超高层建筑结构横风向风荷载研究
(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。
高层建筑钢结构的抗风设计与风荷载分析
高层建筑钢结构的抗风设计与风荷载分析随着城市化进程的加快，高层建筑的建设越来越普遍。
而高层建筑面临的一个重要挑战是抗风设计和风荷载分析。
由于建筑高度和风压的增加，高层建筑的钢结构必须经受住强大的风力，确保建筑的结构安全性和稳定性。
本文将对高层建筑钢结构的抗风设计和风荷载分析进行详细论述。
首先，了解风荷载在进行高层建筑的抗风设计之前，我们必须了解风荷载的概念和特征。
风荷载是指风对建筑结构产生的作用力。
风荷载可以分为静风荷载和动风荷载两种类型。
静风荷载是指风对建筑站立姿态产生的压力，它通常呈正压和负压相间的形式。
动风荷载是指风速和风压随时间变化的载荷。
高层建筑面临的动荷载特别重要，该荷载源于风和建筑之间较大压力差而产生的风力。
其次，风荷载分析风荷载分析是高层建筑抗风设计的核心部分。
它涉及到建筑结构与风场相互作用的复杂过程，需要结合建筑特点以及环境条件来进行分析。
分析过程通常包括以下几个步骤：1. 确定风场特征：根据建筑所处的地理位置、气候条件和设计要求，确定风场的特征，包括风速、风向、风谱特点等。
2. 确定建筑形态：建筑的形态决定了其将承受的风荷载的特点。
建筑的高度、宽度和横截面形状都会对风荷载产生影响。
3. 风荷载计算：根据建筑的形态和风场特征，进行风荷载计算。
这通常包括使用气象数据和数值模拟方法来预测风场，然后根据这些数据计算出建筑上的风压。
4. 结构响应分析：建筑的结构响应分析是确定其在风荷载下的变形和应力分布的过程。
这通常包括使用有限元分析等数值方法来模拟结构的行为，评估其在风荷载下的性能。
最后，高层建筑钢结构的抗风设计抗风设计是确保高层建筑结构安全的关键。
在进行抗风设计时，需要考虑以下因素：1. 钢结构的材料和连接方式：钢结构的材料和连接方式应能有效地传递和抵抗风荷载产生的力。
合适的钢材选择和连接设计可以提高结构的抗风性能。
2. 结构的刚度和稳定性：高层建筑钢结构的刚度和稳定性对于抵抗风荷载非常重要。
超高层建筑的风荷载及风洞试验研究
的重 现期 等 影 响 因 素 的 不 同 而 取值 不 同口 ， 国 ］ 各 规 范 在考 虑这 几个 影 响 因素 的规 定 时不尽 相 同 。 例如 ， 风速 随 时间不 断变 化 ， 因此 如何 取值对 抗 风分 析有很 大 影 响 ， 常取一 个规 定 时间 内 （ 为 时 通 称 距） 的平 均 风速 作 为 计 算 的标 准 。显 然对 于工 程 设 计 来说 最大 风 速值 与时距 的大小 有关 。而 当前世 界
各 国所 采用 的平 均 时 距 标 准并 不 一 致 ， 国时 距 取 中
非规 则 钢筋 混凝 土筒 体与 外侧 钢框 架 的超 高层混 合 结构 ， 计采 用美 国规 范 ， 设 因而 需要 了解 并掌 握美 国 规范 风荷 载 分析 的相 关规定 。另外 对于 这种 体型 复 杂 的结构 ， 有规 范 很 难 确定 建 筑 表 面 的风 压 分 布 既
要 考虑 非标 准条 件 情 况 ， 种 条件 下 的 的风 压 可 以 此
图 １ 科 威 特 中 央 银 行 新 总 部 大 楼
根 据一定 的换算关 系 由标 准风 压换算 得 出 。
第 一 作 者 ： 天 河 ， ，９８年 出 生 ， 士 ， 程 师 。 吴 男 １７ 博 工
Ｅ ｉ ｇ ｌｘ ｃｔ １ ３ ｔ ｍ ｍａｌ ａａ ｙ ａ ＠ ６ ． ｏ ：
振 的等 效 风压 ； 一 种 为 平 均 风 压 乘 以风 振 系数 。 另
由于在 结构 的风 振计 算 中 ， 常 来说 是 第 一 振 型起 通
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超高层建筑结构抗风性能研究
超高层建筑结构抗风性能研究摘要：高层建筑数量的不断增加更加充分利用土地资源，在结构设计中我们需要考虑高层建筑与多层建筑的区别，且高层建筑由于整体高度，结构内部受力情况也更加复杂。
