典型超高层建筑风荷载幅值特性研究_顾明
(完整版)高层建筑在风荷载作用下的相关研究
高层建筑在强风作用下由于脉动风的影响将产生振动，这种振动有可能使在高层建筑内生活或工作的人在心理上产生不舒适的感觉,从而影响建筑物的正常使用”由于风是一种经常性的荷载作用,因此有必要将风引起的高层建筑的振动限制在人体舒适的感觉范围之内”重现期的选择也最大风速样本的取法影响着平均风速的数值”如果以口最大风速为样本,则一年有365个样本，平时低风速的口子的风速值占有很大的权，而最大风速那一天的风速只占1/365的权,因而最大风速重要性大大降低了，统计出的平均风速必将大大偏低"如果采用月最大风速,则每年最大风速在整个数列中也只占1/12的权,也降低了最大风速所起的重要性，所得结果也是偏低的"对十工程结构应该能承受一年中任何口子的极大风速,因此取年最大风速为样本”最大风速有它的自然周期，每年季节性地重复一次,因而采用年最大风速作为一个样本,较为合适”世界各国基本上是取年最大风速作为统计样本的”平均风的时距平均风速的数值与时距的取值有很大的关系”如果时距取得很短,例如3秒钟,则必定将记录中最大值附近的较大数据都突出反映在计算中,较低风速在平均风速中的作用难以得到反映，因而平均风速值很高”如果取得很长,例如1天，则必定将1天中大量的小风平均进去,较高风速在该长时距中起不到显著作用,其值一般偏低”一般来说,时距愈短,平均风速愈大，时距愈长，平均风速也就愈小"风速记录表明,阵风的卓越周期约为1min，通常认为10min(约10个周期)至1小时（约60个周期,由于阵风有较长的持续性,衰减较慢)其平均值基本上是一个稳定值,因而我国规范规定以10分钟作为取值标准”一般我们所研究的对象不会出现异常风的气候,称为良态气候"对十这种气候,我们可以认为年最大风速的每一个数据都对极值的概率特性起作用,因此，世界上许多国家把年最大风速作为概率统计的样本,由重现期和风速的概率分布获得该地区的设计最大风速，或者称为基本风速"我国规定基本风速采用极值I型概率分布函数进行统计分析"对于多层建筑和高层建筑的风致响应问题，连续体系，采用随机振动理论进行分析。
祝课题组全体人员新年快乐, 2012 年身体健康、学业(事业)有成!
祝课题组全体人员新年快乐，2012 年身体健康、学业（事业）有成！课题组2011年盘点一、人才培养●周晅毅博士被聘任为同济大学副研究员。
●全涌副教授获批为同济大学博士生导师。
●博士后孙芳锦晋升为辽宁工程技术大学副教授。
●研究生匡军通过硕士学位论文答辩。
他的论文题目“上海环球金融中心大楼顶部风速及风致响应实测”，指导教师是顾明教授，副导师是全涌副教授。
●熊勇同学通过硕士学位论文答辩。
熊勇的论文题目是“矩形截面高层建筑体型系数研究”，指导教师是顾明教授和全涌副教授。
●姜海鹏、严志威、王莹三位研究生通过硕士学位论文答辩。
姜海鹏的指导教师是顾明教授和全涌副教授，论文题目是：开敞式多跨多坡工业厂房风洞试验研究；严志威的指导教师是全涌副教授，论文题目是：带外附网架高层建筑的风荷载特性及三个方向等效静力风荷载组合方法研究；王莹的指导教师是全涌副教授，论文题目是：低矮建筑围护结构风荷载的规范化研究。
●张庆华、李雪峰通过博士学位论文答辩。
他们的博士论文题目分别是"典型输电塔风荷载及效应研究"和"风致建筑物表面及其周边积雪分布研究"。
张庆华的指导老师是顾明教授，李雪峰的指导老师是顾明教授、副导师是周晅毅副研究员。
●郑德乾同学通过博士学位论文答辩。
郑德乾的论文题目是“基于LES的结构风荷载及气弹响应数值模拟研究”，指导教师是顾明教授、副导师是张爱社副教授。
●博士生樊友川通过博士学位论文答辩。
他的论文题目是"典型工业厂房风荷载及其风振研究"，指导教师是顾明教授，副导师是全涌副教授。
●赵雅丽通过博士学位论文答辩。
赵雅丽的博士论文题目是“中国东南沿海地区特色民居的风荷载特性研究”。
她的博士论文指导教授是顾明教授，副导师是全涌副教授。
●热烈欢迎12位研究生加入课题组。
新加入课题组的研究生是：黄剑（博士生），王新荣（直博生），葛福（硕士生），王帅（硕士生），饶清友（硕士生），张秉超（硕士生），邱立维（硕士生），李嘉良（硕士生），祖公博（硕士生），傅安民（硕士生），郑建建（硕士生），周文超（硕士生）。
风荷载和地震作用对高层钢结构建筑的影响及设计方法
高层钢结构设计论文
风荷载和地震作用对高层钢结构建筑的影响及设计方法
摘 要：随着建筑科技的日益进步，高层钢结构建筑得到迅猛发展，人们对于高 层钢结构体系的研究日趋完善， 包括理论研究和工程设计。 风荷载和地震作用是 钢结构设计中至关重要的两大动力荷载， 这两种荷载对高层钢结构的强度和稳定 都会产生很大影响。 本文详细介绍了高层钢结构建筑在风荷载和地震作用下的动 力响应， 并根据规范要求以及国内外学者的相关研究，总结概括了针对风荷载和 地震作用的设计理论和设计方法。 关键词：高层钢结构；风荷载；抗风设计；地震作用；反应谱
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高层钢结构设计论文
第二章. 高层钢结构建筑风荷载作用与抗风设计
2.1 风荷载作用
2.1.1 风荷载的形成 风指的是空气的水平运动， 一般是由气压高处向气压低处流动而形成。太阳 的辐射热在地球周围的分布不均匀使得大气是不断运动的。大气是物质，自然就 有能量， 从地表面一直向上的整个大气柱对它下面的地表面和物体便有压力，单 位面积上承受的这种压力，叫做气压。各个地方大气压有高有低，例如一个地方 上面的空气冷，密度就大，气压也就大些;另一个地方上面的空气暖，密度就小 些，气压也就小些，这样，空气就从气压大的地方向气压小的地方流动。因此风 产生的直接原因是气压在水平方向上的不均匀分布。 风速的主要部分是大小和方向保持不变的平均风， 另外叠加一部分在方向和 大小上不断变化的脉动风。表征风特性的参数包括： （1）平均风速剖面； （2）紊 流风速剖面； （3）脉动风速谱以及（4）湍流积分强度等等。可以根据伯努利方 程由风速来确定风压。 风压对于结构或构件将产生过大的内力和不稳定，使得结 构物产生过大挠度或者变形，有可能引起外墙和装饰材料的破坏。 2.1.2 风荷载的组成与特性 风荷载对于建筑物的作用是一个随机的过程，其包括三个部分：平均风压产 生的平均力， 脉动风压所引起的随机脉动力以及由于风致建筑物振动产生的惯性 力。平均风是在给定的时间间隔内，把风对建筑物的作用力的速度、方向以及其 他物理量都看成不随时间而改变的量， 由于风的长周期远远大于结构的自振周期。 可等效为静态作用处理，应用结构静力 计算。脉动风的强度是随时间按随机规 律变化的，由于周期较短，应用随机振动理论进行分析。 按照风对于建筑物作用力的方向不同可以分为：1）在建筑物的迎风面上产 生的压力（气流流动产生的阻力） ；2）在横风向产生的横风向干扰力（气体流动 产生的漩涡扰力与湍流脉动压力） ；3）空气流经建筑物后在建筑物的背后产生的 涡流干扰力（包括背风向的吸力） 。当需要准确确定风荷载分布时，需要依靠模 型风洞试验来实现。 风荷载的作用与空间位置及时间的不确定性有关，受地形、地貌、周围建筑 环境等因素共同影响， 其具有静力和动力的双重特点，动力部分即脉动风的作用 会引起高层钢结构建筑的振动。除此之外，风荷载也与结构的几何外形相关，结 构体系的不同部分对风的敏感程度也不尽相同， 当结构尺寸在多个方向上比较接 近时，需要考虑空间相关性对风荷载的影响。对于具有显著非线性特征的结构，
超高层建筑风压的频域特性
验． 根据这些数据， 详细讨论 了脉动风压系数的功率
载的幅值特征 ， 而对频域竖向相关系数、 水平和竖 向相干函数 ， 得到的结果可为建立更为精 细的气动
没有进行详细讨论 ． 目前 ， 高层建筑顺风向相干函数 力模型所参考． 本系列论文第 一部分【 已详 细介绍 了风洞试 ５ Ｊ 多采用纵向脉动风速相干 函数 ， 而对横风向脉动风
Ａｂ ｔ ｃ ￣１ ｙ ｉ ｌ ｕ ｅ —ａｌ ｕｌｉｇ ｍｏ ｅｓｏ ｉ ｅ ｅ ｔｃｏ ｓｓｃｉｎｓ ａ ｅ ，ａ ｐ ｃ ａ ｉｓａ ｄ ｓｄ ｓｒ ｔ ０ ｔｐｃ ｐ ｒｔｌ ｂ ｉ ｎ ｄ ｌ ｆｄｆ ｒｎ ｒｓ．ｅｔｏ ｈ ｐ ｓ ｓ ｅ ｔｒｔ ｎ ｉｅ ａ ａｓ ｄ ｆ ｏ
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第 ３ 卷第 ３ ４ 期
２０ ０ ６年 ３月
同 济 大 学 学 报（ 然 科 学 版） 自
ＪＵ Ｎ ＬＯ Ｏ Ｇ ＮＩ Ｒ ＩＹ Ｎ Ｔ Ｒ ＬＳ ＩＮＣ ） Ｏ Ｒ Ａ ＦＴ Ｎ ＨＵ ＶＥ ＳＴ （ Ａ Ｕ Ａ ＣＥ Ｅ
Ｖｏ． ４ Ｎｏ ３ １３ ．
Ｋｅ ｒｓ：ｓ ｐ ｒｔｌ ｂ ｉ ｉｇ；ｆｕ ｔ ａｉｇｗｉｄｐ ｅ ｕ ｅ ｏ ｒｓ ｅ ｔｕ ；ｃ ｈ ｒｎ ｅｆｎ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ｕ ｅ －ａｌ ｕｌ ｎ ｌ ｃｕ ｔ ｎ ｒｓ ｒ ；ｐ ｗｅ ｐ ｃｒ ｍ ｏ ｅ ｅ ｃ ｕ ｃｉ ｄ ｎ ｏ
表面风压测量试验 已被广泛应用于研究建筑物 的风荷载［ ４． １ ］这些研究 主要讨论脉动风压 和风荷 －
压的相干函数则几乎还没有认识 ． 为此， 笔者采用表
面测压技术对典型 的超高层建筑模型进行 了风洞试
验模拟、 风场模拟等情况 ， 这里不再赘述． 试验应用 美 国 Ｓａｖ ｖ 扫瞄阀公司的 Ｄ Ｍ３０ ｅ ａｅ ｎ ｌ Ｓ ００电子扫描阀
超高层建筑横风向风致响应的非高斯性及峰值因子研究
第39卷第17期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.39 No. 17 2020超高层建筑横风向风致响应的非高斯性及峰值因子研究全涌，侯方超，顾明(同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092)摘要：基于单自由度气动弹性模型风洞试验，分析了超高层建筑横风向响应的非高斯性。
通过归一化概率密度 分布图直观地对比了不同风速，不同风场，不同斯科顿数和正下游干扰建筑对超高层建筑横风向加速度响应非高斯性的影响。
通过对比多样本峰值因子观测值，对几种峰值因子取值方法的适用性进行了评估。
分析了来流风速、风场、斯科顿数和下游建筑对风致响应峰值因子的影响。
结果表明：在低湍流度下，来流接近涡激共振风速时，风致响应会出现显著的非高斯性;风场和干扰位置对风致响应非高斯性有着明显的影响;D a in p o t法在涡激共振风速和部分高折减风速时过分高估了峰值因子实际值，建筑结构荷载规范给定的峰值因子通常低估了峰值因子实际值，子段极值统计法可以较精确地给出峰值因子。
关键词#超高层建筑；横风向响应；非高斯性；峰值因子；干扰效应中图分类号：TU973.213 文献标志码： A DOI ： 10.13465/j. cnki. jvs. 2020. 17. 023S t u d y o n t h e n o n-(i a K s i^n characteristic a n d p e a k f a c t o r o f(c r o s s-w i n d r e s p o n s e f or s u p e r h i gh-rise b u i l d i n g sQUAN Yong，HOU Fangchao，GU Ming(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai Abstract:B ased on the wind tunnel tests of the single-degree-of-freedom aeroelastic m o d el，the non-G aussian behavior of across-w ind resj^onse of a su per tall building w as analyzed. The effects of diffe Scruton num bers and interference positions on the non-G aussian features of across-w ind acceleration resjDonses of tlie super high-rise building were studied by the norm alized probability density distribution. The applicability of several m ethods determ ining peak factor w as evaluated by com paring it witli the observed value from m ulti-sam ple extrem e values. The effects of wind s p e e d，wind fie ld，Scruton num ber and downstream interference building on the p eak factor of wind- induced response were investigated. The results in dicate that the w ind-induced respon se shows significant non-G aussianch aracteristics when the upcom ing flow approach es the vortex-induced resonance wind speed in the wind field and interference sp acin g have notable in fluen ces on the non-G aussian ch aracteristics of the w ind-inducedre sp o n se s;the Davenport method overestim ates the p eak factors in the vortex-induced-resonance region and som e high reduced wind s p e e d s;the actual peak factors are u su^ly underestim ated by C hinese Load c o d e;the sub-section extrem e-value statistical m etiiod can estim ate the peak factors more accurately.K e y w o r d s：super high-rise b u ild in g；across-w ind resj^onse;n o n-G au ssian；peak fac to r；interference effects高层建筑的风振响应峰值是工程应用中大家普遍 关心的内容。
高层建筑顺,横风向和扭转方向风致响应及静力等效风荷载研究
高层建筑顺、横风向和扭转方向风致响应及静力等效风荷载研究国家自然科学基金重大项目(59895410)国家自然科学基金创新研究群体科学基金(50321003)教育部“高等学校骨干教师资助计划”资助博士生：叶丰指导教师：顾明教授二零零肆年肆月摘要高层建筑的发展使得结构风效应成为控制设计的主要因素，对其计算方法的准确认识是非常重要的。
