国内外规范自立式高耸结构等效风荷载及响应比较

针对GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》(2006年版)和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、美国规范ASME STS-1-2006、欧洲规范BS EN 1993-3-2:2006和CICIND模式规范(Revision 1-1999)等规范关于自立式高耸结构的风振响应计算方法进行了比较研究。对比了各规范中基本风速、风速高度变化系数、湍流强度等基本风特性和结构动力特性的简化计算方法,以及自立式高耸结构顺风向和横风向的风振响应计算方法。选用高度50m和90m的两座自立式钢烟囱作为算例,开展了顺风向和横风向风振响应计算方法的数值模拟对比分析。研究表明:在设计小阻尼、高柔的自立式高耸结构时,顺风向风振响应计算方法相对较为成熟,但气动阻尼的影响不可忽略;对于横风向风振响应,我国规范和欧洲规范(方法1)得到的结果相对偏小,同时,所有方法所得结果与实际观测均有一定的差距,设计时应谨慎选择横风向风振响应计算方法。     

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。     

X形超高层建筑层风激励谱计算模型研究

通过X形超高层建筑刚性模型多点同步测压风洞试验,研究高层建筑风荷载阻力系数和升力系数平均值、均方根值沿高度的变化规律,并与矩形高层建筑均方根升力系数进行比较.提出X形高层建筑顺风向与横风向动力风荷载功率谱密度函数、相干函数的计算模型,并根据风洞试验数据进行拟合计算,结果表明该计算模型与风洞试验结果吻合较好,可以以此为基础进行类似高层建筑顺风向与横风向动力响应的频域计算.     

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。     

高层建筑顺风向脉动荷载相干性研究

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%。     

基于时域的超高层建筑横风向风振模拟及分析

对于某些超高层建筑,其横风向风振响应甚至超过顺风向而成为结构设计的控制性因素。为研究横风向风振响应的时程特性及变化规律,基于横风向脉动力谱,考虑风力的竖向相干性,通过谐波合成法模拟横风力时程,在时域内求解分析某超高层钢筋混凝土建筑横风向的风振响应。分析时考虑地貌、来流风速以及结构基频的变化,探讨各因素对风振响应的影响规律,为超高层建筑的抗风设计提供参考依据。     

CAARC高层建筑标准模型层风荷载谱数学模型研究

用风洞试验方法在B、D两种地貌下研究了CAARC高层建筑标准模型在不同高度处的顺风向和横风向风荷载的功率谱特性和相干特性。结果显示:不同高度的无因次风荷载功率谱密度具有较好的一致性;在顺风向,不同高度风荷载间的相干特性显示出指数式的衰减规律;在横风向,风荷载在漩涡脱落频率附近有很强的相关性,相干函数值接近于1。根据风荷载沿结构高度变化的特征,进一步采用拟合方法确定了各层风荷载的功率谱密度和层间荷载相干函数的经验公式,建立了层风荷载谱数学模型,并给出了以此为基础计算标准模型风振响应的计算流程。将按照本文模型计算得到的广义力功率谱与高频底座力天平试验的结果作比较,结果吻合较好,证明了本文所提出模型的正确性。     

超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究

为避免中国现行《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）中所采用的风振系数仅考虑结构的1阶振型,而不考虑周围环境影响对体型不规则超高层建筑结构抗风设计造成的不合理性,采用风洞试验与风振动力响应计算分析相结合的方法,考虑结构不规则的影响以及相邻建筑的气动干扰和横风效应来获得超高层建筑结构抗风设计所需的顺风向和横风向的等效静风荷载和风致动力响应。结果表明：由于周围建筑的干扰,顺风向、横风向的风荷载规律与一般超高层建筑不同,其不利角度也与规范存在差异;所得结论为超高层建筑结构的抗风设计提供了依据和参考。     

