应用高层建筑结构在风荷载作用下的振动分析1

16/16高层建筑结构在风荷载作用下的振动分析［1］致振动。脉动风压是由于大气的湍流运动形成的动荷载。建筑物周围脉动风压作用见图３[4］。致振动。脉动风压是由于大气的湍流运动形成的动荷载。建筑物周围脉动风压作用见图3［4］。第３４卷第2４期山西建筑Vol。３4Ｎo．2４·８6·２００８年8月SHANXIARCHITECTUREAuｇ.2008·结构·抗震·文章编号：１0092６825（2008）24200862０２高层建筑结构在风荷载作用下的振动分析秦力张学礼徐德永摘要：通过介绍我国高层建筑结构风荷载设计方法、风荷载作用形式及由风荷载引起的结构振动,结合工程实例，进行了较详细的结构振动反应计算,以供同类型风荷载作用下的振动分析参考借鉴。关键词：高层建筑结构，脉动风压,结构振动中图分类号：TU3１２.10引言高层建筑上作用的水平荷载包括风荷载和水平地震作用。风的作用是不规则的，风压随着风速、风向的紊乱变化而不断的变化.风荷载是随时间波动的动力荷载。对高层建筑而言,动力荷载是引起结构毁灭性破坏的主要原因,因此，在高层建筑结构设计和安全性评价时,进行结构的动力反应分析是非常必要的。为简,对高度大且较柔的高层建筑,必须考虑其动力效应影响[１］化起见，某些结构设计规范或结构动力反应分析中的抗风分析采用一些拟静力计算方法［2］，如风压采用等效静力形式，但仍必须进行结构的动力分析.对于高层和超高层建筑的风振动力反应主要有以下３方面的考虑：1)由风振产生的惯性力在结构中引起附加应力;2）建筑结构振动加速度会使生活和工作在其中的人产生不舒适感［3］；3)由于风振反应发生的频度较高，有可能使结构产生疲劳效应［2］。文中通过介绍我国高层建筑结构风荷载设计方法、风荷载的作用形式及由风荷载引起的结构振动,详细论述了结构在顺风向、横风向脉动风荷载作用下和二者共同作用下产生的扭转作用的处理过程和引起结构振动反应分析的最新研究。1风荷载在高层建筑结构上的作用风的作用是不规则的,通常把风速的平均值看成稳定风速或平均风速，使建筑物产生静侧移；实际风速在平均值附近波动，风压也在平均风压附近波动,称为波动风压，因此实际上建筑物在平均侧移附近摇摆，见图1[1].来风在建筑物周围形成湍流风场,引起建筑物一定幅度平面内弯曲振动的同时也产生其他形式的振动,见图2[4］。在来风的风压脉动等因素的影响下,高层建筑结构会诱发风收稿日期：２0０8203203文献标识码:Ａ2高层建筑结构风荷载的确定方法我国《建筑结构荷载规范》规定,对多数高层建筑按垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值确定风荷载.《混凝土高规》规定有下列情况之一的建筑物,宜按风洞试验确定风荷载［１]:1)高度大于2００ｍ，且平面形状不规则、立面形状复杂，或立面开洞、连体建筑等；2)规范或规程中没有给出风荷载体型系数的建筑物；3)周围地形和环境复杂，邻近有高层建筑时,宜考虑相互干扰的群体效应，可将单个建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数，缺乏该系数时宜通过风洞试验得出。3高层建筑结构风振反应计算作用在高层建筑与高耸结构上的脉动风荷载分为横向与顺向两种类型,分别由横风力和顺风力引起，在风振反应分析中采用的方法不同.目前国内外对高层建筑结构风振问题的简化方法基本上是一致的，都是将高层与超高层建筑简化为等效悬臂梁,采用广义坐标法解决这一问题.1)横风向脉动风荷载作用的计算.横风向脉动风荷载是一种动力荷载，由于空气的粘性和流速，在结构的尾部会产生流体旋涡脱落。它的产生与结构的截面形状和雷诺数有关［5]。不同的雷诺数范围，会出现不同形式的流体旋涡脱落和结构的风致振动。一般认为由横风向脉动风荷载引起的横风向振动有涡激振动、涡激随机振动、湍流、驰振、颤振、抖振等几种形式。在高层建筑结构中,主要出现前三种形式的振动。对于横风向荷载,我国的设计规范只对烟囱、电视塔等高柔构筑物有相应的规定,而对高层建筑结构还没有考虑其影响，但是相关的研究已经受到重视。目前解决的方法一般是采用风洞作者简介:秦力（19702),男，博士，副教授，东北电力大学建筑工程学院,吉林吉林１３2012张学礼(19812），男,东北电力大学建筑工程学院硕士研究生,吉林吉林１32０12徐德永(197２２），男，工程师,大连圣北房地产有限公司,辽宁大连11６024ﻬ第３4卷第24期２008年8月秦力等:高层建筑结构在风荷载作用下的振动分析·87·试验与原型观测，风洞试验主要采用高频测力天平、气动弹性模力风荷载和风振反应求解方法。最新研究得到的横向脉动风压型和刚性模型多点测压风洞试验来分析、建立高层建筑横风向动互谱密度函数如下：2２２πｑHC′LB２H2ＦL(ω）coh(r，ω)ZiH2αHZj2α。