本文对高层建筑顺、横、扭三个方向上的风致响应及静力等效风荷载作了深入研究，建立了一个统一、完整的高层建筑风致响应及静力等效风荷载计算体系。
主要工作包括：1)完成了十个典型高层建筑刚性模型同步测压试验，并根据风洞试验结果研究了各种高层建筑在紊流风场中表面风压分布的一些基本特性，主要考虑了风向角、截面外周各点位置、高度、截面形状等对风压系数和三分力系数的影响。
在此基础上确定了不同截面形状高层建筑的最不利风向角、此风向角对应的平均三分力系数及其偏导数，为后续的风荷载参数研究工作提供了依据。
2)将高层建筑顺、横、扭三个方向上的外加风荷载视为三种激励分量(顺、横向紊流和尾流激励)共同作用的结果，且各种激励分量可假定为互相独立的随机高斯过程。
为此，本文将刚性测压试验结果按不同激励分量予以分离，在此基础上给出了不同激励对应的力系数、形状函数以及归一化的激励谱的计算公式。
3)建立了结构顺、横、扭三个方向的风致运动方程，并根据脉动风致响应的特性给出了背景和共振响应计算方法。
前者不能按振型分解法求解，而应通过对气动力协方差与影响函数乘积积分的方法来计算；后者可只考虑一阶振型的贡献，两者应按平方和开方的原则组合得到脉动风致响应的峰值。
4)研究分析了荷载响应相关(LRC)法的优点，并将其用于计算背景等效风荷载。
共振等效风荷载可以采用结构一阶振动产生的惯性力来描述。
由于背景等效风荷载与共振等效风荷载分布不一致，故不能简单叠加。
为此，本文提出了总等效风荷载的四种计算方法并分析了各自的优缺点。
5)考察了高层建筑风致响应和静力等效风荷载的基本特性，并以截面形状、高宽比、长宽比、一阶振型指数、一阶阻尼比以及风场为主要参数分析了它们对响应和等效风荷载各种组合方法精度的影响。
超高层建筑风压的幅值特性_顾明
第34卷第2期2006年2月同济大学学报(自然科学版)JOURNAL OF T ONGJ IUN I V ERSI TY (NAT URAL SC I ENCE )Vol .34No .2 Feb .2006收稿日期:2004-09-06基金项目:国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(50321803);教育部高等学校骨干教师计划资助项目作者简介:顾 明(1957-),男,江苏兴化人,教授,工学博士,博士生导师,长江学者.E 2mail:m inggu@mail .t ongji .edu .cn超高层建筑风压的幅值特性顾 明1,叶 丰2(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092; 2.上海迈祥工程技术咨询有限公司,上海 201204)摘要:对方形、矩形、三角形及Y 型等10个典型的超高层建筑模型进行了细致的风洞试验,获得了模型表面的平均风压和脉动风压系数.详细讨论了风场和风向角对风压系数空间分布(不同高度分布,同一高度不同侧面上不同测点的风压分布等)的影响.结果表明:建筑物迎风面处于正压区;而侧面和背风面是负压区;D 类风场的平均风压系数和B 类风场中相近,但根方差风压系数要大很多;迎风面的平均风压系数随高度变化基本服从2α分布;三角形和Y 形模型的风压系数小于方形和矩形模型.关键词:超高层建筑;刚体模型;风洞试验;风压分布中图分类号:T U973.213 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2006)02-0143-07Cha racte risti cs ofW i nd P re ssure Amp litude on Supe r 2Ta llBuil di ngsG U M ing 1,YE Feng2(1.State Key Laborat ory f or D isaster Reducti on in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.ShanghaiMaglucky Engineering Consultati on Co .L td .,Shanghai 201204,China )Ab s trac t:10typ ical super 2tall building models of different cr oss 2secti on shapes,such as square,rectan 2gular,triangular and Y 2type cr oss 2secti on shapes,and as pect rati os and side rati os are tested in a wind tunnel,and the mean and fluctuating wind p ressure coefficients are thus obtained .It als o discusses in this paper the effects of wind turbulence and wind directi on conditi ons on the s patial distributi on characteris 2tics of the wind p ressures .Results indicate that the mean wind p ressures on the windward wall are positive while those on the side 2walls and the back wall are all negative;the mean wind p ressure coefficients on the models in terrain category D are al m ost the sa me with those in terrain categ ory B ,but the fluctuating wind p ressure coefficients much larger;the p r ofiles of mean wind p ressure coefficients on the windward walls of the models obey basically the power la w with an index of 2and;the wind p ressures on the trian 2gular and Y 2ty pe buildings are s maller than those on the square and rectangular buildings .Key wo rd s:super 2tall building;rigid model;wind tunnel test;wind p ressure distributi on 表面风压测量试验是超高层建筑抗风研究的基本方法之一.和另一常用方法———高频动态测力方法相比,该方法虽然复杂些,但可获得建筑物风荷载的时空分布特征.而认识风荷载的时空分布特性对 同济大学学报(自然科学版)第34卷 建筑抗风研究是非常重要的.迄今为止,已有很多应用这一方法研究建筑物风荷载的报道[1～7].但在这些研究中,试验所采用的建筑物形状主要限于方形和矩形,或直接给出其气动力结果,而没有详细讨论风压分布特征.本文采用表面测压技术对10个典型的超高层建筑模型进行了风洞试验,获得的原始数据达11G .根据这些数据,分析了典型建筑物的风压分布特性,详细讨论了风场和风向角对风压系数空间分布的影响.限于篇幅,本文是系列论文的第一部分;风压分布的频域特征见第二部分[8].1 风洞试验概况1.1 风场模拟风洞试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ 21风洞进行.采用尖塔和粗糙元来模拟1/500的我国规范规定的B 和D 类风场.图1给出了两类风场平均风速和紊流度剖面以及60c m 高度处、B 类风场中的顺风向和横风向风速谱.图中,z 和u 分别为任意高度及z 高度处风速;z g 和u g 分别是梯度风高度及梯度风速;I 为紊流度;S u (n )和S v (n )分别为顺风向和横风向脉动风速功率谱;n 为频率;σu 和σv 分别为顺风向和横风向脉动风速根方差;α为平均风速剖面指数.平均风速剖面与规范中的B ,D 类风场结果吻合.在模型顶部高度(0.6m ),B ,D 类风场纵向紊流度分别为7.5%和14.0%,也符合要求.一般认为横风向紊流度是顺风向紊流度的75%～88%[9],本试验模拟结果基本与此吻合.顺风向风谱与Davenport 谱吻合很好.模拟得到的0.4m 处的B ,D 类风场紊流积分尺度分别为0.41和0.49m ,相当于实际中200m 高度处的205和245m ,与经验公式[9]的计算结果(210和270m )相近.此外,模拟的竖向相干函数的衰减指数C z 在7～9之间,与Davenport 的建议值7和E m il 的建议值10[9]相当.图1 风洞中模拟的B 类和D 类风场参数F i g .1 S i m ul a ted w i n d param eters of terra i n ca tegor i es B and D1.2 试验模型和试验工况1.2.1 试验模型10个代表性截面形式(方形、矩形、三角形、倒角方形、Y 形)建筑的基本外形和参数可见图2和表441 第2期顾 明,等:超高层建筑风压的幅值特性1.模型缩尺比为1∶500(和风速模拟的几何缩尺比相等),相当于300m 高度的超高层建筑.方形模型有5种高宽比(4∶1,5∶1,6∶1,7∶1,8∶1);矩形模型考虑的长宽比为1∶2,1∶1.5,2∶1和1.5∶1;三角形和倒角方形模型的高宽比为6∶1.每个模型上布置7层测点(从上至下依次为1～7层).考虑风荷载对响应的影响随高度增加,安排测点层上密下疏,各层测点高度分别为57.15,50.95,43.80,35.70,26.65,16.65,5.70c m.一般在同层的每个面上布置5点.单个模型总测点数在140个左右.在处理试验结果时,根据文献[10]的方法考虑了测压管路的修正.1.2.2 试验工况风向角记为θ,参见图3.考虑到模型的对称性,安排试验工况如下:①模型1～5,θ为0°～15°,1°增量;②模型6～7,θ为0°～15°和90°～105°,1°增量;③模型8,θ为0°～60°,1°增量;④模型9,θ为0°～15°,1°增量,;⑤模型10,θ为0°～60°,不均匀增量,在0°和60°附近为1°增量.测压信号采样频率为312.5Hz,每个测点采集8192个数据.表1 试验模型有关参数Tab .1 Param eters of thebu ild i n g m odels参数模型编号12345678910b /mm 1501201008675100100100100d /mm 1501201008675200150100100H /mm 600600600600600600600600600600H /bd45678 4.24 4.9066 4.64测点数140140140140140140140105140147截面形状方形方形方形方形方形矩形矩形三角形倒角方形Y 形 注:b 为模型断面迎风长度;d 为模型断面宽度;H 为模型高度.图2 试验模型测点布置及尺寸示意图(单位:mm )F i g .2Cross secti on s of the m odels and positi on s of m ea sur i n g po i n ts(un it:mm )541 同济大学学报(自然科学版)第34卷 2 风压分布特性 平均风压系数和根方差风压系数的计算公式如下:C P i =2P i /ρU 2H , σC P i =2σP i /ρU 2H (1)式中:P i 和σP i 分别为任一点平均风压和脉动风压;ρ是空气密度;U H 为模型顶部平均风速.2.1 典型测点的风压系数与风向角的关系2.1.1 方形和矩形建筑研究方形和矩形建筑在不同风向角下风压系数的变化.选取模型上有代表性的测点的风压结果来分析这一变化.第二层3,8,13,18号测点,分别对应于模型各面对称轴(见图3).模型1的这些典型测点的风压系数在B ,D 两类风场下随风向角变化情况见图4.以上结果表明:①建筑物侧面(测点3和13)处于分离区,平均风压系数一直保持负压;平均风压系数绝对值和根方差风压系数随风向角θ增加而减小.两类风场下平均风压系数相近;但B 类风场下根方差风压系数比D 类风场小30%左右.②迎风面(测点8)一直保持正压,在两类风场下平均风压系图3 测点号和风向角示意图F i g .3 Positi on of m ea sur i n g po i n ts and test w i n d angle数和根方差风压系数随风向角略有减小;B 类风场下的根方差风压系数比D 类风场下小很多(44%左右).③背风面(测点18)的平均风压系数是负值,随风向角θ变化很小.B 类风场下根方差风压系数随θ的增加而减小,15°风向时比0°小30%左右;两类风场下根方差风压系数相近.④模型1与模型4为不同高宽比的正方形模型建筑.高宽比对第2层各点的平均风压系数没有明显影响,对根方差风压系数有一点影响(高宽比大的根方差风压系数稍大).图4 模型1在D 类风场中第2层测点风压系数C P 随风向角的变化F i g .4 M ean and root m ean square C P a t typ i ca l m ea sur i n g po i n ts of m odel 1641 第2期顾 明,等:超高层建筑风压的幅值特性 矩形建筑的风压分布和方形建筑有些差别,但趋势基本一致.限于篇幅,本文略去.此外,倒角方形截面模型(模型9)各个面对称轴上测点风压系数随角度变化规律与方形建筑一致;D 类风场中的C P 和B 类风场中相近,但根方差风压系数要大得多.2.1.2 三角形建筑分析三角形建筑各面对称轴上第2层测点的风压系数随θ的变化(见图5).迎风面平均风压系数(正值)和根方差风压系数随θ增加而减小.斜侧面测点8的平均风压系数先减后增,在θ约为34°时达到最小值(-1.2);θ为60°时达最大值,和测点3的平均风压系数相等(此时测点3和8的位置重合).根方差风压系数先增后减,峰值(B 类风场时为0.38,D 类风场时为0.5)发生在θ=39°左右.测点13从侧风面变为背风面,平均风压系数和根方差风压系数的变化均比较平缓.D 类风场下,平均风压系数随θ变化趋势与B 类风场类似,但根方差风压系数有较大增加.2.1.3 Y 形建筑分析Y 形截面模型各面上典型测点的风压系数.由图6可见,θ从0°变到60°时,测点1的平均风压系数从正逐渐转为负,在θ为52°时为0;此后该点处于分离区,平均风压系数变为负值(最大负压绝对值约为-0.5).B 类和D 类风场中根方差风压系数分别在0.16～0.21和0.28～0.36之间.与测点1相反,测点4从负压变为正压,根方差(r oot mean square,R MS )风压系数随风向角减小,在10°处达最小值,此后缓慢增加.B 类风场的根方差风压系数一般比D 类风场小31%左右.测点8,11,14的平均风压系数均为负值.平均风压系数和根方差风压系数的变化较为平缓.