横风向旋涡脱落共振响应分析及在规范上的应用

结构在风作用下 ,不但顺风向产生风振响应 ,而且横风向必然产生旋涡脱落风振。当横风向旋涡脱落频率与结构某阶自振频率一致时 ,结构产生极大的横风向共振 ,如不注意 ,结构将产生损坏或破坏 ,国内外有很多这类报导。本文基于国内外研究和规范资料 ,对本规范横风向共振依据的原理予以介绍 ,并对有关条文加以说明     

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。     

高层矩形建筑横风向风力特性试验研究

在边界层风洞中对10个典型超高层建筑模型进行测压试验,获得了测点层的顺风向、横风向和扭转方向的风荷载,整理了横风向风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数,分析了流场绕流的特点,总结了横风向风力对扭转的贡献。得到如下结论:选取分离点作为参考点时,横风向水平相关性随厚宽比增加变化较大,通过确定其零点位置可以定量确定再附点位置;横风向风力竖向相关性受所选基点位置影响程度较小;竖向相干性随厚宽比增大而降低;模型厚宽比大于1.5时,结构扭矩谱几乎全部由横风向贡献。     

典型超高层建筑风荷载频域特性研究

在边界层风洞中对10个典型超高层建筑模型进行了测压试验,获得了测点层的顺风向、横风向和扭转风荷载,对风荷载的功率谱、相关系数和水平、竖向相干函数进行了细致分析。得出以下结论:方形建筑阻力系数谱的峰值频率基本上与来流纵向风谱保持一致,升力系数谱的频带随着地面粗糙度的增大而变宽,能量减小,扭矩系数功率谱的能量随紊流度的增加而增加;矩形建筑长边迎风时,升力和扭矩系数谱均表现出很强的旋涡脱落特征,斯特罗哈数约为0.11,短边迎风时,升力和扭矩系数谱的频带明显变宽,峰值频率降低;升力和扭矩系数的相关性比较强,而阻力系数和升力系数、扭矩系数之间的相关性则相对小些;在旋涡脱落频率附近,升力系数和扭矩系数的相干性都明显增强。     

基于极值相关性的超高层建筑风荷载组合研究

为研究不同长宽比超高层建筑三维风荷载组合,通过高频测力天平风洞试验得到了5种长宽比的矩形超高层建筑基底剪力、弯矩和扭矩时程。基于试验数据和计算结果,分析了三维风荷载效应的分布及其极值相关性。在此基础上,对比分析了不同长宽比的超高层建筑顺风向与横风向、顺风向与扭转向以及横风向与扭转向之间的风荷载效应极值分布规律和统计参数。最后,采用概率统计方法评估了不同长宽比对结构三维风荷载组合系数的影响,并给出了一组基于极值相关性分析的结构三维风荷载组合系数推荐值。结果表明:对于超高层建筑,虽然不同方向风荷载效应之间相关系数可能很低,但其三维风荷载效应极值相关性不可忽略;以横风向或扭转向为主方向进行组合时,其余方向同步比值存在明显的非高斯分布特性;对于不同长宽比超高层建筑,其极值相关性的差异会导致组合系数存在差别,在确定风荷载组合方法时,应考虑长宽比的影响。     

基于大涡模拟的三维高层建筑结构气弹响应数值模拟

以宽高比为1∶6的方形截面高层建筑为研究对象,采用弱耦合分区交错算法,流体域采用大涡模拟方法,进行了紊流边界层风场内三维高层建筑结构多自由度模型的气弹数值模拟,计算中考虑了来流紊流,以及结构的顺、横风向响应。将结构静止时大涡模拟结果与刚性模型测压风洞试验进行比较,验证了该方法在准确预测结构风荷载方面的可行性。通过与气弹模型风洞试验结果的比较表明,本文数值分析方法可用于求解风与结构的相互作用,且具有较高的精度。进行了高折减风速下的气弹数值模拟,研究了结构顶部顺、横风向位移响应随折减风速的变化规律。结果表明：结构风振气弹响应主要为来流紊流引起的顺风向抖振和旋涡脱落引起的横风向涡激振动;折减风速较小时,结构顺、横风向位移振幅相当,且位移响应均相对较小;随着折减风速的增加,结构位移响应增大,横风向涡激振动逐渐占据主导地位,并经历了从“拍”到“涡激共振”的转化。     

