(完整版)高層建筑在風(fēng)荷載作用下的相關(guān)研究

1、高層建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下由于脈動(dòng)風(fēng)的影響將產(chǎn)生振動(dòng),這種振動(dòng)有可能使在高層建筑內(nèi)生活或工作的人在心理上產(chǎn)生不舒適的感覺(jué),從而影響建筑物的正常使用 由于風(fēng)是一種經(jīng)常性的荷載作用 ,因此有必要將風(fēng)引起的高層建筑的振動(dòng) 限制在人體舒適的感覺(jué)范圍之內(nèi) 重現(xiàn)期的選擇也最大風(fēng)速樣本的取法影響著平 均風(fēng)速的數(shù)值 如果以口最大風(fēng)速為樣本 ,則一年有 365 個(gè)樣本 ,平時(shí)低風(fēng)速的口 子的風(fēng)速值占有很大的權(quán) ,而最大風(fēng)速那一天的風(fēng)速只占 1/365 的權(quán) ,因而最大風(fēng) 速重要性大大降低了 ,統(tǒng)計(jì)出的平均風(fēng)速必將大大偏低 如果采用月最大風(fēng)速 ,則 每年最大風(fēng)速在整個(gè)數(shù)列中也只占 1/12 的權(quán) ,也降低了最大風(fēng)速所起

2、的重要性 , 所得結(jié)果也是偏低的 對(duì)十工程結(jié)構(gòu)應(yīng)該能承受一年中任何口子的極大風(fēng)速,因此取年最大風(fēng)速為樣本 最大風(fēng)速有它的自然周期 ,每年季節(jié)性地重復(fù)一次 ,因而 采用年最大風(fēng)速作為一個(gè)樣本 ,較為合適 世界各國(guó)基本上是取年最大風(fēng)速作為 統(tǒng)計(jì)樣本的 平均風(fēng)的時(shí)距平均風(fēng)速的數(shù)值與時(shí)距的取值有很大的關(guān)系 如果時(shí)距取得很短 ,例如 3 秒鐘, 則必定將記錄中最大值附近的較大數(shù)據(jù)都突出反映在計(jì)算中,較低風(fēng)速在平均風(fēng)速中的作用難以得到反映 ,因而平均風(fēng)速值很高 如果取得很長(zhǎng) ,例如 1 天,則必定 將 1天中大量的小風(fēng)平均進(jìn)去 ,較高風(fēng)速在該長(zhǎng)時(shí)距中起不到顯著作用 , 其值一般 偏低一般來(lái)說(shuō),時(shí)距愈短 ,

3、平均風(fēng)速愈大 ,時(shí)距愈長(zhǎng) ,平均風(fēng)速也就愈小 風(fēng)速記錄 表明,陣風(fēng)的卓越周期約為 1min,通常認(rèn)為 10min（約 10 個(gè)周期）至 1 小時(shí)（約 60 個(gè) 周期,由于陣風(fēng)有較長(zhǎng)的持續(xù)性 ,衰減較慢 ）其平均值基本上是一個(gè)穩(wěn)定值 ,因而我 國(guó)規(guī)范規(guī)定以 10 分鐘作為取值標(biāo)準(zhǔn) 一般我們所研究的對(duì)象不會(huì)出現(xiàn)異常風(fēng)的 氣候,稱(chēng)為良態(tài)氣候 對(duì)十這種氣候 ,我們可以認(rèn)為年最大風(fēng)速的每一個(gè)數(shù)據(jù)都對(duì) 極值的概率特性起作用 ,因此,世界上許多國(guó)家把年最大風(fēng)速作為概率統(tǒng)計(jì)的樣本 由重現(xiàn)期和風(fēng)速的概率分布獲得該地區(qū)的設(shè)計(jì)最大風(fēng)速,或者稱(chēng)為基本風(fēng)速 我國(guó)規(guī)定基本風(fēng)速采用極值 I 型概率分布函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)于

4、多層建筑和高層 建筑的風(fēng)致響應(yīng)問(wèn)題 ,連續(xù)體系 ,采用隨機(jī)振動(dòng)理論進(jìn)行分析。從結(jié)構(gòu)工程師的角度來(lái)看 ,獲取設(shè)計(jì)風(fēng)荷載信息的最有效途徑就是風(fēng)荷載規(guī) 范在過(guò)去的規(guī)范制定過(guò)程中,盡管表達(dá)形式有所不同 ,但其基本依據(jù)均為Davenport 提出的陣風(fēng)荷載因子方法 如前所述 ,這類(lèi)方法只適用于順風(fēng)向響應(yīng)及 等效風(fēng)荷載的計(jì)算 ,因此 ,隨著風(fēng)工程的不斷發(fā)展 ,世界上各個(gè)主要國(guó)家的風(fēng)荷載 規(guī)范都開(kāi)始發(fā)展 （在初步設(shè)計(jì)階段 ）估算橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)方向動(dòng)態(tài)響應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式在目前應(yīng)用的規(guī)范中 ,只有日本規(guī)范包含順橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)方向響應(yīng)的內(nèi)容;澳大利業(yè)規(guī)范 !加拿大規(guī)范則只有順風(fēng)向和橫風(fēng)向響應(yīng)。美國(guó)和歐洲規(guī)范只考慮了順風(fēng)向