图5 模型8在B 类风场中第2层测点的平均风压系数和R M S 风压系数随风向角的变化F ig .5 M ean C P and R M S C P at typica l mea suri n g poi n ts of m odel 8i n terra i n ca tegoryB图6 模型10在B 类风场中第2层测点的平均风压系数和R M S 风压系数随风向角的变化F i g .6 M ean C P and R M S C P a t typ i ca l m ea sur i n g po i n ts of m odel 10i n terra i n ca tegory B2.2 同一高度的风压分布特性选择0°风向角来研究同一高度风压系数分布特性.B 类风场中4个模型(方形、三角形和Y 形截面)的第2层和第4层测点的表面风压分布情况如图7所示.由图可见:①各模型迎风面平均风压系数均为正值,其余各面均为负值.②迎风面上平均风压系数以中间测点为最大;侧面边缘测点和中间测点的平均负压相差不大,根方差风压系数以后缘为大.741 同济大学学报(自然科学版)第34卷 ③各模型各面上根方差风压系数均随高度增加而减小,这是紊流度减小所致,说明紊流对侧面脉动风压也有影响.④一般而言,迎、背风面根方差风压系数比侧面小很多,高度越低相差越大.⑤从总体上看,Y 形和三角形截面的根方差风压系数较小.2.3 风压系数沿高度的变化取模型1,6,8和10在B 类风场、0°(或90°)风向角下各面对称轴上的典型测点的风压系数来研究其沿高度的变化规律.图8给出了部分试验结果.由图可见:①迎风面测点的平均风压系数随高度变化基本上服从2α分布;根方差风压系数一般随高度增加,但变化幅度较小,接近于α分布.矩形模型6的长边迎风和短边迎风时平均风压系数沿高度的变化规律有所不同,后者更加符合2α分布规律.②背风面的平均风压系数(负值)和根方差风压系数沿高度变化均很小.③随高度增加,侧面测点的根方差风压系数稍有减小,但仍比迎、背风面的根方差风压系数大很多.④三角形建筑两个侧面的平均风压系数(负值)和根方差风压系数比其他模型要小.图7 模型1,8和10在B 类风场中0°风向角下第2层和第4层各测点风压系数F i g .7 M ean and R M S C P on 2nd and 4th l ayers of m odels 1,8and 10i n terra i n ca tegory B3 结论对10个典型超高层建筑模型进行了测压风洞试验,分析了平均和脉动风压系数的幅值特性,得到如下主要结论:(1)建筑物迎风面处于正压区;而侧面处于分841 第2期顾 明,等:超高层建筑风压的幅值特性离区,平均风压系数为负压;背风面也是负压区.(2)一般而言,D 类风场的平均风压系数和B 类风场相近,但根方差风压系数要大很多.(3)方形和矩形建筑迎风面、侧风面和背风面的平均风压系数随风向角的变化均较小.三角形和Y 形迎风面的平均风压系数随风向角增大而增大.一般而言,侧风面的根方差风压系数大于迎、背风面;风向角改变时,与风向夹角减小的侧面的根方差风压系数增大,而另一侧面的系数值减小.图8 模型1,8和10在B 类风场0°风向角下典型测点风压系数随高度的变化情况F i g .8 M ean and R M S C P a long the he i ght of m odel 1i n terra i n ca tegory B (0°w i n d angle) (4)各模型迎风面的平均风压系数随高度变化基本服从2α分布;背面和侧面的平均风压系数沿高度变化较小.根方差风压系数随高度增加一般呈减小趋势.(5)三角形和Y 形模型的风压系数小于方形和矩形模型.参考文献:[1] Kikuchi H,Ta mura Y,Ueda H,et al .Dynam ic wind p ressures act 2ing on a tall building moder 2p r oper orthogonal decompositi on[J ].J W ind I nd Aer ody,1997(69-71):631.[2] Karee m A.Acr oss wind res ponse of buildings [J ].Journal of theStructural D ivisi on,1982,108(ST4):869.[3] Karee m A.Measure ments of p ressure and force fields on buildingmodels in si m ulated at m os pheric fl ows [J ].J W ind Eng &I nd Aer ody,1982,36:589.[4] Kawai H.Vortex induced vibrati on of tall buildings[J ].J W indEng &I nd Aer ody,1992,41/44:117.[5] Kawai H.Effects of angle of attack on vortex induced vibrati on andgall op ing of tall buildings in s mooth and turbulent 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YE Feng .A l ong 2and acr oss 2wind and t orsi onal l oads,res ponsesand equivalent static l oads on tall buildings[D ].Shanghai:School of Civil Engineering,Tongji University,2005.[9] Si m il E,Scanlan R H.W ind effects on structures[M ].Now York:Jone W iley &Sons I nc,1996.[10] 周日亘毅,顾明.单通道测压管路系统的优化设计[J ].同济大学学报:自然科学版,2003,31(7):798. ZHOU Xuanyi,G U M ing .Op ti m izati on of dyna m ic p ressure meas 2urement of single 2channel tubling system s [J ].Journal of Tongji University:Natural Science,2003,31(7):798.(编辑:曲俊延)941。
祝课题组全体人员新年快乐！
祝课题组全体人员新年快乐！2014 年身体健康、学业（事业）有成、家庭幸福！课题组2013年盘点一、人才培养：1.曹会兰于1月13日通过博士学位论文答辩。
曹会兰的博士论文题目是：基于单自由度气动弹性模型风洞试验的超高层建筑气动阻尼研究，导师是顾明教授，副导师是全涌副教授。
2.晏克勤于1月13日通过博士学位论文答辩。
晏克勤的博士论文题目是：风致积雪漂移及屋面雪荷载的数值模拟与试验研究，导师是顾明教授，副导师是周晅毅副教授。
3.张正维于1月20日通过博士学位论文答辩。
张正维的博士论文题目是：高层建筑风荷载特性及抗风气动措施研究，导师是顾明教授，副导师是全涌副教授。
4.韩宁于3月17日通过博士学位论文答辩。
韩宁的博士论文题目是：超高层建筑风压干扰特性研究，导师是顾明教授。
5.王旭于3月17日通过博士学位论文答辩。
王旭的博士论文题目是：东南沿海地区台风特性及低矮建筑屋盖风压实测研究，导师是顾明教授，副导师是黄鹏副教授。
6.余先锋于4月13日通过博士学位论文答辩。
余先锋的博士论文题目是：风致内压特性及内外压作用下的大跨屋盖响应研究，导师是顾明教授，副导师是全涌副教授。
7.肖锟、涂楠坤、周海根、全大龙、黄鑫、王硕于6月6日通过硕士学位论文答辩。
肖锟的硕士论文题目是：考虑风向的良态风极值风速概率分析方法研究，导师是全涌副教授。
涂楠坤的硕士论文题目是：考虑风向的高层建筑围护结构风压极值估计方法研究，导师是全涌副教授。
周海根的硕士论文题目是：台风“海葵”近地风特性及低矮房屋风致雨压实测研究，导师是黄鹏副研究员。
全大龙的硕士论文题目是：低矮房屋屋面附属构造风效应数值模拟及现场实测研究，导师是黄鹏副研究员。
黄鑫的硕士论文题目是：基于气弹模型测压试验的高层建筑气动阻尼比识别方法研究，导师是全涌副教授。
王硕的硕士论文题目是：基于CFD方法的行人高度处风环境研究，导师是全涌副教授。
8.林勇建、胡金海、吕昭、刘长卿、蔡玢等五位研究生于6月14日通过硕士学位论文答辩。
对超高层建筑中风荷载及特性的研究
对超高层建筑中风荷载及特性的研究发表时间：2016-07-14T15:18:39.960Z 来源：《基层建设》2016年8期作者：张建明[导读] 本文将结合风荷载的相关内容，分析它对高层建筑所造成的影响，为相关的研究工作提供一定的参考信息。
中金（西安）重型钢结构有限公司西安临潼 710600摘要：各种新型材料的不断出现，对从超高层建筑的应用范围的扩大产生了积极的影响。
相对而言，超高层建筑的投资成本大，对于施工技术的要求更高，不同组成结构非常的复杂。
作为影响超高层建筑影响因素的组成部分，风荷载的有效控制是保证了建筑结构的质量可靠性。
本文将结合风荷载的相关内容，分析它对高层建筑所造成的影响，为相关的研究工作提供一定的参考信息。
关键词：高层建筑；风荷载；组成结构；施工技术；发展现状；参考信息超高层建筑在具体的使用过程中，可能会受到某些客观存在因素的影响，对于相关的施工技术提出了更高的要求。
结合目前超高层建筑的发展现状，可知风荷载的存在影响着建筑物结构的稳定性。
因此，设计人员在具体的工作开展中应该对风荷载的特性等进行必要地了解，运用可靠的设计法方法增强建筑物的安全性能。
一、风对超高层建筑结构的作用为了完善建筑物的服务功能，增强自身的综合市场竞争力，建筑企业加快了超高层建筑的建设步伐，并取得了良好的作用效果。
在这些建筑后期的使用过程中，自然风的存在将会对建筑结构造成一定的影响，容易引发安全事故。
因此，相关的技术人员重视风对超高层建筑结构的作用，为科学预防措施实际应用效果的增强提供必要地保障。
风对超高层建筑的作用主要体现在：*1）大气流中不同方向的风将会对超建筑结构产生一定的静力作用和动力作用，影响着这些建筑结构的使用寿命；（2）不同形式的风致振动，给超高层建筑结构的稳定性带来了较大的威胁，容易产生建筑结构失稳的现象；（3）风的存在对于建筑结构的抗压性能提出了更高的要求，影响着建筑结构的实际作用效果。
这些方面的不同内容，客观地反映了风对超高层建筑结构的作用。
高层建筑横风向风效应研究综述_全涌
第38卷第6期2010年6月同济大学学报(自然科学版)JO URNAL OF TO NG JI U NIVERS ITY (N ATURAL S CIENCE )Vol .38No .6 Jun .2010文章编号:0253-374X (2010)06-0810-09DOI :10.3969/j .issn .0253-374x .2010.06.006收稿日期:2009-03-23基金项目:国家自然科学基金资助项目(50878159,50621062,90715040);上海市浦江人才计划资助项目(08PJ14095);“十一五”国家科技支撑计划资助项目(2006BA J03B04);教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(200802471005)作者简介:全 涌(1971—),男,副教授,工学博士,主要研究方向为结构抗风.E -mail :qu anyong @tongji .edu .cn高层建筑横风向风效应研究综述全 涌,曹会兰,顾 明(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092)摘要:高层建筑的横风向荷载及响应问题非常复杂,它与来流紊流、尾流和气动反馈3个方面的激励有关.虽然研究人员关注这一问题已有30多年,但迄今为止还没有形成被广泛采用的成熟的分析理论和方法,许多国家的规范中尚无相关的规定.国内外高层建筑横风向风效应研究成果主要分为3部分:横风向气动力的确定,横风向气动阻尼的识别和横风向等效静力风荷载的计算方法.风洞试验技术、数据拟合技术、参数识别技术是确定高层建筑横风向风效应的主要手段.通过分析国内外研究手段和方法的现状及优缺点,针对高层建筑横风向响应研究中存在的问题和不足,提出了应该关注的重点:高层建筑外形的复杂变化对气动力的影响、高层建筑横风向气动阻尼的识别方法以及形成机理和影响因素、等效静力风荷载计算方法和复杂形体超高层建筑顺、横、扭3种风荷载分量的耦合问题.关键词:高层建筑;横风向风效应;气动力;气动阻尼;等效静力风荷载中图分类号:T U 973.32;T U 119.21 文献标识码:ACross -wind Effect of High -rise Buildings :State of ArtQU AN Yong ,C AO Huilan ,G U Ming(Sta te Ke y Lab oratory of Disaster Re ductio n in Civil Engineering ,Tongji Univ e rsity ,Shangha i 200092,C hina )Abstract :The mechanisms of cross -wind effects of high -rise buildings are very complicated ,which are assoc iated with the incident turbulenc e ,the wake and the aerodyna mic feedback .Although considerable research efforts to assess cross -wind effect have underta ken worldwide for dec ades ,no widely adopted sophisticated theory and method are made ,further -more ,no relevant guidelines are made in the loa d standards and codes of most countries .These worldwide researc h subjects of cross -wind effect include three important parts ,the determinationofcross -windaerodynamicforce ,theidentification of cross -wind aerodynamic damping and the ca lculation methods of across -wind equivalent static wind loads .Wind tunnel technique ,data fitting technique and parameter identification technique are the principa l means to determine the cross -wind effects of high -rise buildings .Based on the problems and deficiency of across -wind responseresearch ,some research emphases are proposed :the effect of complexbuildingshapetoaerodyna micforces ,theidentification ,mechanisms and influenc e factors of cross -wind aerodynamic damping ,calc ulation methods of equivalent static wind load and 3-D coupling problems of c om plex high -rise buildings .Keywords :high -risebuilding ;cross -windeffect ;aerodynamic force ;aerodyna mic damping ;static equiva lent wind loads 目前世界上正在经历着史无前例的高层、超高层建筑建设高峰.