对于高层建筑而言，风荷载引起的效应在总荷载效应中所占的比重比较大，所以要做好高层建筑结构抗风设计工作，提高建筑结构的科学性和合理性，从而为人们提供一个舒适的居住环境，以此促进高层建筑的发展和进步。
关键词：超高层；建筑结构；抗风；性能1高层建筑结构抗风设计理论高层建筑一般具备较大的高宽比，同时其抗侧刚度较小；并且地震作用和风荷载都是其主要承担的水平荷载。
相比较地震作用，风荷载出现的频率比较高。
所以，在高层建筑结构中，主要设计的荷载是风荷载。
1.1基于性能的结构抗风设计理论基于性能的结构抗风设计理论，主要目标是在不一样强度水平风振的影响下，对建筑结构的安全和舒适度进行有效的控制，从而确定不同性能水准，确保在整个生命周期内的建筑物，在承担可能会出现的风振作用下，其总体成本费用是最小的。
1.2结构风振性能水准1.2.1风振系数作为我国目前使用得荷载规范的一个重要系数，风振系数对风载值的作用比较大。
1.2.2人体舒适度在侧向力的影响下，高层建筑会出现振动的情况，如果振动处于某一个限值时，人们会产生不舒服的感觉。
人体得舒服度可以分为六个不同的等级，分别是无振感、轻微振感、中等振感、烦恼和非常烦恼以及无法忍受。
1.2.3结构风振性能水准性能水准，主要是指所设计的建筑物，在可能会遭受的特定风作用下，所明确的最大容许舒服度，或者所容许的最大破坏度。
主要是从舒适度和变形两个方面确定性能水准的指标。
1.3结构性能目标性能目标，主要指的是所设计的建筑物，在设计风压等级的需求下，满足性能水准的总和。
结构性能目标，要综合考虑建筑物的使用要求、功能要求的重要性等等要素。
1.4结构抗风计算1.4.1理论计算在计算分析的工作中：①要充分的考量结构的线性，同时要充分的考量非线性恢复力特性，从而完成模型分析工作；②选择科学的计算方法，计算模拟风场，同时分析风振的动力时程；③按照不一样的性能目标，选择有效的分析方法；④推广实用性较强和容易掌握的计算方法，降低计算量，重视前后处理软件程序的开发和利用工作。
横风向风效应研究
横风向风效应研究摘要：目前，关于建筑物横风向荷载与响应的相关问题仍较为复杂，风荷载是高层或是超高层建筑物所承受的主要侧向荷载，与尾流、来流紊流和气动反馈密切相关。
此文主要从风效应、横风向气动力的确定方法、横风向气动阻尼的识别方法、横风向等效静力风荷载的计算方法和风效应相关模型几个方面对横风向风效应进行研究探讨。
关键词：横风效应高层建筑荷载1.风效应的定义风效应可分为顺风向结构风效应和横风向结构凤效应，是由于风力产生的结构位移，速度和加速度响应而产生。
对于高层建筑或超高层建筑，横风向风效应对建筑结构产生的影响更大。
2.横风向气动力的确定方法2.1 气动弹性响应反演法气动弹性响应反演法是用单自由度气动弹性模型风洞试验的中得到的动力特性参数从而反演出横风向气动力谱，并且这种方法略去了气动反馈作用。
这个方法的具体做法需要在忽略高阶模态影响的基础前结合模型的动力特性参数反演模态广义横向位移响应谱。
通过这个方法就可以了解紊速度、折算风速、高宽比、截面形状、涡旋共振、非线性及角沿修正对动力气谱的影响。
但是这个方法也有它的缺陷或是不足之处，他的适用范围受到限制，只适用于一定风速作用下具有一定刚度的建筑，这就是他的运用受到了很大的局限性，并且这个方法也存在较大的误差。
2.2 刚性模型表面风压积分法刚性模型表面风压积分法就是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。
我们通过同步测压试验分解横风向气动力谱的方法，第一，可以解释高层建筑横风向气动力谱的结构部分；第二，可以计算出结构基阶和高阶广义气动力谱。
当然，这种方法也有它的不足，就是操作过程繁复，也会存在一定的误差。
3.横风向气动阻尼的识别方法3.1 刚性模型与气动弹性模型试验比较法这种方法是通过横风向气动力谱与气动力阻尼相结合，从而能够计算得出与实际测量结构很吻合的横风向响应。
通过实验研究表明：在城市风场的条件之下，其中的方形建筑物横风向响应是启动稳定的；另外，由于质量阻尼系数，开阔地区的横风向响应则可分为气动稳定区、气动非稳定区和气动发散区三个区域。
