高層建筑第三講-結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì).ppt

1、高 層 建 筑 結(jié) 構(gòu) 概 念 設(shè) 計(jì),第三章 抗 風(fēng) 設(shè) 計(jì),風(fēng)荷載概述,本章主要內(nèi)容,基本風(fēng)壓,風(fēng)壓高度變化系數(shù),風(fēng)載體型系數(shù),順風(fēng)向橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng),風(fēng)振不適感的控制,風(fēng)工程學(xué)簡(jiǎn)述,國(guó)外從1879年塔科馬橋風(fēng)毀以后開(kāi)始風(fēng)工程研究，至今只有60多年，我國(guó)研究不到20年。,風(fēng)工程研究近年在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，已形成一門(mén)新興學(xué)科，國(guó)際風(fēng)工程學(xué)會(huì)和中國(guó)風(fēng)工程學(xué)會(huì)分別于上世紀(jì) 60 年代和 80 年代成立。,風(fēng)工程學(xué),建筑風(fēng)工程是一門(mén)綜合性學(xué)科，涉及氣象學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)及氣動(dòng)彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程學(xué)、振動(dòng)工程學(xué)等多門(mén)學(xué)科。,風(fēng)工程學(xué),近年來(lái)我國(guó)已建造并將繼續(xù)建造大量的大型風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括大跨橋梁、超高

2、層建筑和高聳結(jié)構(gòu)以及大跨空間結(jié)構(gòu)等。風(fēng)荷載是控制這些大型結(jié)構(gòu)安全性和使用性設(shè)計(jì)的主要因素。,風(fēng)工程研究方法,大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)最直接、最有效,風(fēng)洞數(shù)值模擬費(fèi)用低、效率高,風(fēng)工程學(xué),橋梁抗風(fēng)、建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、建筑風(fēng)環(huán)境,國(guó)內(nèi)風(fēng)工程研究主要集中在高等院校，如同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)、西南交通大學(xué)和汕頭大學(xué)等，國(guó)內(nèi)風(fēng)工程研究在國(guó)際上的影響正在增大。,風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞模型試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)研究中的一項(xiàng)重要手段，它與構(gòu)筑物足尺實(shí)例是相輔相成的兩個(gè)方面，當(dāng)結(jié)構(gòu)物未建成或無(wú)條件進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)，模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)則是進(jìn)行研究的唯一手段。通過(guò)對(duì)各種特殊體型的高層、超高層建筑及建筑群的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，可為設(shè)計(jì)提合理的參數(shù)，使擬建的建筑物安全可

3、靠，經(jīng)濟(jì)合理。,風(fēng)洞試驗(yàn),當(dāng)風(fēng)洞尺寸達(dá)到寬度為24米、高為23米，長(zhǎng)為530米時(shí)一般可以滿(mǎn)足要求。,風(fēng)洞試驗(yàn),建筑物的風(fēng)洞試驗(yàn)要求在風(fēng)洞中能實(shí)現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)的平均風(fēng)剖面、紊流和自然流動(dòng)，即要求模擬風(fēng)速隨高度的變化。,風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞試驗(yàn),同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,TJ-1號(hào)風(fēng)洞：直流閉口式低速風(fēng)洞。試驗(yàn)段尺寸為1.8m寬、1.8m高、14m長(zhǎng)。距試驗(yàn)段入口10.5m處設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)，用于改變模型的方位角。試驗(yàn)風(fēng)速范圍從0.5m/s30.0m/s連續(xù)可調(diào)。流場(chǎng)性能良好，試驗(yàn)區(qū)流場(chǎng)的速度不均勻性小于2%、湍流度小于1%、平均氣流偏角小于0.2。,風(fēng)洞試驗(yàn),湖南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,湖南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室

4、,風(fēng)洞試驗(yàn),同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞：試驗(yàn)段尺寸為3m寬、2.5m高、15m長(zhǎng)。空風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速范圍為0.5m/s68m/s，風(fēng)洞配有自動(dòng)調(diào)速、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，建筑結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)盤(pán)直徑為 1.8m，其轉(zhuǎn)軸中心距試驗(yàn)段進(jìn)口為10.5m。流場(chǎng)性能良好，試驗(yàn)區(qū)均勻流場(chǎng)的速度不均勻性小于1%、湍流度小于0.46%、平均氣流偏角小于0.5。,同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,TJ-3大氣邊界層風(fēng)洞：豎向回流式低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸為2m高15m寬14m長(zhǎng)，其規(guī)模在同類(lèi)邊界層風(fēng)洞中居世界第二位。在試驗(yàn)段底板上的轉(zhuǎn)盤(pán)直徑為 4.8m，其轉(zhuǎn)軸中心距試驗(yàn)段進(jìn)口為10.5m。并列的7臺(tái)風(fēng)扇由直流