芝加哥西尔斯大厦(Sears to wer )曾以443m 的高度稳坐世界最高建筑物宝座26年.而现在世界上,拟建、在建和已建的400m 以上的结构有37栋,尤以正在建造且已超过700m 的迪拜大厦(Burj Dubai )为首.发达国家甚至提出了千米高度量级的“空中城市”的概念.随着结构高度的增加和高强材料的使用,低阻尼、高柔结构的风振响应更加显著,使得强风作用下的结构风荷载成为结构安全性和舒适性设计的控制荷载.从Davenpo rt[1-3]最早将随机概念和方法引入建筑结构的抗风研究30多年以来,在建筑结构的顺风向荷载及响应的研究方面,已逐渐形成比较完善的计算理论和方法[4-16],主要成果也反映在多数国家的建筑结构荷载规范中[17-18].在现代超高层建筑设计中,横风向荷载及其响 第6期全 涌,等:高层建筑横风向风效应研究综述 应经常会超越顺风向,成为结构抗风设计的控制性因素.然而,由于机理复杂,影响因素多,虽然研究人员关注这一课题已有30多年,但迄今为止仍未形成被广泛接受的成熟的分析理论和方法,很多国家的规范中也还没有相关的内容和规定.日本建筑协会的建筑荷载建议(AIJ)[17]中推荐的高层建筑横风向风荷载及响应的计算方法是目前各国规范中对这一问题最详细的规定,但其公式只适用于高宽比<6的高层建筑在折算风速<10的情形,且它把横风向基阶模态的惯性荷载当成横风向等效静力风荷载,这种方法计算共振分量部分是正确的,但背景分量也用这种方法计算是没有理论依据的.同时,它没有考虑气动阻尼的作用.在我国《建筑结构荷载规范(GB50009—2001)》[19]中仅给出类似于烟囱的细长圆形结构按涡激共振估算的简单方法,这一方法并不能用于一般高层建筑的抗风设计.《高耸结构设计规范(GBJ135—90)》中考虑了圆形截面塔桅结构横向风荷载的作用;在《高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99—98)》规定了顺风向与横风向最大风振加速度的计算方法,主要是用来验算钢结构高层建筑的舒适度,而对具体的横风向风荷载则没有做出规定.上海《高层建筑钢结构设计规程》[20]纳入了作者的相关研究成果[21-22],给出了折算横风向气动力谱及气动力系数随建筑高宽比、宽厚比和风场类型变化的经验公式,但这一方法仅适用于高宽比为4～9、宽厚比为0.5～2.0的矩形截面高层建筑的抗风设计.该规范也给出了高层建筑气动阻尼的简约计算公式,但也仅仅是针对方形建筑的情况.开展超高层建筑横风向风致振动和等效静力风荷载研究,具有重要的理论意义,对指导超高层建筑的结构设计具有重大的工程应用价值.本文在总结国内外30多年来的高层建筑横风向风效应的研究进展的基础上,对今后的相关研究方向提出了一些有益的建议.1 国内外研究现状Kw ok[23]认为横风向激励包括:尾流激励、来流湍流和结构横风向位移及其高阶时间导数引发的激励,后者是风与结构相互耦合的气动阻尼作用. Solari[24]将引起横风向风振的原因归纳为:横风向湍流和尾流激励(宽度和厚度接近,不考虑分离再附),其中尾流激励是主要原因.Islam等[25]和Kareem[6]认为,横风向响应由受分离剪切层和尾流脉动影响的侧面非均匀的压力脉动产生.Cheng[26]把横风向振动归因于尾流剪切层的分离与漩涡脱落过程.现有的被广泛接受的横风向激励机制为:高层建筑横风向风荷载主要来源于来流紊流激励、尾流激励和气动弹性激励3个方面[27-29].来流激励和尾流激励反映在外加气动力上,气动弹性激励反映在气动阻尼上.因此横风向风荷载不再符合准定常假定,横风向风荷载谱不能根据来流脉动风速谱直接给出.风洞试验是研究高层建筑横风向特性的主要手段,目前采用的风洞试验方法主要有气动弹性模型试验、高频测力天平试验和刚性模型多点测压试验.研究人员通常采用试验手段得到的横风向外加气动力和横风向气动阻尼数据,利用随机振动理论分析建筑结构的横风向响应,最后再反演出设计人员惯用的等效静力风荷载形式.研究的相关内容主要包括:横风向气动力的确定,横风向气动阻尼的识别和横风向等效静力风荷载的计算方法.1.1 横风向气动力的确定横风向气动力的确定基本上包括以下几种方法:①从气动弹性模型风洞试验得到的结构响应反演横风向气动力谱;②对刚性模型表面风压进行空间积分得到高层建筑的横风向气动力谱;③利用高频天平直接测量模型的基底弯矩来获得广义气动力.1.1.1 气动弹性响应反演法气动弹性模型响应反演法即用单自由度气动弹性模型的横风向位移或其高阶导数的功率谱结合模型的动力特性参数反演出横风向气动力谱.这种方法忽略了气动反馈作用.文献[27,30-34]对一系列圆形、方形、六角形、八角形及带凹角及圆角的方形以及截面沿高收缩的高层或柱状结构进行了气动弹性模型风洞试验.假定建筑结构的基阶模态形状与高度成正比,且忽略高阶模态的影响,用弹性支撑的刚性模型模拟高层建筑的单自由度气动弹性模型,利用应变平衡系统测得模型顶部横风向位移响应谱,结合模型的动力特性参数反演模态广义横风向气动力谱.运用这种方法,研究人员研究了高宽比、紊流度、折算风速、截面形状、涡激共振、非线性及角沿修正对气动力谱的影响.Kareem[35]的研究表明,代表气动反馈的气动阻尼力常常是不能忽略的,用气动弹性模型的风致响应反演出来的气动力中包含了外加气动力和气动阻尼力2种成分,而气动阻尼力是随结构的振动幅度811 同济大学学报(自然科学版)第38卷 及折算风速的变化而变化的,这使得利用这种方法得到的气动力谱只适用于相应风速作用下具有相应刚度的建筑,对其他风速下刚度不同的建筑是不适用的,这大大限制了试验得到的气动力谱的通用性.另外,由气动弹性模型特性引起的误差无法避免,特别是阻尼估计时误差较大.由于精度不够及适用范围的局限性,现在基本不再使用这种方法.1.1.2 刚性模型表面风压积分法为了更准确地计算结构风荷载及风致振动,风工程研究者于上世纪80年代初开始把高层建筑的横风向气动力分成外加气动力和气动阻尼力分别进行研究.气动阻尼力与结构运动有关,受结构外形、结构运动幅度、风速大小、风场特性等多个因素影响.外加气动力只是风作用在静止模型上的力,多数高层建筑是对雷诺数不敏感的钝体结构,折算外加气动力谱只受结构外形和风场环境的影响,与试验风速和结构的响应无关,因此可以直接对刚性模型表面风压进行空间积分得到,并且可以适用于不同动力特性的建筑在不同来流风速的情况.刚性模型表面风压积分法假定测点代表的面积范围内的压力完全相关,为了减少由于这一假定带来的误差,测点数应当尽量多;另一方面,由于测压设备的限制,同时测压的点数又不可能太多.测压设备发展过程中遇到了2个主要问题:(1)测压管道系统的频响特性会使脉动压力测量结果的幅值和相位失真.目前解决这个问题的常用方法有———一种是在测压管中采用扼流措施,以提高管道系统的幅频特性的平直段和相频特性的线性度[36];另一种是采用计算机进行数据处理,直接根据系统的频响特性进行修正[28].(2)测压通道数有限.对这个问题曾经提出3种解决方法———一是加权气压平均法,这种方法可以减少测压的通道数,但对于建筑体型比较复杂、高阶振动、非理想模态等问题,测压点的布置及测试都比较困难.二是用有限测点合成广义力,这些方法都利用风是平稳随机过程的假定,需要重复多次采样,而且数据处理也会增加测试的误差.Reinhold[37]通过模拟的等效数控程序来实现对风压的积分. Kareem[4,38]由模型表面同时测压积分结合风压脉动的局部时空变化确定风荷载.同时这种方法还可以为围护结构设计提供输入数据,给出了模型表面同一高度水平的功率谱密度和互谱变化.利用这种方法,他给出了城市和效区风场下横风向力函数的横风向功率谱密度矩阵.研究表明:来流湍流的增加可以使横风向气动力减小,S tro uhal(斯特劳哈尔)频率轻微减小,气动力谱带宽变宽、峰值降低. Kareem[6,39]通过时空平均技术获得时空随机压力场的局部平均数据.Kareem使用具有一致加权离散矩阵的压力接口的测压管道系统测量了多个高度水平的顺风向、横风向和扭转荷载.Reinhold,Tallin和Elling w ood[40-42]测量了结构模型上半部分的气动力,Islam等[25]利用传递函数模拟技术合成了结构模型下部的气动力.三是发展大量测点的多通道测压设备.S teckley等[43]、Suzuki等分别介绍了他们开发的设备,这些设备都利用了新的测试技术.Islam等[25]、Cheng等[44]、Yeh等[45]、Nishimura等[46]、梁枢果[47-48]和张建国[49]等对模拟风场中刚性模型表面风压进行空间积分,给出了高层建筑的横风向气动力谱,分别研究了相关性、紊流度、紊流尺度、旋涡脱落、驻点及分离点、长宽比、高宽比等对横风向气动力的影响.Cheng等[44]研究了27种流场条件,推导了用紊流强度和紊流尺度表示的横风向气动力谱的经验公式,认为紊流强度使横风向气动力谱的带宽变宽,峰值降低,但总能量不变化;紊流尺度使总能量减小,但不影响谱线形状.Yeh 等[45]从理论上推导出并从试验中证实了矩形截面高层建筑的横风向气动力谱中频率大于旋涡脱落频率的部分可以表达为折算频率的指数函数形式,指数为-10/3.Nishimura等[46]研究了亚临界区平滑流中静止2维圆柱脉动气动力的形成机理,给出了顺风向及横风向气动力谱以及圆柱上不同位置的压力谱.得到结论:驻点及分离点的脉动与横风向气动力的脉动同步,脉动横风向气动力在Strouhal频率及3倍Strouhal频率处有峰值.梁枢果[47-48]研究不同长宽比、高宽比的矩形棱柱体在边界层风洞中典型迎角下的横风力,提出了矩形高层建筑横风向气动力谱的经验公式,建立了完整的横风向动力风荷载解析模型.这一模型包括了横风向动力风荷载沿高度变化信息和空间相关信息.将横风向功率谱分为2部分:1/4≤长宽比<3时,横风向功率谱只有1个峰值,由旋涡脱落引起,功率谱曲线带宽与高宽比有关;3≤长宽比≤4时,横风向功率谱有2个谱峰,分别由初级旋涡和分离流再附引起的次级旋涡脱落产生.两谱峰的能量分配与风场湍流度、结构高宽比和截面厚宽比有关.张建国[49]从7种典型超高层建筑刚性模型的同步测压试验数据中分解出各层横风向荷载的横向紊流作用及旋涡脱落激励作用,进而求得各自对应的横风向1阶广义力谱,分析结果表812 第6期全 涌,等:高层建筑横风向风效应研究综述 明:横向紊流对横风向气动力谱的贡献较小,而旋涡脱落激励对总横风向气动力谱的贡献较大;在不同风场中这些贡献会发生改变.根据同步测压试验分解横风向气动力谱的方法可以清楚地解释超高层建筑横风向气动力谱的构成部分.利用刚性模型表面压力测量风洞试验可以计算出结构基阶以及高阶广义气动力谱.但由于这种方法需要在模型表面布置大量测压孔并用大量管道将测压孔与测量设备连接起来,实验过程比较复杂,特别是在进行系统性研究而需要对大量模型进行测压试验时显得非常麻烦.并且,对于表面变化复杂的结构,很难用这种方法准确地测量出外加气动力.1.1.3 高频动态天平测力法测压扫描阀在风工程界得以广泛应用的同时,高频天平也渐渐被风洞试验广泛采用.当高层建筑的模态振型被简化为高度的线性函数时,其模态广义气动力与气动基底弯距存在简单的线性关系.当高层建筑的模态振型偏离理想的线性函数时,也可以通过一些修正方法将广义气动力修正成气动基底弯矩的线性函数.因此,只要把高频天平安装在高层建筑刚性模型基底就可以轻松测得它的基阶广义气动力.高频动态天平是20世纪70年代逐步发展起来的.最早试图利用这种设备测基底弯矩的是Cerm ak 等,他们首先指出了天平的固有频率必须很高. Whitbread首先设计出了两分量天平,考虑了系统刚度与灵敏度的折衷[22].Tschanz等[50]研制的五分量天平标志天平设备基本成熟,它的固有频率可达280H z.Marukaw a[51],Kanda[52],Kareem[6],Xu等[53]及全涌等[21-22,29]用五分量天平测量了中高层建筑的横风向气动力,研究了高宽比、宽厚比、风场、风向、扭矩分量、相关性、截面形状及角沿修正对高层建筑横风向气动力谱的影响.Marukaw a[51]基于加速度响应与风速成正比的假定,给出了横风向响应的简化公式.同时为了方便估计横风向响应,提出了横风向倾覆弯矩功率谱密度的表达式.其中只考虑了强迫振动作用,不考虑气动正阻尼作用、“锁定”激励、驰振和颤振的影响.Kanda[52]测量了3种大气边界层风场中方形、矩形、三角形及菱形截面高层建筑的脉动风荷载,研究发现:乡村地貌下的顺风向气动力谱的峰值频率高于海岸地貌和市区地貌,但总体上谱形状趋于一致;对于横风向气动力谱,建筑的形状不同,峰值频率也不同;湍流度增加,谱峰降低,谱形状变宽.Kareem[6]测量了各种截面形状的中高层建筑在市区和郊区风场中的横风向气动力谱,研究表明:由于横风向气动力谱较陡、平均风速不确定和谱的离散性较大,造成横风向响应的易变性;但感兴趣的频率范围内高宽比确实会影响谱的幅值和形状,但其试验中高宽比在4～6时其变化对横风向气动力谱的影响不大;通过气动力谱分析,进一步证实顺风向和横风向或扭转向力的相关是可以忽略的,但横风向与扭转向力分量的相关很明显.Xu等[53]测得线性模态形状的广义气动力谱.假定脉动顺风向、横风向和扭转向激励互谱可以用同一表达式近似表示(不考虑与幅值相关的横风向激励,如锁住和驰振激励),考虑相关系数的2种极限情况———风荷载随高度的低相关和高相关,将广义气动力谱修正到适用于任意振型,并给出了一些实用的公式.全涌和顾明[21-22,29]拟合得到了折算横风向气动力谱及气动力系数的经验公式,这些公式已被纳入我国地方性设计规程.虽然高频动态天平试验法可以简单高效地得到广义气动力,但以上研究均是在线性振型假定的基础上得到的结果,即使使用各种方法将其修正到任意振型,但终究都是对基阶振型进行修正,没有考虑任意高阶振型的影响.1.2 横风向气动阻尼的识别Kareem[35]对刚性模型测压风洞试验中测得的表面压力进行空间积分,导出横风向外加气动力谱,发现在折算风速>6时,用此气动力谱计算得到的响应明显低于用同一建筑气动弹性模型试验测得的响应.这使得人们认识到横风向负气动阻尼的存在及其可能造成的危险.气动阻尼的影响因素很多,包括结构外形、风速大小、风场条件及结构振动强度等等,使得结构响应计算时气动阻尼的取值成为一个难题.这使得气动阻尼的识别成为人们一直关注的重要问题之一.经过30多年的探索,人们发现很多识别气动阻尼的方法.这些方法大体上可以分为3类:①用刚性模型与气动弹性模型比较试验计算出气动阻尼;②从模拟风场中做强迫振动的建筑模型所受气动力中分离出气动阻尼力,从而得到气动阻尼;③用系统参数识别的随机方法从模拟风场中气动弹性模型的随机响应输出信息中识别出气动阻尼.1.2.1 刚性模型与气动弹性模型试验比较法Isyumo v等[54]总结了2种得到气动阻尼的方法:一种是对比已知结构阻尼的高频天平测力模型813 同济大学学报(自然科学版)第38卷 和气动弹性模型响应的共振分量得到气动阻尼;另一种是测量响应谱,并由半功率谱法或从自相关函数中估计气动阻尼.