锥形超高层建筑脉动风载荷特性

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 锥形超高层建筑脉动风载荷特性 【摘要】在高层建筑设计中一个 重要组成部分就是风载荷设计，在提升 高超高层建筑抗风性能中，气动抗风措 施最为有效。锥形化高层建筑物由于其 横截面积随着建筑物高度的增加而呈现 出降低趋势，因此建筑锥形化是实现气 动抗风的有效措施。本文就是在研究超 高层建筑抗风基础上，进行了风洞试验， 对锥形超高层建筑风荷载特性进行了分 析。 中国论文网 /7/view-12850603.htm 【关键词】锥形超高层建筑；风 荷载；特性 当前，随着社会经济的快速发展， 城市化进程不断加速，城市土地资源日 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 趋紧张。为缓解城市居民居住压力，城 市建筑日趋向着高层化、立体化、紧凑 化发展1。但是，对于高层和超高层建 筑物来说，其结构柔性随着高度的增加 而增强，相应的其风载荷影响就愈大。 调查表明，高层和超高层建筑物受强风 作用而遭到结构破坏的实例日渐增多， 其主要原因是建筑物结构风载荷能力的 降低。可见，研究高层和超高层建筑物 抗风性能的一个关键点是对建筑物结构 风载荷特性的分析，其也是保障高层和 超高层建筑物结构舒适性和安全性的重 要基础之一。 一、超高层建筑物抗风性研究现 状 当前，对于超高层建筑物抗风性 研究的主要内容包括风载荷特性、风载 荷模型、风振响应、等效静风荷载、气 动抗风措施五个方面2。 （一）风载荷特性 通常情况下，建筑物受风载荷主 要分为横风向、顺风向、扭转向三种情 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 况。其中，横风向荷载主要是受气弹激 励、絮流激励和尾流激励三方面共同作 用而成；顺风向荷载则是由于迎风面与 被风面间产生的压差所致；扭转向荷载 是由于侧风面、背风面与迎风面三种风 面风压各不相同致不对称而形成。对于 高层或超高层建筑物来说，其控制性荷 载主要以横风向荷载为主。 通过刚性模型测压试验和高频天 平试验研究高层建筑气动力发现，横风 向风压谱主要包括宽带部分和窄带部分 两种。其中，回流区的分离流和重附着 对宽带部分影响较大，而涡脱影响着窄 带部分。当絮流促进重附着提前时，可 显著增加横风向脉动风压。 （二）风载荷模型 高层建筑横风向气动力谱数学模 型是由前期研究人员通过多点测压试验 等得出，其中以横风向基底弯矩谱、层 升力谱等为主，其主要由来流激励、尾 流激励、横风向絮流谱、尾流涡脱谱等 组成。同时，研究还发现，影响横风向 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 气动力谱的因素有长细比、厚宽比、湍 流强度等。横风向气动力谱模型如表 1 所示： （三）风振响应 研究高层建筑的风振相应主要包 括通过气弹试验直接研究风振相应法和 通过高频天平测力试验或多点测压试验 两种，其中以第二种研究为主。通过高 频天平测力试验或多点测压试验，依据 随机振动理论结合高层建筑风荷载信息 对其风振相应进行分析。 对于风振响应理论计算方法来说， 以时域法和频域法两种为主，通过选用 频域法对超高层建筑风振响应进行分析。 频域法主要以随机振动理论为基础，将 响应谱与脉动风荷载谱通过传递函数方 式建立联系，从而得出结构的均方根响 应。频域法不但可以直接得出风荷载特 性和结构特性对风振响的影响规律，而 且其物理概念清晰和计算效率高。 （四）等效静风荷载 所谓等效静风荷载，是指当这个 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 等效荷载作为一个静力荷载作用在结构 上时，它引起的某一响应与实际的风荷 载作用到该结构上时该响应的最大值一 致4。现在常用方法包括阵风荷载因子 法和中国规范采用的惯性力法，其中阵 风荷载因子法对脉动风对结构的放大作 用的反映常通过一个表示峰值响应与平 均响应比值的系数进行表示；中国规范 采用的惯性力法与阵风荷载因子法在等 效静风荷载分析的出发点不同，其主要 依据结构动力方程研究顶点位移出现最 大值时刻的真实外荷载分布形式，以此 作为结构的等效静风荷载。 （五）气动抗风措施 作为超高层建筑抗风研究的关键 问题，减少结构风振响应的措施主要以 加装阻尼器措施、气动抗风措施和结构 措施三方面，其中在建筑设计前期以气 动抗风措施为主，其原理主要是通过对 建筑气动外形进行改变，从而促进建筑 风荷载与风致效应的降低，具有较好的 经济适用性。当前，伴随着高层建筑结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 构的不断变化，在气动抗风中所采取的 措施也多种多样，主要包括：矩形截面 建筑角部处理措施、建筑立面开洞处理 措施、截面沿高度旋转措施5。 二、风洞试验 以刚性模型测压风洞研究为基础， 分析锥形超高层建筑风荷载特性，以明 确风荷载特性受建筑锥率影响6。 （一）风场模拟及试验模型 以刚性模型多点同步测压试验为 基础，风洞试验段长*宽*高 =15.0m*3.0m*2.5m。最大风速约为 45m/s，且连续可调。B 类风场比例为 1：400，利用挡板、粗糙元和尖劈进行 组合。B 类风场风剖面指数为 0.16，模 型顶部纵向湍流度为 7.5%。 （三）锥形高层建筑风荷载特性 对锥形高层建筑风荷载特性分析， 主要有以下几方面： （1）建筑结构受顺风向层风力 影响不同，通常建筑层数越高，其锥率 越大，则顺风向层风力随折减频率的增 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 加而衰减愈快，而随着建筑层数降低， 锥率减小，使得锥率对顺风向层风力谱 影响变小。总的来说，顺风向层风力系 数根方差受锥率影响较小。 （2）对于横风向层风力影响， 在超高层建筑上部位置，横风向层风力 谱受锥率影响较小。在超高层建筑中部 位置，随着锥率的增加，谱峰出现下降 趋势和带宽出现扩大趋势，同时谱峰所 对应的这件频率也相应增大。在超高层 建筑下部位置，随着锥率的增加，谱峰 出现下降趋势和带宽出现扩大趋势，而 谱峰对应的这件频率变化较小。 （3）横风向层风力谱随着建筑 层数的增加，其带宽日趋变大而谱峰日 趋降低，同时谱峰所对应的折减频率增 加幅度较小；在建筑下部 2/3 范围内， 随着锥率的增加，横风向层风力系数根 方差逐渐降低。 （4）在超高层建筑基底弯矩方 面，随着超高层建筑锥率的逐渐增加， 无论是顺风向基地弯矩谱，还是横风向 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 基底弯矩谱都呈现出下降趋势，而且在