5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)額定功率為45千瓦，額定轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。試驗(yàn)風(fēng)速范圍從0.2m/s17.6m/s 連續(xù)可調(diào)。流場(chǎng)性能良好，試驗(yàn)區(qū)流場(chǎng)的速度不均勻性小于2% 、湍流度小于2% 、平均氣流偏角小于0.2。,汕頭大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室,風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞模型,風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞模型,剛性壓力模型,氣動(dòng)彈性模型,剛性高頻力平衡模型,風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞模型,剛性壓力模型,最常用,用來(lái)量測(cè)表面風(fēng)壓力,確定風(fēng)荷載建筑比例約為1:3001:500一般采用有機(jī)玻璃壓力傳感器測(cè)的平均壓力和波動(dòng)壓力試驗(yàn)時(shí)間約為60秒,相應(yīng)實(shí)際時(shí)間1小時(shí),風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞模型,氣動(dòng)彈性模型,可精確考慮結(jié)構(gòu)的柔度和自振頻率，阻尼的影響高寬比大于，需要

6、考慮舒適度的高柔建筑采用模型制作麻煩，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng),風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞模型,剛性高頻力平衡模型,一輕質(zhì)材料的模型固定在高頻反應(yīng)的力平衡系統(tǒng)上，可得到風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)需要有能模擬結(jié)構(gòu)剛度的基座桿或高頻力平衡系統(tǒng),風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)洞試驗(yàn),香港青馬大橋全橋氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn),英國(guó)千年橋橋址風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn),香港火車(chē)站風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn),風(fēng)壓數(shù)值模擬,風(fēng)壓數(shù)值模擬,風(fēng)壓數(shù)值模擬,風(fēng)壓數(shù)值模擬,風(fēng)壓數(shù)值模擬,風(fēng)壓數(shù)值模擬,風(fēng)壓數(shù)值模擬,風(fēng)壓數(shù)值模擬,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的作用從自然風(fēng)所包含的成分看包括平均風(fēng)作用和脈動(dòng)風(fēng)作用，從結(jié)構(gòu)的響應(yīng)來(lái)看包括靜態(tài)響應(yīng)和風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)。平均風(fēng)既可引起結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng)，又可引起結(jié)構(gòu)

7、的橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)。脈動(dòng)風(fēng)引起的響應(yīng)則包括了結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)、順風(fēng)向和橫風(fēng)向的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)。當(dāng)這些響應(yīng)的綜合結(jié)果超過(guò)了結(jié)構(gòu)的承受能力時(shí)，結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞。,對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)的破壞 橋梁結(jié)構(gòu)的破壞 對(duì)輸電系統(tǒng)等生命線工程的破壞 對(duì)廣告牌、標(biāo)語(yǔ)牌等的破壞 對(duì)港口設(shè)施的破壞 對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,被颶風(fēng)卡特里娜嚴(yán)重?fù)p壞的新奧爾良多層建筑,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,窗戶(hù)被颶風(fēng)卡特里娜嚴(yán)重?fù)p壞的新奧爾良凱悅酒店,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,臺(tái)風(fēng)約克造成的香港灣仔數(shù)幢大廈玻璃幕墻損壞情況,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞

8、,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物的破壞,風(fēng)荷載概述,結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究對(duì)象和內(nèi)容廣泛。從結(jié)構(gòu)方面來(lái)看，涉及到低矮建筑、大跨度建筑結(jié)構(gòu)、高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)、橋梁、海洋工程結(jié)構(gòu)等； 從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，涉及到風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力作用、風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)、風(fēng)振控制等，不同的研究?jī)?nèi)容在不同的結(jié)構(gòu)上往往又有不同的體現(xiàn)。,風(fēng)荷載概述,當(dāng)風(fēng)以一定速度吹響建筑物時(shí)，建筑物將對(duì)其產(chǎn)生阻塞和擾動(dòng)作用，從而改變?cè)摻ㄖ镏車(chē)L(fēng)的流動(dòng)特性。反過(guò)來(lái)，風(fēng)的這種流動(dòng)特性改變引起的空氣動(dòng)力效應(yīng)將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用。 由于自然風(fēng)的紊流特性，因此風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的這種作用包含了靜力作用和動(dòng)力作用兩個(gè)方面，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的靜力和動(dòng)力響應(yīng)。,風(fēng)荷載概述,風(fēng)不僅對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)