结果表明:在高湍流环境下,在关心的风速范围内,大部分高层建筑的气动阻尼很小.Cheng等[26]通过对比气弹模型和压力模型预测结果来研究孤立方形高层建筑的横风向响应和气动阻尼,并提出了气动阻尼的经验模型.将气动阻尼与横风向气动力谱结合计算的横风向响应与测量结果吻合很好.研究表明:城市风场条件下的方形建筑横风向响应是气动稳定的;基于质量阻尼系数,开阔地区风场下的横风向响应分为3个区域:气动稳定区、气动非稳定区和气动发散区.这种方法比较直接,容易被人们理解和接受,但它对2个类型风洞试验的要求都比较高,其中任意一试验的误差都会导致气动阻尼计算精度的下降,这使得这一方法很难得到广泛运用.1.2.2 强迫振动试验法Steckley[28,55]开发了一套用于测量运动导致的气动力的强迫振动模型系统.该系统上部为建筑模型,置于风洞中;下部包括转动轴承、马达驱动设备、位移传感器及测力设备等,置于风洞下方.他利用这套系统对模拟风场中以单自由度模态做强迫振动的高层建筑模型的基底弯矩进行了测量,并从中分离出与结构运动相关的气动力,然后再分解成与运动同步的气动刚度力和与运动反相的气动阻尼力,最终由气动阻尼力计算出气动阻尼比.Vickery等[56]用负气动阻尼模型将气动力分为同相位分量和反相位分量,验证了用负气动阻尼模型完全可以获得有足够精度的湍流剪切层中3维结构的涡激振动. Watanabe[57]基于S teckley[28]的试验数据,将高层建筑横风向气动阻尼比表达为折算风速的闭合经验公式,并试图将公式的一些参数表达为结构振动幅度、风场紊流度、结构高宽比和结构截面形状的函数.但由于原始试验工况有限,其结果并不能反映详细的参数变化.Nishimura等[58]改进了上述方法的试验装置,把2个有相同质量和外形的模型安装于一连接杆上下两端,上端模型置于风场中,下端模型置于风洞外.用马达驱动连接杆,强迫2个模型同步做简谐振动,用安装于连接杆两端模型基部的传感器测出2个模型基底弯矩的响应时程序列,两序列相减得出结构振动时的广义气动力序列,并从中分离出气动阻尼.但他仅仅对1个方形截面高层建筑的气动阻尼进行了研究.Cooper等[59]测量了强迫简谐振动刚体模型的表面风压,然后积分得到广义气动力,再采用类似S teckley的数据处理方法得到气动阻尼.但他也仅仅给出了1个截面沿高收缩的切角方形高层建筑的试验结果.这种方法的开发开始是为了与测力天平试验相结合,分别获得气动阻尼和气动力,最终得到结构的响应.强迫振动试验法比气动弹性模型方法的优越之处在于风洞试验与实际结构特性无关.因此它可以直接和具有各种动力特性的结构响应相结合.不过其装置比较复杂.1.2.3系统参数识别法系统参数识别法即用参数识别的随机方法从模拟风场激励下结构气动弹性模型的随机振动响应信息中识别气动阻尼.参数识别的随机方法很多,可以分为功率谱密度法、谱矩法、自相关函数法等频域方法,自回归或移动平均模型法、随机减量法等时域方法以及小波分析法、希尔伯特-黄分析法等时频方法.频域识别法的最大优点是直观,从实测频响函数曲线上就可直接观测到模态的分布以及模态参数的粗略估计值,以作为有些频域识别法需要输入的初值;其次是噪声影响小,由于在处理实测频响函数过程中利用频域平均技术,最大限度地抑制了噪声影响,使模态定阶问题易于解决.时域识别法的主要优点是可以只使用实测的响应信号,无需经过傅里叶变换处理,因而可以避免由于信号截断而引起泄露,出现旁瓣、分辨率降低等因素对参数识别精度所造成的影响.时域方法中以随机减量法被广泛用于高层建筑的气动阻尼识别.Jeary[60-62]将随机减量技术引入风工程,用以从自然风作用下高层建筑的随机振动信息中识别结构阻尼.他认为这种技术不仅适用于线性阻尼系统、严重非平稳力作用下(风的幅值或方向发生变化)的阻尼识别、从极低频数据中识别阻尼,还可以用于识别随振幅变化的阻尼.他指出,随机减量信号的清晰程度取决于结构自由振动周期与结构阻尼比的比值,比值越大随机减量信号值将显得越清晰.然而,在集合平均时,为了消除随机量的影响,需要的数据段数可能很多.Tamura[63]对随机减量技术的应用进行了深入讨论,对影响识别结果的参数进行了仔细分析.通过对随机减量技术(random decrement technique, RDT)传统条件的修正,提出了一种受峰值控制的随814。
高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特征
第23卷第7期 V ol.23 No.7 工 程 力 学 2006年 7 月 July 2006 ENGINEERING MECHANICS93———————————————收稿日期：2004-10-14；修改日期：2005-05-14基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金(50321003)；教育部“高等学校骨干教师资助计划”联合资助作者简介：*顾明(1957)，男，江苏兴化人，教授，博导，长江学者，主要从事结构抗风研究(E-mail: Minggu@)； 文章编号：1000-4750(2006)07-0093-06高层建筑风致响应和等效静力风荷载的特征*顾 明，叶 丰(同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)摘 要：详细讨论了高层建筑风致振动和等效静力风荷载的计算方法及其特征。
将结构风致响应分解为平均响应、动力响应的背景分量和共振分量，给出了相应的计算公式；还给出了背景和共振等效静力风荷载的计算公式，提出了等效静力风荷载组合的一种简便方法，并讨论了计算背景分量的QML 法和LRC 法的差异。
最后，以一典型高层建筑为算例，讨论了高层建筑风致响应和等效静力风荷载的主要特征。
关键词：高层建筑；风致响应；等效静力风荷载；背景分量；共振分量 中图分类号：TU312+.1; V211.74 文献标识码：ACHARACTERISTICS OF WIND INDUCED RESPONSES ANDEQUIV ALENT STATIC WIND LOADS OF TALL BUILDINGS*GU Ming, YE Feng(State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract: Computational methods and representative characteristics of wind induced responses and equivalent static wind loads of tall buildings are discussed in detail. The responses and equivalent static wind loads are both divided into mean, background and resonant components, and the formulas for these components are given correspondingly. The difference between QML and LRC approaches for background component is then discussed. A simple and convenient method for total equivalent static wind loads is proposed. Finally, a typical tall building is taken as an example to demonstrate the main characteristics of the responses and equivalent static wind loads of tall buildings.Key words: tall building; wind induced response; equivalent static wind load; background component; resonantcomponent高层建筑和高耸结构抗风研究是结构工程领域中当前的热点。
毕业论文参考文献分析解析
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Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.1998,74-76:829-838 18同济⼤学⼟⽊⼯程防灾国家重点实验室.“风的湍流特性观测与分析”苏通⼤桥桥位⽓象观测、风参数研究(四期报告)[R].上海:同济⼤学,2004.19 张玥西部⼭区⾕⼝处桥位风特性观测与风环境数值模拟研究[D].长安⼤学博⼠论⽂.2009.12.20 Gunter Schewe, Allan Larsen. Reynolds number effects in the flow around a bluff bridge deck across section. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic.1998,74-76:829-838.21罗云.CFD⽅法在边界层风洞流场模拟中的应⽤研究[D].上海:同济⼤学硕⼠学位论⽂,2000.6[22]刘明,沿海地区特性实测分析与⼤跨度桥梁抖振响应研究[D].成都:西南交通⼤学博⼠论⽂,2013.6.23 Rathbun, J.C. Wind forces on a tall building. Transactions of ASCE, 1940, 105:1-41.24 A.G Davenport. The Relationship of Wind Structure to Wind Loading. Paper No.2 Proc Confon Wind Effects on Buildings and Structures:N.P.L.1963.25 A.G Davenport. The Spectrum of Horizontal Gustiness Near the Ground in High Winds.Quarterly of the Roya1 Met soclety.1987,194-211.26 Harstveit K. 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典型超高层建筑表面风压试验研究
典型超高层建筑表面风压试验研究摘要：本文以济南CBD核心区某超高层塔楼为研究对象，开展了比例尺为1：300缩尺模型风洞试验，获得了多个风向角下风荷载时程，计算了各测点风压系数，分析了测点平均风压随建筑高度及风向角的变化情况，最后得到了24个风向角下超高层建筑的测点风压极值。
所得结果可为相关抗风设计提供参考。
关键词：风向角；超高层建筑；风洞试验；风压分布；极值风压引言我国城市化的发展进一步推动了建筑的规模，高于250m的超高层建筑在全国大中小城市越来越普遍[1]。
出于舒适性与安全性考虑，超高层建筑的表面风荷载一直受到广泛关注与研究，风洞试验在超高层建筑风荷载的研究中使用最为广泛，是设计阶段得到建筑物表面的风压分布较为理想的方法，陈玮[2]通过数值风洞模拟和风洞试验结果对比，差别小于15%，证明了两种方法的可行性。
李正良[3]、邵远航[4]利用刚性模型风洞测压试验，探究了超高层建筑周边有、无干扰建筑的环境下的表面风压分布，Lin等[5]也对9种不同截面尺寸的矩形超高层建筑进行刚性模型测压试验。
尽管已有大量针对超高层建筑的风荷载研究，但面对实际工程的需要，还是显得相对匮乏。
为了进一步研究超高层建筑风荷载的变化规律，本文以山东济南市某核心区典型超高层建筑作为研究对象，进行动态测压风洞试验，并改变风向角，获取超高层建筑的表面风压分布特性以及一些特殊测点风压在不同风向角下的变化规律，为今后相关高层建筑结构设计提供参考。
1 风洞试验研究对象位于济南市CBD核心区南入口核心位置，塔楼高度为316.93米，模型与实物在外形上保持几何相似，缩尺比为1:300，模型高度为110cm。
该建筑结构模型风洞实验在长沙理工大学进行，风洞试验以主建筑物为中心，模拟半径500m范围内的周边主要建筑，均置于风洞试验段转盘上，进行数据测量，如图1所示。
该试验进行24个风向（0~360，间隔15，顺时针旋转）的结构表面风压的测量，定义模型南立面来风为0°风向（风向角β= 0°）如图2所示。
风场类型对高层建筑风致响应的影响研究
Vol. 40 No. 1Feb.2226第30卷第6期2026年2月自然灾害学报JOURNAL OF NATURAL DISASTERS文章编号：1004 -4777(2026 )06 -0127 -03 DOI ： 10.18777/j. jnd. 2026.06 8风场类型对高层建筑风致响应的影响研究刘 钢6，,李永贵6，,肖翅翔6，,李 毅6，3.湖南科技大学结构抗风与振动控制湖南省重点实验室，湖南湘潭46 406 ； 2.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭46 206)摘要:风荷载是影响高层建筑安全性的重要因素之一，而不同的风环境会对高层建筑的风致响应存在不同程度的影响，基于此背景，本文通过高层建筑多自由度气动弹性模型风洞试验，获得了结构 原始加速度时程曲线，采用随机减量法对其气动阻尼进行识别，分析了风场类型对高层建筑气动阻 尼比和风致加速度响应的影响°结果表明：横风向气动阻尼比随折减风速的变化起伏较大,顺风向气动阻尼比随折减风速的增大而增大;折减风速小于特定值时，地貌类型对气动阻尼影响较小；随着 风场类型从A 类变化为D 类，结构横、顺风向的气动阻尼比的变化趋势趋于平缓，气动阻尼比的正峰 值减小，正峰值风速增大。
高层建筑横风向的加速度响应大于顺风向；风场类型从A 类变化为D 类的过程中，横、顺风向的加速度响应均减小。