Ｓ(2+3)p′j（xｉ,ｘj，zi,ｚj,ω）＝ip′2α2αZ1Z２ωΦ１（Z1）Φ2(Z２)coｈ(r，ω）dｘ1dｘ2dz１dｚ2∫(H）∫（H)∫（Ｄ)∫（D)HH0000其中,各参数含义详见文献［5]。２）顺风向脉动风荷载作用的计算。根据脉动风压与脉动风速之间的关系，距地面ｚ高度处顺风向点脉动风压互谱密度函数的计算公式如下：Sｐ（n,z）=ρ2μ２sU２（z）Sv（n，z)。其中,各参数含义详见文献［５］。3）二者联合作用下的扭转振动计算。由于作用在建筑物外表面上的风荷载不是同步达到最大或最小值，所以其合力存在着偏心矩.因此从理论上说单一的顺风向脉动风压或横风向脉动风压都会引起结构的扭转振动根据结构动力学理论,并采用振型分解法,同时利用主振型的正交性进行处理后得到扭转振动方程如下式,式中各参数含义详见文献[4]。此式是不考虑建筑物的质心、，二者联合作用产生扭转振动更是理所当然。a．高层建筑扭转振动运动方程。刚心、几何形心偏心及平扭耦合振动的影响，而只考虑脉动风压对结构风振扭转的影响，且将悬臂梁看成是均匀截面。η¨j(ｔ)+２ξηj（t）+w2ηjj（t）=Mj.j．b．脉动风压扭转力矩。如图4所示，矩形建筑的迎风面宽度是B,顺风向的深度是D。在如图4所示的坐标系下,力对转动中心（轴）的合力矩为:M0（ｔ）dz=x,y,z,t)rＬdldz∮p′（=（y—)p′1（0,y，z，t)dydz+∫(x∫(Ｂ）B2０D０DDD）ｐ′2(ｘ，0,z,t）dxdz+∫(ｘ—）p′３(x，Ｂ，２0２Ｂz,t)dｘdz+∫（y—B）p′4(D，y,ｚ,ｔ)dｙｄz。０24算例分析某高层钢结构办公楼，高度6８m，宽度48m,长度35．7m，单位容积重0.１8ｔ／ｍ3,单位长度质量308。４5ｔ／m,自振频率０。604Ｈz，阻尼比0.00７４,地面粗糙度指数(Ｂ类)0.１6。为了便于分析比较,设该建筑物基阶振型近似按直线分布,并取1０m高处的来风速度,用Newｍarｋ法计算建筑物的扭转风振反应时程。计算结果见表1。表1建筑物顶部扭转风振动力反应均方根值风速U10m／ｓ位移×1０6rad速度×106rａd/s加速度×106rａd/ｓ210３.26６.5924。85202０.1555。57207.8３0６1．85１９8。7７４４。６４0141。848５182０50271.９9５8.63601604631６６１62４35结语１)风对高层建筑结构的作用形式复杂多变,且极其不规则.目前,风对结构的静力作用研究基本上已经成熟，但对高柔结构考虑风的动力效应的研究还是初级阶段,研究方法主要是风洞试验和湍流风场.２)风荷载对建筑物的作用是紊乱的.目前，只对一些特大型结构和重要的建筑物进行风洞试验,但风洞试验成本较高，试验复杂.因此，风荷载对高层建筑结构的简化计算工作还需要进一步的研究。３）目前，对高层建筑结构顺风向脉动风荷载研究的比较多，但对横向风荷载的研究还比较少,我国的设计规范只对烟囱、电视塔等高柔构筑物有相应的规定,在高层建筑设计规范中尚未涉及横风向的风振影响和扭转风振反应。因此对高层建筑结构的横风向的风振影响和扭转风振的研究还有很长的路要走.参考文献：[1］方鄂华。高层建筑结构设计［Ｍ]。北京:中国建工出版社,2003.［2]王光远．建筑结构的振动[Ｍ]。北京：科学出版社,1978.［3]T.Oｈkuｍ，H．Marukａwa。Ｆullｓcａｌeｍeasuremeｎtoｆwｉndｐrｅs２sureandｒesｐonseaｃcelerａｔionofaｈighbuilｄｉng［J].WindEn2ｇｉneeringaｎdInｄusｔryＡｅroｄｙnamiｃs，19９１(3)：312３3．［4]葛楠,侯爱波,周锡元。矩形高层建筑结构扭转风振反应时程的分析计算[Ｊ］。建筑科学,2007,23（5）:3０2３1.［5]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M］.上海:同济大学出版社,２001．[６]木建强.高层建筑结构的振动控制［Ｊ］．山西建筑，200７,３３（3）:68２69．［7]徐亮，汪振双.数值模拟法在索膜结构风振响应研究中的应用[J]。山西建筑,2０0７，33（31）：7４275．Ｖｉbｒatiｏnanalysiｓofｈiｇh２risesｔｒuｃturｅunderwｉndlｏadＱINLiＺHAＮGXuｅ２lｉXUDｅ2ｙonｇＡｂsｔrａcｔ：Tｈroｕｇhｔheｉｎtroduｃtiｏnoｆｔhedesｉgningmeｔhod，ｆuｎctiｏninｇｗａy,andtheｓtrｕctｕralvibratｉonｏfthewindloadofhiｇh２risｅsｔｒuｃ２turｅ,it