9、生靜力作用，還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力作用，引起高層建筑、各類(lèi)高塔和煙囪等高聳結(jié)構(gòu)、大跨度纜索承重橋梁、大跨度屋頂或屋蓋、燈柱等許多柔性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)力荷載，甚至引起破壞。 結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)在很大程度上依賴(lài)于結(jié)構(gòu)的外形、剛度（或柔度）、阻尼和質(zhì)量特性。 不同的外形將引起不同的風(fēng)致動(dòng)力荷載。 結(jié)構(gòu)剛度越小，柔性越大，則其風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)就越大。 結(jié)構(gòu)的阻尼越高，其風(fēng)致振動(dòng)的響應(yīng)也就越小。 風(fēng)致振動(dòng)減振措施研究一般也是從這四方面著手。,風(fēng)荷載概述,風(fēng)壓基本特點(diǎn),紊亂性和隨機(jī)性,迎風(fēng)面壓力，背風(fēng)面吸力,風(fēng)壓的不確定性,風(fēng)荷載概述,風(fēng)荷載概述,風(fēng)荷載概述,風(fēng)荷載概述,風(fēng)壓對(duì)高樓的危害,1.隔墻開(kāi)裂,甚至主體結(jié)構(gòu)破壞,

10、2.疲勞,失穩(wěn)破壞,3.裝飾物和玻璃幕墻破壞,4.擺動(dòng)使居住者感到不適不安,風(fēng)荷載概述,風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用,順風(fēng)向:平均風(fēng)(靜力)和陣風(fēng)脈動(dòng)風(fēng)(動(dòng)力),橫風(fēng)向:周期性振動(dòng)（周期荷載)和隨機(jī)性振動(dòng)(隨機(jī)荷載）,風(fēng)的雙重性,細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu),橫風(fēng)向可能產(chǎn)生很大的動(dòng)力效應(yīng).,風(fēng)荷載概述,風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作用,計(jì)算方法,穩(wěn)定風(fēng)-靜力即結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,脈動(dòng)風(fēng)（順風(fēng)向和橫風(fēng)向）- 動(dòng)力隨機(jī)振動(dòng)理論,橫風(fēng)向周期性風(fēng)力-動(dòng)力計(jì)算(確定性荷載),基本風(fēng)壓,采用較長(zhǎng)時(shí)間的平均風(fēng)速而不是瞬時(shí)風(fēng)速，作為確定風(fēng)壓和衡量風(fēng)災(zāi)的依據(jù)。,基本風(fēng)速：針對(duì)特定高度處并按特定條件來(lái)分析平均風(fēng)速。,標(biāo)準(zhǔn)高度：10米。,標(biāo)準(zhǔn)地貌：空曠平坦地面。,標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距

11、：10分鐘。,重現(xiàn)期：30年和50年。,基本風(fēng)壓,基本風(fēng)速：取當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面上離地10米高處，統(tǒng)計(jì)所得30年一遇的10分鐘平均最大風(fēng)速。,基本風(fēng)壓：,風(fēng)壓高度變化系數(shù),地表對(duì)風(fēng)的摩擦作用，使接近地表的風(fēng)速隨離地面高度的降低而減小。300500米以上后影響不大.,地表粗糙度不同，風(fēng)速變化的快慢也不相同,開(kāi)闊場(chǎng)地比城市中心更快達(dá)到梯度風(fēng)速,同一高度處風(fēng)速，城市中心比開(kāi)闊場(chǎng)地小,根據(jù)地面粗糙類(lèi)別和離地面高度確定風(fēng)壓高度變化系數(shù),風(fēng)載體形系數(shù),為把近地風(fēng)的風(fēng)速壓轉(zhuǎn)換為建筑物表面的風(fēng)壓-氣流繞過(guò) 需要采用一定的修正系數(shù)風(fēng)載體形系數(shù)。,要完全理論上來(lái)確定受氣流影響的物體表面的壓力,目前還做不到. 體