基于完全气弹模型风洞试验输电塔风荷载识别

按照基本缩尺律,设计、制作了输电塔完全气弹模型,并通过大气边界层风洞试验,测试了多种风速、风向条件下输电塔的位移与加速度响应。通过加速度响应功率谱识别出结构的固有频率,并采用Hilbert-Huang变换结合随机减量法识别出包含结构阻尼和气动阻尼的结构总阻尼。利用虚拟激励法建立了由测点位移响应来识别结构顺风向、横风向风荷载的方法。由识别出的风荷载谱曲线,利用非线性最小二乘法拟合得到输电塔顺风向、横风向风荷载经验公式。研究结果表明：风洞试验设计、制作的输电塔气弹模型,测试得到的模型第1阶自振频率与有限元计算结果吻合较好;横风向荷载谱形态与顺风向的相比有较大的区别,其能量分布在一个更宽的频带上,其峰值频率是顺风向的3～4倍。     

不规则高层建筑抗风静动力荷载分析和舒适度验算的软件开发

介绍了软件开发的背景、内容和原理.其内容包括不规则高层建筑顺风向静动力水平风荷载的分析和顺风向、横风向、扭转风向最大加速度的计算及人体舒适度的验算,同时软件具有前后处理功能,用户使用方便.     

Across-wind loads of typical tall buildings

Previous studies have indicated that the across-wind dynamic responses of super-tall buildings are usually larger than the along-wind ones. With the increase of heights, the across-wind dynamic response of super-tall buildings has been a problem of great concern. In this paper, 15 typical tall building models are tested with high-frequency force balance technique in a wind tunnel to obtain the first-mode generalized across-wind dynamic forces. New formulas for the power spectra of the across-wind dynamic forces, the coefficients of base moment and shear force are then derived. Parametric analyses of the effects of factors on the across-wind loads of the buildings are performed. Besides, a SDOF aeroelastic model of a square tall building with an aspect ratio of 6 is selected from the above buildings and is tested to investigate its across-wind dynamic response and aerodynamic damping characteristics. The power spectrum of the across-wind force of the square building is employed to compute its across-wind dynamic responses with and without considering the effect of the aerodynamic damping. The computed responses are then compared with the corresponding responses from the aeroelastic model test to verify the present formulas of the across-wind loads of buildings.     

桅杆结构风洞试验研究

本文介绍了国内首次桅杆结构风洞试验,记录了格构式和单筒式桅杆模型的自振特性和风振响应测试结果。试验结果表明：①桅杆结构的非线性程度随风速的增大而增强;②桅杆结构在风振计算中应考虑多阶振型的影响,随着风速的加大,高振型的贡献增加;③在顺风荷载作用下,桅杆结构可能出现横风共振和混沌现象。     

三边形桅杆风荷载谱模型试验研究

对三边形格构式桅杆进行了均匀流和两种紊流下的高频测力天平风洞试验,得到了顺风向、横风向和扭转向的气动力系数以及脉动风荷载谱。采用基于风速谱的数学模型对顺风向脉动风荷载谱进行拟合,验证了该经验公式在不同流场下的适用性。根据试验所得横风向和扭转向脉动风荷载功率谱曲线的特点,建立由紊流激励和旋涡脱落激励两部分组成的谱函数数学模型,最小二乘法拟合结果与风洞试验结果吻合良好。横风向脉动风荷载谱以紊流激励为主,紊流强度15%时旋涡脱落激励贡献仅占10%,扭转向脉动风荷载谱中旋涡脱落激励贡献明显增大,达到40%。