风向角对气动阻尼比和加速度响应均存在较明显的影 响°关键词:高层建筑;多自由度气弹模型;风洞试验;气动阻尼;加速度响应中图分类号:TU975.6 + 18；TU317.6； X43 ； X9 文献标识码:AEffect of geomorphologic terrian cateyoriys on wind-inducedresponse of a tall builOingLU Gang 1,2, LI YoogkuW 2, XUO ChWiang 11, LI Yi 11(6. Hunan Provincial Key Laboratop of SWuctures for Wind Resistance and Vibration Control ,Hunan Univevity of Science andTechnoWgp, XianyWn 46206 .China ; 2. School of Civil Enyineedny,Hunan Univevity of Science and Technologp ,Xianytan 46206 .China)Abstrrct : Wind load is ona of tha impodani fuctors a/ecting tha safetp of high-risa buildings , and diWerenl windenvipumenis will huva vvping depreas of impacl on tha wind-induceb psponsa of high-risa buildings. Accorbing ta this bucUnpund , tha nepUypamie damping ration won iPentiOeb ba random decremenl techniqua based on multi c Peprea-of-freebom aevelastic moUel wind tunnel test, tha Of e cl of yomopho/yie tevinn catepodas on thanepUypamie damping and wOdOndudb psponsa of tha tall building wus 0/0—/0. Tha results sPow that : Cpsscwind ueaPypamic damping ration Ouctuatas yp// with tha changa of tha rePuceP wind ve/citp : a/oa-wind pope dypamie damping ration increvsas with incrensing wind yUocity; when tha rePuceP wind vvlocitp wus below n cevtain vvlua , puuhno s oposuv had less WOuenco on tha along-wind ueppypamic damping ration. As tevinn c/gf yodas changa Oom Ata D , tha trend of ueppypamic damping ： s changa tend / ba s/ndy , tha posit/a pevks ofueppypamic damping ration wus reduced , and so doas tha cowopondWg reduced wind v/city. Tha ucce/rationpsponsa of cross-wind is yreatar thun thni of tha a/oa-wind. As tevinn catepodas changa fpm A/D , ucce/ration psponsa of cross-wind and aWna-wind wus dopwed. Tha wind direction hus oUvious inOuenca on nepdypamie收稿日期：2020 -06 -05;修回日期：2020 -16 -09基金项目：国家自然科学基金项目(51878276 , 36778207);湖南省教育厅基金项目(18B206)Supported by : National Natural Science Foyudation of China (51873276 , 36778207) ; Foyudation of Hunan Provincial EPucat/o DepaPmen-(18B206)作者简介:刘 钢(1093 - /男，硕士研究生,主要从事结构风工程研究.E-mail : 1019923855@ qq. cm通讯作者:李永贵(1086 -),男，副教授,博士,主要从事结构风工程研究.E-m/i ：/a@ htP edn. d第）期刘钢，等:风场类型对高层建筑风致响应的影响研究35damping ratia and gEXx/Wn msponsa.Key words:tali buildiny；multi-Seyrea-of freebom nera-elastic model;wind tunnel texts;axobyiRmic dampiny ratio;nccoWration responsa高层建筑在强风作用下会发生较大幅度的振动，引起比较明显的气动弹性效应,产生较大的风致响应。
浅析超高层建筑的中央空调系统的动态负荷预判技术
浅析超高层建筑的中央空调系统的动态负荷预判技术超高层建筑是现代城市中常见的建筑形式，其高度和复杂的结构对中央空调系统提出了极高的要求。
对于这种特殊的建筑形式，中央空调系统的动态负荷预判技术显得尤为重要。
本文将从超高层建筑的特点和中央空调系统的需求入手，分析动态负荷预判技术的重要性，并探讨该技术的具体应用。
让我们来了解一下超高层建筑的特点。
超高层建筑通常是指高度在300米以上的建筑物，除了高度外，超高层建筑还可能具有大跨度、复杂结构等特点。
这些特点给中央空调系统带来了挑战。
一方面，超高层建筑的高度和复杂结构要求中央空调系统具备更大的制冷和制热能力，并且需要更大的通风量和空气流通能力。
由于高层建筑内外气温、日照等因素变化很大，因此中央空调系统需要具备较强的自适应能力，能够根据外部环境的变化及时调整运行状态，以保证室内舒适度和能耗的平衡。
针对超高层建筑中央空调系统的需求，动态负荷预判技术显得尤为重要。
动态负荷预判技术是指通过对建筑的使用情况、外部环境的变化等因素进行分析和预测，实时调整中央空调系统的运行状态，以实现能源的合理利用和室内舒适度的保障。
该技术的应用可以有效提高中央空调系统的运行效率，降低能耗，延长设备的使用寿命，并且保证室内环境的舒适度。
动态负荷预判技术的应用包括预测室内外温度、湿度的变化趋势，分析建筑的日照、用电、人流等数据，以及对中央空调系统运行状态进行实时监测和调整。
在超高层建筑中，由于建筑本身的特殊性，预测模型需要考虑更多的因素，比如空调系统的运行能力、管道系统的布局、室内外气流的影响等。
预测模型需要利用大数据处理技术，对海量的数据进行分析和挖掘，以获取更精准的预测结果。
在实际应用中，动态负荷预判技术可以通过智能化的建筑管理系统来实现。
这种系统通过传感器、监测设备等硬件设施采集数据，结合先进的数据处理和人工智能算法，对建筑的使用情况和外部环境进行实时监测和分析，预测各种负荷的变化，并通过控制中央空调系统的运行状态，实现能源的合理利用和室内舒适度的保障。
矩形超高层建筑横风向脉动风力,Ⅱ:数学模型
矩形超高层建筑横风向脉动风力,Ⅱ：数学模型
唐意;顾明;全涌
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2010(029)006
【摘要】系列文章的第一部分总结了矩形截面高层建筑横风向脉动风力的基本特征.在此基础上,采用非线性最小二乘法,以风场类型及厚宽比为基本变量,对横风向脉动风力根方差系数、竖向相关系数以及功率谱密度进行拟合,得到横风向脉动风力的闭合求解公式.最后通过与试验结果的比较,验证了这些公式的精度.运用这些公式,可较为方便地计算矩形截面高层建筑的横风向脉动风力.
【总页数】4页(P46-49)
【作者】唐意;顾明;全涌
【作者单位】同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;中国建筑科学研究院,北京,100013;同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092;同济大学,土木工程防灾国家重点实验室,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU312.1
【相关文献】
1.独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究 [J], 曹会兰;全涌;顾明;吴迪
2.矩形超高层建筑横风向脉动风力.Ⅰ:基本特征 [J], 顾明;唐意;全涌
3.矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的风洞试验研究 [J], 曹会兰;全涌;顾明
4.矩形高层建筑顺风向脉动风荷载空间相关性 [J], 曾加东;李明水;李少鹏
5.矩形截面高层建筑横风向脉动风荷载特性 [J], 袁深根;李永贵;孟灿;周志锦;罗晓勇;陈辉
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金茂大厦风致振动的实验研究_顾明
金茂大厦风致振动的实验研究顾 明 周 印 张 锋 项海帆(同济大学土木工程防灾国家重点实验室 上海,200002)江欢成(华东建筑设计研究院 上海,200092)摘要 在同济大学T J-2边界层风洞中对总高为420.5m 上海金茂大厦的模型进行了高频动态天平测力模型试验和多自由度气动弹性模型试验,根据试验结果及计算得到了该塔楼在风作用下的动力响应,以及风向、地貌和周边建筑的干扰等条件对结构风振响应的影响,将主要结果和加拿大西安大略大学边界层风洞的主要试验结果进行了对比,两者在工程精度范围内吻合较好。
关键词:超高层建筑;结构振动;风洞实验;多自由度气动弹性模型中图分类号:T U 1;T U 311.3引 言目前多数超高层建筑的抗风设计都突破了规范的限制。
对于规范所不能包含的建筑物的抗风特性研究,通常采用风洞试验方法。
高频测力天平模型试验方法是目前应用非常广泛的一种方法[1～2]。
其优点是试验简单,便于工程应用,而其不足之处是只能适用于一阶振型为线性(即一阶振型为直线型)或近似线性的结构,且不能计入气动弹性效应[3]。
但对一般的高层建筑物,振型的非线性和气动阻尼并不严重,所以,一般而言,这一方法有较高工程精度。
气动弹性模型主要包括单自由度气动弹性模型和多自由度气动弹性模型。
前者为弹性支撑上的刚体模型,只能模拟结构几个方向的基阶频率和线性振型;后者可模拟结构多阶频率和实际振型,试验结果更为可信,但模型设计、制作难度远远大于前者[4]。
高层建筑的多自由度气动弹性模型的风洞试验国外也较少进行。
金茂大厦的高度目前属国内第一,世界第三,是一幢典型的风荷载控制的超高层建筑。
为了全面研究金茂大厦这一超高层建筑的风振特性,作者设计、制作了这一建筑的高频动态测力天平模型和多自由度气动弹性模型,并在同济大学T J -2边界层风洞中对其进行了试验。
通过分析获得了其动力风荷载、风振响应等。
本文介绍主要结果。
1 模型系统及试验概况1.1 高频动态测力天平试验模型系统 高频动态测力天平由作者自行研制。
矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的风洞试验研究
矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的风洞试验研究曹会兰;全涌;顾明【摘要】The mechanism of aerodynamic damping in cross-wind is very complicated.No widely adopted theory and sophisticated method are available up to date,with no relevant guidelines in the load standards and codes in most countries.In order to investigate the effects of roughness exposure,aspect ratio and side ratio on across-wind aerodynamic damping ratio,the random decrement technique is used to evaluate across-wind aerodynamic damping ratios from wind-induced acceleration responses of 15 aeroelastic models.The evaluated results are compared with previous research achievements.The characteristics of across-wind aero-dynamic damping ratio of rectangular high-rise buildings are studied.Results indicate turbulence intensity and side ratio are the most important factors affecting across-wind aerodynamic damping ratio.Aspect ratio indirectly affects aerodynamic damping ratio through making change of response amplitude.For the variation rule of aerodynamic damping ratio with reduced wind velocity,both of the magnitudes of positive and nega-tive peaks decrease as turbulence intensity increases.Meanwhile,reduced wind velocity,from which aerody-namic positive damping ratio changes to negative damping,increases as turbulence intensity increases.Side ratio has significant influence on across-wind aerodynamic damping ratio,and completely different tendency are observed for B/D <1,B/D =1 andB/D >1.According to the database,empirical aerodynamic dampingfunctions are proposed to estimate aerodynamic damping ratios at low reduced velocities for rectangular su-per-high-rise buildings with an aspect ratio in the range of 5 to 10,a side ratio of 1/3 to 3,and lateral turbu-lence intensity varying from 0.67% to 17.06%.%通过15个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验，利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了横风向气动阻尼比，并通过比较验证了识别结果的正确性。
复杂体型超高层建筑风压脉动特性