5、響應(yīng)的計(jì)算方法;中國(guó)規(guī)范則對(duì)圓截面高聳結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向響應(yīng)的驗(yàn)算范圍做了規(guī)定 ,并給出了簡(jiǎn)化的橫風(fēng)向等效風(fēng)荷載表達(dá)式 在過(guò)去十年中 ,各國(guó)規(guī)范基本沒(méi)有大的變化 ,因此相關(guān)的研究工作主要集中十對(duì) 現(xiàn)行規(guī)范的認(rèn)識(shí)和解釋上 在目前的各國(guó)規(guī)范中 ,一般都有考慮地形和地貌粗糙 度的參數(shù),且地貌通常分為 3 到 5 類(lèi)所有規(guī)范均以平坦地貌的 10 米高度作為參 考高度 ,但各個(gè)規(guī)范使用的時(shí)距則有所不同 :英國(guó)和加拿大用小時(shí)平均 ;150 標(biāo)準(zhǔn) ! 歐洲規(guī)范 !中國(guó)規(guī)范和日本規(guī)范都采用 10 分鐘平均;美國(guó)規(guī)范則用 3 秒陣風(fēng);澳大 利業(yè)也是采用 3 秒陣風(fēng),但在澳大利業(yè)規(guī)范中 ,將 3 秒陣風(fēng)轉(zhuǎn)換成了小時(shí)平均風(fēng)

6、速 用十動(dòng)態(tài)壓力和陣風(fēng)因子的計(jì)算 #5此外 ,除澳大利亞規(guī)范外 ,其他各國(guó)規(guī)范在考 慮風(fēng)荷載時(shí) ,通常忽略了二次項(xiàng)的影響 各國(guó)風(fēng)荷載規(guī)范均只適用于線(xiàn)彈性 !形狀 規(guī)則的結(jié)構(gòu) ,且未考慮不同方向振型的藕合 ,對(duì)于一些重要或體型特別的結(jié)構(gòu) ,各 規(guī)范均明確指出應(yīng)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)確定結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和風(fēng)致效應(yīng)根據(jù)相似性原理 的原則 ,在模擬大氣邊界層流場(chǎng)的風(fēng)洞中進(jìn)行剛性測(cè)壓試驗(yàn) ,獲得建筑物各測(cè)點(diǎn)處 在不同風(fēng)向角作用下的風(fēng)壓系數(shù) 其次采用高頻動(dòng)態(tài)天平技術(shù)進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn),測(cè)出基底氣動(dòng)力系數(shù) ,接著計(jì)算出各層等效風(fēng)荷載 ,與頂層最大加速度值 然后利用MATLAB 數(shù)據(jù)處理軟件，將風(fēng)壓時(shí)程轉(zhuǎn)換為風(fēng)荷載時(shí)程再而使用大

7、型有限元軟件,建立有限元模型并計(jì)算等效風(fēng)荷載作用下的位移響應(yīng)和進(jìn)行時(shí)程分析動(dòng)力響應(yīng) 分析最后通過(guò)比較試驗(yàn)結(jié)果和軟件計(jì)算結(jié)果 ,綜合的對(duì)結(jié)構(gòu)的位移和舒適度進(jìn) 行評(píng)價(jià)分析針對(duì)較大的風(fēng)致響應(yīng)，超高層風(fēng)振控制方法主要有機(jī)械控制和流動(dòng)控制。其 中，機(jī)械控制是從結(jié)構(gòu)角度入手通過(guò)增大結(jié)構(gòu)阻尼或適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量來(lái)降低高 層建筑的風(fēng)振響應(yīng)， 包括主動(dòng)控制、 被動(dòng)控制和混合控制。 流動(dòng)控制是從流場(chǎng)角 度入手，利用流體之間的相互作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)邊界層分離和旋渦的形成及運(yùn)動(dòng)進(jìn) 行控制，從而改善結(jié)構(gòu)繞流場(chǎng)，降低建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，提高其抗風(fēng)能力。流動(dòng) 控制一般可以分為兩大類(lèi)： 被動(dòng)控制方式和主動(dòng)控制方式。 被動(dòng)方式主要通過(guò)

