(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)作用下由于脈動風(fēng)的影響將產(chǎn)生振動,這種振動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,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 限制在人體舒適的感覺范圍之內(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 ,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)速在該長時(shí)距中起不到顯著作用 , 其值一般 偏低一般來說,時(shí)距愈短 ,

3、平均風(fēng)速愈大 ,時(shí)距愈長 ,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象不會出現(xiàn)異常風(fēng)的 氣候,稱為良態(tài)氣候 對十這種氣候 ,我們可以認(rèn)為年最大風(fēng)速的每一個(gè)數(shù)據(jù)都對 極值的概率特性起作用 ,因此,世界上許多國家把年最大風(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,或者稱為基本風(fēng)速 我國規(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 對于

4、多層建筑和高層 建筑的風(fēng)致響應(yīng)問題 ,連續(xù)體系 ,采用隨機(jī)振動理論進(jìn)行分析。從結(jié)構(gòu)工程師的角度來看 ,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) 范在過去的規(guī)范制定過程中,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)主要國家的風(fēng)荷載 規(guī)范都開始發(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;中國規(guī)范則對圓截面高聳結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向響應(yīng)的驗(yàn)算范圍做了規(guī)定 ,并給出了簡化的橫風(fēng)向等效風(fēng)荷載表達(dá)式 在過去十年中 ,各國規(guī)范基本沒有大的變化 ,因此相關(guān)的研究工作主要集中十對 現(xiàn)行規(guī)范的認(rèn)識和解釋上 在目前的各國規(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 :英國和加拿大用小時(shí)平均 ;150 標(biāo)準(zhǔn) ! 歐洲規(guī)范 !中國規(guī)范和日本規(guī)范都采用 10 分鐘平均;美國規(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 各國風(fēng)荷載規(guī)范均只適用于線彈性 !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)通過風(fēng)洞試驗(yàn)來確定結(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的風(fēng)洞中進(jìn)行剛性測壓試驗(yàn) ,獲得建筑物各測點(diǎn)處 在不同風(fēng)向角作用下的風(fēng)壓系數(shù) 其次采用高頻動態(tài)天平技術(shù)進(jìn)行測力試驗(yàn),測出基底氣動力系數(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)程分析動力響應(yīng) 分析最后通過比較試驗(yàn)結(jié)果和軟件計(jì)算結(jié)果 ,綜合的對結(jié)構(gòu)的位移和舒適度進(jìn) 行評價(jià)分析針對較大的風(fēng)致響應(yīng)，超高層風(fēng)振控制方法主要有機(jī)械控制和流動控制。其 中，機(jī)械控制是從結(jié)構(gòu)角度入手通過增大結(jié)構(gòu)阻尼或適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量來降低高 層建筑的風(fēng)振響應(yīng)， 包括主動控制、 被動控制和混合控制。 流動控制是從流場角 度入手，利用流體之間的相互作用對建筑結(jié)構(gòu)邊界層分離和旋渦的形成及運(yùn)動進(jìn) 行控制，從而改善結(jié)構(gòu)繞流場，降低建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，提高其抗風(fēng)能力。流動 控制一般可以分為兩大類： 被動控制方式和主動控制方式。 被動方式主要通過

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)等來改善流場結(jié)構(gòu)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化 物體繞流的目的。 主動流動控制方式需要以外界供能的方式， 在流動環(huán)境中注入 合理的擾動， 從而改善結(jié)構(gòu)繞流場特性進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)氣動力。一直以來，被動流 動控制被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)的方式，然而被動流動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)甚至不如無控制狀態(tài)。 主動流動控制方 式需要外部供能， 對物體繞流流場控制具有控制目標(biāo)針對性更強(qiáng)， 綜合控制效果 好等優(yōu)點(diǎn)。2000 年，顧明等通過剛性模型風(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：方形截面的脈動氣動力最大， 而凹角、削角和三角形截面的模型氣動力都比較小，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)變化等對圓柱繞流場的影響，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)無關(guān)，流場表現(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，圓柱尺寸對于流場也有一定影響，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，秦云通過剛性模型風(fēng)洞測壓試驗(yàn)和數(shù)

10、值計(jì)算方法探討對超高層建筑模 型開洞率、布置位置和開洞形狀對其等效靜風(fēng)荷載的影響， 通過分析得到： 開洞 率越大建筑模型所受風(fēng)載面積越小對于抗超高層模型風(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)置小窄條對圓柱氣動力的控制效果， 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 二維靜止剛性方柱和彈性方柱尾流中注入角動量進(jìn)行控制， 探討了不同方式輸入 角動量與不同大小的輸入角動量的控制效果， 并從流場角度進(jìn)行分析驗(yàn)證了這種 主動控制方法的有效性。 吸氣是一種有效的主動流動控制手段， 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)后臺階和高層建筑的繞流場特性， 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