第41卷 第8期2009年8月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报J OURNAL OF HARBI N I NSTI TUTE OF TECHNOLOGYVo l 41N o 8Aug .2009复杂体型超高层建筑风压脉动特性金 虎,楼文娟,沈国辉(浙江大学结构工程研究所,杭州310058,l ouw @j zj u .edu .cn)摘 要:为研究超高层建筑顺风向和横风向脉动风压功率谱的变化规律,以某X 型超高层建筑为工程背景,进行刚性模型测压风洞试验.利用T amura 等基于准定常假定提出的由顺风向脉动风速谱转化得到顺风向脉动风压谱的方法将D avenport 和K a i m a l 风速谱转化为脉动风压谱,并将两者得到的风压谱与试验结果进行了对比;利用O hkuma 等提出的矩形建筑横风向风荷载功率谱的数学模型来拟合侧风面测点脉动风压谱,结果能够与试验很好的吻合.分析了相同高度处各测点之间以及不同高度测点层各测点脉动风压之间的相关性;最后研究了测点风压的水平和竖向相干性,并利用基于单参数最小二乘算法的计算程序对测点空间相干函数曲线进行拟合,结果与风洞试验吻合较好.关键词:脉动风压;功率谱;相关性;相干函数中图分类号:TU 973 213文献标识码:A 文章编号:0367-6234(2009)08-0111-07Fluctuati ng character i nvestigation on w i nd pressureof h i gh rise buil di ng w ith co mplex shapeJI N H u,LOU W en j u an ,S H E N Guo hui(Institute of Structura l Eng i neer i ng ,Z he jiang U niversity ,H angzhou 310058,Chi na ,l ou w @j zj u .edu .cn)Abst ract :The w ind tunnel test of a tall bu ilding w ith X shape w as carried out and the po w er spectru m for along w i n d and across w i n d w ind pressure of this building w as stud ied .Po w er spectr um for w i n d velocity o fDavenpo rt and K ai m a lw ere converted to that for fl u ctuati n g w i n d pressure accord i n g to the m et h od proposed by Ta m ura ,etc .W i n d pressure of the test po i n t on side w i n d surface w as fitted accordi n g to the m athe m atica l m ode l a i m ed at rectangular ta ll buildings pr oposed by Ohkum a .The fitted po w er spectr um density cur ve o f w ind pressure i n a l o ng w ind and across w ind direction w as co m pared w ith test data .H o rizon tal and vertical cor re lation relationsh i p s a m ong w i n d pressures o f different test po ints w ere analyzed .H orizonta l and vertica l co herence features of fl u ctuati n g w i n d pressures w ere i n vestigated and the coherence curve w as fitted based on t h e least squares pr ocedure for si n g le para m e ter .The fitted coherence curve ag rees w ellw ith t h e w i n d tunne l tes.t K ey w ords :fl u ctuati n g w ind pressure ;po w er spectr um;correlati o n;coherence functi o n 收稿日期:2007-06-11.作者简介:金 虎(1981 ),男,博士研究生;楼文娟(1963 ),教授,博士生导师.超高层建筑常常具有不规则的平面结构形式,当风流过这样的建筑时就会产生显著的剪切、再附和涡脱落等效应,从而使建筑表面风压的脉动特性及其空间相关性与一般矩形高层建筑有很大的差别[1~4].叶丰,顾明对10种不同断面超高层建筑风压的幅值特性和频域特性进行了研究,着重讨论了水平和竖向相关系数、水平和竖向相干函数[5,6].葛楠、周锡元等从湍流理论的基本方程出发,导出了结构横风向脉动风压谱密度函数的计算公式[7].本文以宁波市某X 型超高层建筑为工程背景,在多通道同步测量刚性模型表面风压风洞试验的基础上,分析了这种具有复杂体型超高层建筑顺风向与横风向不同高度处各测点风压的功率谱变化规律,利用Ta m ura 等基于准定常假定提出由顺风向脉动风速谱转化得到顺风向脉动风压谱的方法将D avenport 和K ai m al 风速谱转化为脉动风压谱,并将两者得到的风压谱与试验进行了对比;利用Ohkum a 等提出的矩形建筑横风向风荷载功率谱的数学模型来拟合侧风面测点脉动风压谱,结果能够与试验很好的吻合.文中还探讨了相同高度处各测点之间以及不同高度测点层各测点之间的脉动风压相关性;最后研究了测点风压的水平和竖向相干性,并利用基于单参数最小二乘算法的计算程序对测点空间相干函数曲线进行拟合,结果与风洞试验吻合较好.1 工程背景及风洞试验该超高层建筑高158m,标准层平面为X 形,体型在顶部138m 以上发生变化,从标准层的四个分支变成两个分支,丰富了建筑形象,见图1.由于该超高层建筑呈X 形布局,并且在顶部发生体型变化,我国规范对这种造型独特超高层建筑的风荷载缺乏准确完备的资料,因此为保证结构设计的安全、经济和合理,有必要进行该超高层建筑风压测定的风洞试验,为该建筑的抗风设计和舒适度验算提供精确可靠的数据.图1 结构平面及部分测点示意图本试验采用GB50009-2001 建筑结构荷载规范!中规定的B 类地貌大气边界层气流,边界层厚度为1 6m ,风速沿高度变化指数 =0 16,高度1m处湍流度I u =9%,湍流度沿高度变化指数为-0 3.风洞模拟流场的平均风速和湍流度剖面如图2所示.风洞试验采用1∀150的刚性模型,共布置六个风压测点层,见图3.由于该建筑物体型复杂,拐角点较多,故每个测试层上测点布置的密度较大,尤其是在角点处.试验风向角根据建筑物和地貌特征,在0#~360#内每隔15#取一个风向角,共有24个风向角.试验参考风速约10 3m /s .某角度某点风压系数共有4096个时程数据,采样时间为13 1s ,实际采样频率为(4096/13 1=)312 67H z .试验使用了6个压力扫描阀模块,每个扫描阀模块64个通道.图2 平均风速与湍流度剖面图3 测点层高度布置2 模型表面测点风压功率谱模型2 1 顺风向一般认为,高层建筑迎风面的风压符合准定常假定,即迎风面风压的脉动主要由脉动引起[8,9].本文基于准定常假定,利用脉动风速谱推求高层建筑迎风面顺风向脉动风压功率谱,为S w (z ,f )={ s V z }21+2f AV z 4/3-2S v (z ,f ).(1)式中:S w (z ,f )为z 高度处脉动风压谱;f 为频率;∃112∃哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第41卷为空气密度;s为局部体型系数;V z为z高度处平均风速;A为结构投影面积;S v(z,f)为顺风向风速谱,本文采用了Davenport风速谱和K ai m a l 谱[9,10].由式(1)就可以根据脉动风速谱得到相应的迎风面脉动风压功率谱,本文下面叙述的模拟风压谱即是根据相应的风速功率谱谱经过式(1)转化得到的,如Davenport风压谱即是根据Daven port风速谱得到的,下面将不再赘述.限于篇幅,文中仅给出A1、B1、D1以及F1等迎风面测点的脉动风压功率谱,见图3.其中A1测点位于建筑顶部突变层,B1、D1和F1各测点位于结构标准层,且四点在同一铅直线上(测点平面位置参见图1).从图4中可以看出以下两点:(a)在不同的高度位置,该X型建筑顺风向的风压脉动谱都有一个明显的先上升后下降的过程,这与Davenport 风压谱的变化规律很相似,但Davenport风压谱的峰值频率略小,且谱峰不够明显;而K ai m al风压谱则随频率单调下降,没有这样一个先升后降的过程.(b)无论在低频范围内还是高频范围内, Davenpo rt风压谱的谱值都与该建筑实测功率谱值吻合较好;而K ai m a l风压谱的谱值在低频范围内明显大于实测风压谱值和Davenport风压谱的谱值,仅在高频区域稍稍吻合,但仍略微偏大.因而总体上来看,仍是Davenport风压谱值与实测脉动风压谱值吻合较好.2 2 横风向横风向脉动风荷载由顺风向风紊流、横风向风紊流和尾流涡脱落等构成,因而风压脉动特性不同于顺风向的情况,Ta mura等提出的方法并不适用,因此侧风面风压谱不适于由横风向风速谱直接转化得到.顾明[11]等针对10种不同截面类型的高层建筑,提出了横风向风荷载的功率谱计算模型,并将横风向风荷载功率谱分为横风向紊流项和涡激励项两部分.Ohkum a与Kanaya[12]针对矩形高层建筑,在考虑风紊流和涡激励对横风向风激励贡献的基础上,给出了横风向风激励谱的表达式:fS FL(f) !2L =4B∀#S t21-#S t22+4B2#S t2(2)式中:#为无量纲化频率,#=fD/!U H;S t=0135 -0 069exp(-0 056H/D),为斯托拉哈数;B= 0 6exp(-0 3H/D),为与带宽有关的系数.图4 建筑物迎风面不同高度处脉动风压功率谱本文在Ohku m a[12]等给出的横风向风激励谱数学模型的基础上提出了侧风面脉动风压谱的表达式.根据实测横风功率谱进行公式拟合,拟合结果见表1.fS w(f)!2L=A∃#S t21B1-#S t22+4B#S t2.(3)式中:A、B和S t为待定参数,对于标准层X型截面,B=0 3exp(-0 3H/D);对于顶部突变层截∃113∃第8期金 虎,等:复杂体型超高层建筑风压脉动特性面,B =2 4exp (-0 3H /D ).表1 侧风面脉动风压谱各参数拟合结果拟合参数A B S A 层8 3940 8850 089突变层B 层7 8620 1500 079D 层7 2360 1260 077标准层F 层6 0650 0860 074图5为侧风面各测点脉动风压谱的变化规律,测点A19、B20、D20和F20位于同一铅直线上,参见图1.由图5中可以明显的看出:(1)除结构顶部测点A19以外,其余各点都有明显的谱峰,且谱峰对应的峰值频率即漩涡脱落频率基本相同,相应的斯托拉哈数S t 为0 079~0 074;(2)随着高度的降低,紊流度的增大,侧风面风压功率谱的峰值变大,频带变宽,意味着能量更加集中.(3)结构顶部测点风压功率谱没有明显的峰值,这是因为建筑物顶部的三维绕流效应降低了漩涡脱落的规则性.另外,该拟合公式能够很好的图5 建筑物侧风面不同高度处测点脉动风压功率谱表达出不同高度处侧风面脉动风压功率谱的变化规律,与试验结果基本吻合,从而证明了该拟合公式的有效性.3 空间相关性3 1 水平相关性限于篇幅,本文仅以C 层(位于105 5m 高度处)各测点为例来研究风压水平相关性.从表2~表4中可以看出,各测点之间的水平相关性呈现出明显的规律性,即随着距离的增加而减小,背风面各点水平相关系数随距离的增加而下降的最快,迎风面与侧风面相当;迎风面各测点水平相关系数最大,侧风面次之,背风面最小;对于迎风面,靠近中间区域相邻点之间的相关系数大于边缘区域相邻两点的相关系数,这是由于气流经过建筑物边角处发生钝体绕流使气流发生紊乱而造成的.迎风面各测点与背风面、侧风面各测点之间相关性较小,可以忽略,背风面与侧风面的水平相关系数都为正数,明显大于迎风面各点与背风面和侧风面测点的水平相关系数.3 2 竖向相关系数本文取B 、D 与F 测点层在迎风面、背风面和侧风面中轴线上的测点为对象来研究超高层建筑脉动风压竖向相关性,相关系数计算结果见表5.可以看出:(1)无论是迎风面、背风面还是侧风面,竖向相关系数都随着测点距离的增加而减小,其中背风面竖向相关系数下降最快,这是因为结构迎风面的风压脉动是由来流风紊流引起的,侧风面的风压脉动主要来源于气流分离和漩涡脱落,而背风面风压则由尾流所致,其相关性小于前两者;(2)迎风面与侧风面各测点风压的竖向相关系数最大,迎风面与背风面次之,背风面与侧风面最小,几乎接近于0.∃114∃哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第41卷表2 迎风面与背风面各测点风压的水平相关系数测点C 1C2C3C4C5C6C 7C 30C31C32C33C34C11 000 990 970 930 840 720 40-0 20-0 040 020 060 06C21 000 990 950 860 760 43-0 20-0 040 010 050 05C31 000 970 890 790 47-0 20-0 040 010 040 03C41 000 950 860 56-0 18-0 040 010 050 03C51 000 950 71-0 13-0 010 010 040 01C61 000 84-0 080 020 030 040 00C71 000 090 150 110 06-0 02C301 000 750 590 410 23C311 000 870 640 42C321 000 820 62C331 000 82C341 00表3 迎风面与侧风面各测点风压的水平相关系数测点C 1C2C3C4C5C6C 7C8C9C10C11C12C11 000 990 970 930 840 720 40-0 22-0 23-0 24-0 24-0 21C21 000 990 950 860 760 43-0 21-0 22-0 23-0 25-0 22C31 000 970 890 790 47-0 19-0 20-0 21-0 24-0 22C41 000 950 860 56-0 14-0 16-0 17-0 22-0 19C51 000 950 71-0 06-0 07-0 08-0 14-0 12C61 000 840 060 050 04-0 02-0 02C71 000 390 390 380 310 30C81 000 990 970 880 81C91 000 980 900 82C101 000 920 85C111 000 95C121 00表4 背风面与侧风面各测点风压的水平相关系数测点C 30C 31C32C33C34C 8C9C10C11C12C301 000 750 590 410 230 380 390 380 360 32C311 000 870 640 420 430 440 430 430 40C321 000 820 620 300 310 310 330 31C331 000 820 150 160 160 210 20C341 000 010 020 020 080 08C81 000 990 970 880 81C91 000 980 900 82C101 000 920 85C111 000 95C121 00表5 迎风面、背风面和侧风面各测点风压间的竖向相关系数测点编号B1D1F1B34D34F34B20D20F20B11 000 490 26-0 07-0 05-0 15-0 28-0 17-0 06D11 000 590 00-0 04-0 16-0 22-0 190 07F11 000 07-0 12-0 18-0 12-0 13-0 02B341 000 330 030 000 00-0 06D341 000 360 00-0 060 07F341 000 01-0 08-0 02B201 000 710 42D201 000 72F201 00∃115∃第8期金 虎,等:复杂体型超高层建筑风压脉动特性4 模型表面脉动风压的相干性脉动风压的空间相干函数是建立高层建筑风致响应计算模型的必要条件之一.