.2 cm/s2；参数识别得到T7的模态频率和阻尼比显示均具有明显的时变特征，最大风速时段识别的模态频率整体上较有限元数据模拟结果增大21%，前两阶模态阻尼比分别为2.1%和1.7%；优化的气动外形和合理的朝向是T7抗风性能优良的主要原因，对于一般矩形平面的超高层建筑应避免使其窄边面向所在地的强风主导风向；采用订正后的风速值和参数识别结果对风洞数据进行重分析，结果显示计算值和实测值吻合较好，验证了前期风洞试验的可靠性。     

高层住宅钢结构的风振特性与合理模型研究

以一幢103m高的高层住宅钢结构为案例,通过风洞模型试验和动力时程分析,获得了结构的风振位移和加速度响应.在风振分析中,构建了一种基于柔度概念并由柔度矩阵求逆形成刚度矩阵的结构简化计算模型,并与常用的剪切层模型进行了比较.结果显示,对于百米高的高层住宅钢结构,其风振位移响应虽由顺风向控制,但加速度响应则会转由横风向控制,而扭转向响应也不可忽略;文中建立的简化计算模型与剪切层模型相比更具合理性.     

超强台风“山竹”期间珠三角地区超高层建筑的风效应实测研究

对超强台风“山竹”侵袭时珠三角地区数栋超高层建筑的风致响应实测结果进行分析和总结,开展内伶仃岛缩尺模型风洞试验,获取该岛对气象站点风速的影响系数,并依此对观测风速进行订正,结合实测和风洞试验分析和评价深圳湾壹号7号塔楼(T7)的抗风性能。结果表明：不同高度、平立面外形的超高层建筑实测风致最大峰值加速度均超过10 cm/s2,且超高层建筑风振响应和建筑高度不存在相关性;在所有被测的建筑中加速度响应最小的建筑为高度342 m的T7,其最大峰值加速度仅为13.2 cm/s2;参数识别得到T7的模态频率和阻尼比显示均具有明显的时变特征,最大风速时段识别的模态频率整体上较有限元数据模拟结果增大21%,前两阶模态阻尼比分别为2.1%和1.7%;优化的气动外形和合理的朝向是T7抗风性能优良的主要原因,对于一般矩形平面的超高层建筑应避免使其窄边面向所在地的强风主导风向;采用订正后的风速值和参数识别结果对风洞数据进行重分析,结果显示计算值和实测值吻合较好,验证了前期风洞试验的可靠性。     

群体风效应下高层建筑等效风荷载及舒适度分析

基于某复杂群体高层建筑项目风洞试验结果,采用覆面积分计算方法,对该项目最高塔楼进行了风荷载及风振响应分析,结构由于受到周围建筑的干扰影响,其实际风荷载与规范估算结果差异较大,计算还分析了不同风向下结构的等效基底倾覆力矩及其顶部峰值加速度,其结果可用于此结构的抗风设计。     

单重和多重调谐质量惯容阻尼器控制连体超高层建筑风振响应比较研究

连体超高层建筑因存在强烈的气动干扰,在强风下可能会出现大幅相对振动,调谐质量惯容阻尼器(TMDI)是一种振动控制装置,其惯容器两端的相对加速度较大时,TMDI振动控制效果较好。结合两者各自的特点提出了多重调谐质量惯容阻尼器(MTMDI)控制连体超高层建筑的风振响应,两个TMDI分别控制两栋建筑各自的一阶自振频率。首先建立了MTMDI控制连体超高层建筑风致响应数学模型,然后开展了某连体超高层建筑的刚性模型同步测压风洞试验;最后,基于该数学模型和测压风洞试验结果分析了该连体建筑在分别安装两个和单个TMDI对风振加速度和位移响应的减振效果。研究结果表明：虽然两个TMDI的总质量和总惯容量比单个TMDI相应的参数小,但两者的减振效果基本相同,两者都能有效地减小两栋建筑在各个风向角下的加速度响应,如在270°风向角下,安装TMDI后两栋建筑顶层加速度响应分别减小了37.5%和50.0%;对于位移响应,两者都可以减小高栋建筑的响应,其对低栋建筑在少部分风向角下的减振效果并不理想。