8、改 變建筑結(jié)構(gòu)的外形， 如截面形狀或添加輔助結(jié)構(gòu)等來(lái)改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化 物體繞流的目的。 主動(dòng)流動(dòng)控制方式需要以外界供能的方式， 在流動(dòng)環(huán)境中注入 合理的擾動(dòng)， 從而改善結(jié)構(gòu)繞流場(chǎng)特性進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力。一直以來(lái)，被動(dòng)流 動(dòng)控制被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的方式，然而被動(dòng)流動(dòng)控制方式依然存在許多缺點(diǎn)， 例如 控制效果尚不容易令人滿(mǎn)意 ,控制效果僅在有限的范圍內(nèi)良好，倘若現(xiàn)實(shí)狀態(tài)和 所設(shè)計(jì)得控制狀態(tài)有出入時(shí)， 有控制狀態(tài)甚至不如無(wú)控制狀態(tài)。 主動(dòng)流動(dòng)控制方 式需要外部供能， 對(duì)物體繞流流場(chǎng)控制具有控制目標(biāo)針對(duì)性更強(qiáng)， 綜合控制效果 好等優(yōu)點(diǎn)。2000 年，顧明等通過(guò)剛性模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到了不同橫截面形狀的

9、超高層 建筑模型的順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)荷載，試驗(yàn)表明：方形截面的脈動(dòng)氣動(dòng)力最大， 而凹角、削角和三角形截面的模型氣動(dòng)力都比較小，尤其是三角形截面模型的 風(fēng)荷載最小。 2003 年，李椿萱等采用數(shù)值計(jì)算方法探索了在圓柱尾流區(qū)域 布置小圓柱的方位、個(gè)數(shù)、直徑以及雷諾數(shù)變化等對(duì)圓柱繞流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn) 當(dāng)小雷諾數(shù)且小圓柱布置在一定控制方位時(shí)，渦街可以被完全控制住并且與圓 柱個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)，流場(chǎng)表現(xiàn)為準(zhǔn)定常狀態(tài)，并伴隨著阻力系數(shù)的下降，隨著雷諾數(shù) 的增大，控制效果最好布置區(qū)域越小，圓柱尺寸對(duì)于流場(chǎng)也有一定影響，此外， 兩個(gè)小圓柱和一個(gè)相比能將控制渦脫的雷諾數(shù)范圍擴(kuò)大。2004 年，秦云通過(guò)剛性模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)和數(shù)

10、值計(jì)算方法探討對(duì)超高層建筑模 型開(kāi)洞率、布置位置和開(kāi)洞形狀對(duì)其等效靜風(fēng)荷載的影響， 通過(guò)分析得到： 開(kāi)洞 率越大建筑模型所受風(fēng)載面積越小對(duì)于抗超高層模型風(fēng)能力的提高就越明顯， 在 受風(fēng)比較大的位置開(kāi)洞更有利于減小建筑風(fēng)荷載。 2006 年，邵傳平等研究了在 圓柱尾流設(shè)置小窄條對(duì)圓柱氣動(dòng)力的控制效果， 發(fā)現(xiàn)將小窄條置于尾流某個(gè)區(qū)域 內(nèi)時(shí)，可以明顯抑制圓柱尾流的渦脫， 顯著降低尾流的湍流度， 最后給出了不同 雷諾數(shù)下有效抑制旋渦脫落的窄條位置區(qū)域。 2009 年，徐楓利用 CFD 手段對(duì) 二維靜止剛性方柱和彈性方柱尾流中注入角動(dòng)量進(jìn)行控制， 探討了不同方式輸入 角動(dòng)量與不同大小的輸入角動(dòng)量的控制效果， 并從流場(chǎng)角度進(jìn)行分析驗(yàn)證了這種 主動(dòng)控制方法的有效性。 吸氣是一種有效的主動(dòng)流動(dòng)控制手段， 最早的研究是在 航空領(lǐng)域， 學(xué)者們利用吸氣方法對(duì)機(jī)翼進(jìn)行減阻增升， 獲得了較好的效果。 2008 年，辛大波等首先將吸氣方法引入到土木工程領(lǐng)域， 采用定常吸氣的方式有效地 抑制了橋梁主梁斷面邊界層的分離， 改善橋梁主梁的顫振穩(wěn)定性。 之后，鄭朝榮 等采用數(shù)值模擬的方法探討了在均勻吸氣時(shí)后臺(tái)階和高層建筑的繞流場(chǎng)特性， 驗(yàn) 證了定常吸氣的控制效果。直接建模方法就是在建模時(shí)直接定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位