脉动风压空间相干性包括水平相干性和竖向相干性,本文分别根据式(4)和(5)的数学模型利用单参数最小二乘算法来拟合脉动风压水平相干函数和竖向相干函数.Coh -H (x 1,x 2,f)=exp -c h ∃f ∃|x 1-x 2|U z.(4)Coh -V (z 1,z 2,f )=exp -c v ∃f ∃|z 1-z 2|(U z 1+U z 2)/2.(5)式中:C oh -H (x 1,x 2,f)、C oh -V (z 1,z 2,f )分别代表水平相干函数和竖向相干函数;c h 、c v 为风压水平相干函数指数和竖向相干函数指数;f 为频率;x 1、x 2和z 1、z 2分别是两测点的水平竖向坐标;U z 为z 高度处平均风速.图6 迎风面测点的水平相干函数曲线从图6和图7试验结果和拟合曲线的比较中可以看出,采用式(4)和式(5)数学模型拟合得到的水平和竖向相干曲线与试验结果吻合较好,能够反映测点风压之间的相干特性.限于篇幅,本文仅取顶部A 层测点A1、A 2和标准层C 层测点C1、C2来研究测点风压的水平相干性;取位于同一铅垂线上的测点A1、C1和D1、F1来研究测点风压的竖向相干特性.经过单参数最小二乘拟合计算,文中水平相干函数指数拟合结果为6 30,测点A1与A2相距6 40m ,C1与C2相距2 30m,因而前两点之间的相干曲线下降速度大于后者;文中竖向相干函数指数拟合计算结果为4 57,由于测点A1位于顶部突变层,且受到三维绕流效应的影响,它与C1的相干函数曲线明显小于标准层测点D1和F1的相干曲线,前两者试验结果与拟合曲线的吻合程度也不如后两者.图7 迎风面测点竖向相干函数曲线5 结 论1)由Davenport 风速谱得到的顺风向脉动风压谱与风洞试验结果符合较好,而由K ai m a l 谱得到的拟合风压谱在低频区域内明显大于风洞试验的脉动风压谱值.2)横风向脉动风压谱可以由式(3)描述.侧风面风压功率谱试验结果与式(3)吻合较好.测点风压谱都有明显的谱峰,且谱峰对应的峰值频率即漩涡脱落频率基本相同;随着紊流度的增大,侧风面风压功率谱的峰值变大,频带变宽,意味着能量更加集中;建筑物顶部的三维绕流效应降低了漩涡脱落的规则性,使测点风压谱的峰值变得不明显.3)背风面各点水平相关系数随距离的增加而下降的最快,迎风面与侧风面相当;背风面与侧∃116∃哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第41卷风面水平相关系数都为正数,明显大于迎风面各点与背风面和侧风面测点的水平相关系数.竖向相关系数都随着测点距离的增加而减小,其中背风面竖向相关系数下降最快;迎风面与侧风面各测点风压的竖向相关系数最大,迎风面与背风面次之,背风面与侧风面最小,几乎接近于0.4)式(4)与(5)能够很好与测点风压水平相干曲线和竖向相干曲线的试验结果相吻合.结构顶部三维绕流效应对测点之间的相干性有较大的影响.参考文献:[1]K I KU C H I H,TAMURA Y,U EDA H,et al.Dyna m icw i nd pressures ac ting on a ta ll bu ildi ng model-proper orthogonal decompositi on[J].Journa l ofW i nd Eng i nee ri ng and Industr ialA erodyna m ics,1997,(69-71):631-646.[2]KAREE M A.M easurements o f pressure and force fi e l dson bu ildi ng m ode ls i n si m ulated at m ospher ic fl ow s[J].Journa l o f W i nd Eng i neer i ng and Industr ial A erodyna mi cs,1990,36(1-3):589-599.[3]KAWA I H.V o rtex i nduced v i bra ti on o f tall bu 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文章编号:1000-6869(2006)01-0024-06典型超高层建筑风荷载幅值特性研究顾 明1,叶 丰2,张建国1(11同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;21上海迈祥工程技术咨询有限公司,上海201204)摘要:本文对10个典型的超高层建筑刚性模型进行了测量表面风压的风洞试验,获得了各测量层的阻力、升力和扭矩系数的平均值和根方差。
讨论了各测量层风荷载系数随风向角的变化规律,以及高宽比和断面长宽比对方形及矩形建筑风荷载的影响。
结果表明,倒角方形、Y 形和三角形建筑的风荷载均小于方形与矩形建筑;方形建筑高宽比的增大导致升力系数的根方差明显增大;矩形建筑断面长宽比的增大则使阻力系数的平均值、根方差减少,而升力系数的根方差增大;D 类和B 类风场中的平均气动力系数相近,而D 类风场中脉动气动力系数的根方差大于B 类风场。
关键词:超高层建筑;阻力系数;升力系数;扭矩系数;风向角中图分类号:T U9731213 T U31711 文献标识码:AAmplitude characteristics of wind loads on typical super 2tall buildingsG U Ming 1,YE Feng 2,ZH ANGJianguo 1(11State K ey Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering ,T ongji University ,Shanghai 200092,China ;21Shanghai Mag Lucky Engineering C onsultation C o.Ltd ,Shanghai 201204,China )Abstract :In this paper ,10typical super 2tall building m odels were tested in a wind tunnel to measure the mean and fluctuating wind pressure distributions.The mean and RMS coefficients of the drag ,lift and torsion m omemt on the measuring layers were then obtained from the wind pressures.The variations of these coeffieints with wind direction are investigated ,and the effects of the aspect ratio and side ratio of cross 2section of the square and rectangular buildings on the wind loads are als o discussed.The results show that the wind loads on the other three kinds of buildings ,i 1e.the buildings with triangular ,square with four corners cut off and Y 2shaped cross 2sections are less than those on the square and rectangular buildings ;the increasement of the aspect ratio of the square buildings results in the increase of the RMS coefficient of the lift ;with the augmentation of the side ratio of the rectangular buildings ,the mean and RMS coefficients of the drag decrease and the RMS coefficients of the lift increase ;the terrain condition has less effect on the mean wind forces acting on the buildings ,while the RMS fluctuating wind forces in the terrain categ ory D are generally larger than those in terrain categ ory B.K eyw ords :super 2tall building ;drag coefficient ;lift coefficient ;torsion m oment coefficient ;wind direction基金项目:国家创新研究群体科学基金(50321803)和教育部“高等学校骨干教师资助计划”资助项目。
作者简介:顾明(1957- ),男,江苏兴化人,教授。
收稿日期:2004年8月1 前言表面风压测量试验是超高层建筑抗风研究的基本方法之一。
迄今为止,很多研究人员应用这一方法研究方形和矩形建筑物的风荷载[1～4]。
但在这些研究中,对风荷载的分层特性的讨论并不够细致。
本文采用表面测压技术对典型的超高层建筑模型进行了风洞试验,获得11G 的原始数据。
根据这些数据,得到了测量层的阻力、升力和扭矩系数的平均值和根方差。
讨论了高宽比和断面长宽比等主要因素对各层风荷载系数的影响,最后总结出一些有意义的结果。
2 风洞试验概况211 风场模拟42第27卷第1期建 筑 结 构 学 报V ol.27,N o.12006年2月Journal of Building StructuresFeb 12006图1 试验模型测点布置及尺寸示意图Fig 11 Arrangements of the measuring points and the sizes of m odels试验在同济大学T J 21风洞进行。
风洞试验段为高×宽×长=118m ×118m ×18m ,风速范围为1～32m/s 。
按照我国规范,模拟了1/500的B 、D 类风场,两类风场平均风速剖面与理论结果吻合。
模型顶部高度016m 处的B 、D 类风场纵向紊流度分别为715%和14%,也符合要求。
一般认为横风向紊流度是顺风向紊流度的75%～88%[5],模拟结果基本相符。
顺风向风谱与Davenport 谱吻合很好。
014m 处的B 、D 类风场紊流积分尺度分别为0141m 和0149m ,相当于实际中200m 高度处的205m 、245m ,与经验公式[5]的计算结果(210m ,270m )相近。
此外,竖向相干函数的衰减指数C z 在7～9之间,与Davenport 的建议值7和Simiu 的建议值10[5]相当。
212 试验模型及试验概况10个代表性模型的截面形式(方形、矩形、三角形、倒角方形、Y 形)和参数可见图1和表1。
模型高度均为600mm ,按1∶500的缩尺比,相当于实际建筑300m 高。
方形模型有5种高宽比(4、5、6、7、8);矩形模型考虑的长宽比为1∶2,1∶115,2∶1和115∶1;三角形和倒角方形模型的高宽比为6∶1。
每个模型上共布置7层测点(从上至下依次为1～7层)。
考虑风荷载对响应的影响随高度明显增加,安排测点层上密下疏,各层测点高度分别为57115mm 、50915mm 、438mm 、357mm 、26615mm 、16615mm 、57mm 。
试验风速以模型顶部记,B 类风场为9173m/s ,D 类风场为9m/s 。
测压信号采样频率为31215H z ,每个测点采集8192个数据,对应实际采样时间约为40min 。
在处理试验结果时,根据文献[6]的方法考虑了测压管路所引起脉动压力信号畸变的修正。
另外,本文定义垂直于模型立面的风向角为0°风向角。
表1 试验模型有关参数Table 1 Parameters of the building models模型编号12345678910B (D )/mm 1501201008675100100-100-D (B )/mm 1501201008675200150-100-H /mm 600600600600600600600600600600H/BD4567841244190664164测点数140140140140140140140105140147截面形状方形方形方形方形方形矩形矩形三角形倒角方形Y 形3 三分力系数特性各层测点的顺、横风向和扭转风向的无量纲三分52力系数分别称为各层的阻力系数C D 、升力系数C L 及扭矩系数C M 。
它们的平均值和根方差可通过表面风压积分得到,按照惯例,以未受扰动的来流风压为参考风压,如式(1)～(6)所示。
C D (z i )= F D (z i )ρU 2zi A (z i )/2(1) C D (z i )= F D (z i )ρU 2zi A (z i )/2(2) C L (z i )= F L (z i )ρU 2zi A (z i )/2(3) C L (z i )= F L (z i )ρU 2zi A (z i )/2(4) C M (z i )= F M ρU 2zi A (z i )D/2(5) C M (z i )=F MρU 2zi A (z i )D/2(6)其中,F D 和F D 分别为顺风向平均风力和根方差脉动风力;F L 和F L 分别为横风向平均风力和根方差脉动风力;F M 和F M 分别为绕z 轴的平均扭矩和根方差脉动扭矩;z i 为该层测点高度;A (z i )指的是z i 高度的迎风面积;U zi 为该层测点高度处的平均风速;D 为结构迎风面宽度。
三分力系数的坐标系如图2所示。
图2 三分力系数坐标系示意图Fig 12 The coordinate system of the forcecoefficients图3 模型1在B 类风场下的三分力系数与风向角的关系F ig 13 F orce coe fficients of m odel 1vs 1w ind direction in terrain B311 三分力系数随风向角的变化(1)方形建筑模型1在B 、D 类风场下三分力系数的平均值和根方差随风向角的变化如图3和图4所示。