12、型復(fù)雜、高柔建筑物的風(fēng)載體形系數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)確定 周?chē)h(huán)境復(fù)雜應(yīng)按風(fēng)洞試驗(yàn)確定,風(fēng)載體形系數(shù)主要與建筑物體形有關(guān):建筑物平面形狀和建筑物立面平整度.,自 學(xué),順、橫風(fēng)向振動(dòng),順風(fēng)向振動(dòng):用概率論的法則來(lái)描述,雖不能夠定出某一時(shí)刻反應(yīng)的確定值,卻可以分析出該時(shí)刻取某值的保證率的可能性.,橫風(fēng)向振動(dòng):由不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力引起,比較復(fù)雜,高樓和高塔影響較大.,隨著房屋高度增加，在強(qiáng)風(fēng)作用下，高樓(高層鋼結(jié)構(gòu))所產(chǎn)生的振動(dòng)，使人不舒適，所以高樓的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，不僅要滿(mǎn)足強(qiáng)度、變形和傾覆穩(wěn)定方面的要求，而且還要使高樓在順風(fēng)向振動(dòng)、橫風(fēng)向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制在不使居住者產(chǎn)生不適感的容許限度內(nèi)。,風(fēng)振不適感的控制,

13、世界上首先提出舒適感與房屋頂層加速度關(guān)系的是加拿大的達(dá)文波特教授，國(guó)內(nèi)的研究很少。,風(fēng)振不適感的控制,目前的計(jì)算建筑物頂層加速度的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。,一、衡量不適感的尺度1、人體對(duì)運(yùn)動(dòng)的承受 1970年，美國(guó)波士頓一座高樓在0.98KN/m2風(fēng)壓下， /H1/700，人卻感到不適。 說(shuō)明用 /H來(lái)控制側(cè)移，并不能概括人體對(duì)運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)和耐受程度。,風(fēng)振不適感的控制,研究表明：人體感覺(jué)器官不能覺(jué)察所在位置的絕對(duì)位移和速度，只能感受到它們的相對(duì)變化。 線性加速度是由人內(nèi)耳中的耳石察覺(jué)到的，局部加速度則是耳內(nèi)的半規(guī)官感覺(jué)的。 所以，加速度（線性加速度和角加速度）是衡量人體對(duì)高樓風(fēng)振感受的

14、最好尺度。,風(fēng)振不適感的控制,而=4*A/(T*T) 所以A(振幅)和T(自振周期)是表征加速度的重要指標(biāo)。,風(fēng)振不適感的控制,2、人體風(fēng)振反應(yīng)的分級(jí) a、按振幅和周期分級(jí) A、無(wú)感覺(jué) B、有感覺(jué) C、令人煩躁 D、令人非常煩躁 E、無(wú)法承受 b 、按加速度分級(jí) A、B、C、D、E,風(fēng)振不適感的控制,二、實(shí)際建筑物的加速度響應(yīng)1.紐約帝國(guó)大廈（103層，鋼結(jié)構(gòu)） 2.紐約世貿(mào)大廈（110層，鋼結(jié)構(gòu)）3.芝加哥湖濱廣場(chǎng)大廈4.金貿(mào)大廈 10年重現(xiàn)期加速度為0.009g0.013g 1年重現(xiàn)期加速度為0.003g0.005g,風(fēng)振不適感的控制,三、風(fēng)振加速度限值 1.歐洲: 2.加拿大 0.01g0.03g(公寓取下限,辦公取上限)3.中國(guó) 公寓:0.02g 公共建筑:0.03g,風(fēng)振不適感的控制,三、風(fēng)振加速度的計(jì)算1.風(fēng)荷載重現(xiàn)期對(duì)于承載力計(jì)算取30年.我國(guó)對(duì)于風(fēng)振加速度的驗(yàn)算未具體規(guī)定.加拿大取10年2.驗(yàn)算項(xiàng)目順風(fēng)向加速度、橫風(fēng)向加速度、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)加速度,風(fēng)振不適感的控制,三、風(fēng)振加速度的計(jì)算3.基本計(jì)算公式僅考慮按基本振型振動(dòng)時(shí)的加速度驗(yàn)算4.實(shí)用計(jì)算公式,風(fēng)振不適感的控制,四、減少風(fēng)振加速度的途徑1.合理的建筑體形 a.流線形平面（圓形或橢圓、平面切角) b.截錐狀體形(減小風(fēng)荷載和增加抗推剛度) c.不大的高寬比 d.透