超高层建筑的结构抗风设计
超高层建筑的结构抗风设计大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，使得结构对风的敏感性大大增强，风荷载正逐渐成为结构设计时的主要侧向荷载之一，甚至是决定性的设计荷载。
因此对于高、长等柔性结构的抗风计算和设计是结构抗风安全的关键，具有重要意义。
合理的进行结构抗风设计，是保证结构安全的重要因素，特别是超限高层建筑，由于它们的结构设计计算己经超出了相关规范及规程的要求。
因此，在设计时应进行专门的研究，对于实际工程具有现实的指导意义。
一、风对建筑结构的作用及结构抗风设计要求风荷载是建筑物的主要荷载之一，虽然其作用幅度比一般地震荷载小，但其作用频度却较地震荷载高得多。
随着结构规模的增加(高度与长度)，风荷载变得越来越重要以至于最后成为结构设计中控制性荷载，即非抗震设计时的荷载效应组合控制结构的设计。
1.1 建筑结构的风致效应建筑结构的风致效应包括静力效应和动力效应。
静力风效应是指由于结构上的静力风荷载所引起的结构的静内力和静位移;动力风效应是指由结构上的脉动风荷载和漩涡干扰力所引起的结构的振动反应，包括振动内力、振动位移和振动加速度。
1.2 风对建筑结构的作用在风力的作用下处在风场中的建筑物承受由风引起的静力荷载与动力荷载。
按风对建筑物作用力的方向不同可分为:1.在建筑物的迎风面上产生的压力(气流流动产生的阻力)，包括静压力和动压力;2.在横风向产生横风向干扰力(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)。
1.3 建筑结构抗风设计要求建筑物抗风设计必须保证结构在使用过程中不出现破坏现象，主要涉及以下几个方面：1.结构抗风设计必须满足强度设计的要求，也就是说结构的构件在风荷载和其他荷载的共同作用下内力必须满足强度设计的要求。
确保建筑物在风力的作用下不会产生倒塌、开裂和大的残余变形等破坏和损伤。
2.结构抗风设计必须满足刚度设计的要求，以防止建筑物在风力作用下产生过大的变形，引起隔墙的开裂、建筑装饰和非结构构件损坏。
超高层建筑结构横风向风荷载研究
计算 方法 ， 于其它 截面 高层 结构 ， 没有 任 对 则
何规 定 。 横风 向风振 的定义 为 ，当建 筑物 受 到风 力作 用 时 ， 不但 顺风 向可 能 发生 风振 ， 而且 在 定 条件 下 ， 能发 生横风 向的风振 。 也 横风 向 风振 是 由不稳定 的空气 动力 形成 ，其 性质 远 比顺 风 向复杂 。 当结 构物 上有风 作用 时 ， 就会 在该 结构 物两侧 背 后产 生交 替 的漩 涡 ，且 将
：
Ｃｉ ｗ ｅｎｏｅａ ｏ ｃ ｈａ ｅ Ｔ ｈ ｌｉ ｎＰｄ ｔ ｎＮ ｃ ｏｇｓ ｄｒｕｓ
高 新 技 术
超高层建筑结构横风 向风荷载研 黑龙江 哈 尔滨 １０ ０ ２ 哈 尔滨工业大学建筑设计研 究院 ， ５００ 、 黑龙江 哈 尔滨 １０ ０ ） ５ ０ ０
２２计算 工程 － 为便 于 比较 ，本文 选择 了三个典 型 工程 来 进行 比较 ， 别 为 高层 Ａ， 分 高层 Ｂ， 层 Ｃ 高 ， 结 构信 息如表 １ 示 。 所 结构 阻尼 比为 ００ ， ． 峰 ５ 值 因子统 一取 为 ３ 。 ． 三个 高层 结构 的风洞 试 ０ 验如 图 １３ 示 。其 中高层 Ａ的模 型 比例 为 —所 １０， ： ０ 高层 Ｂ的模 型 比例 为 １ ５ ， 层 Ｃ的 ４ ： ０高 ２
一
有一 侧然后 向另一侧 交 替脱 落 ，形 成所 谓 的 卡 门涡列 。卡 门涡列 的发 生会 使建 筑 物表 面 的压 力呈周 期性 变 化 ，其 结果 是 使结 构物 上
作用 有周 期性变 化 的力 ，作用 方 向与 风 向垂 直 ，称 为横 风 向作用 ，也 可 以称之 为 涡激振 动。 当发生漩 涡脱 落 时 ， 若漩 涡脱 落频 率与 结 构 自振频率 相符 ， 出现共 振 。 般 大家认 为 将 一 对于 圆形截 面高 层结 构更 容 易出 现这种 涡激 振动 ， 因而 横风 向振动 问题较 为 突出 。 而实 际 上随着 结构 高度 的增 加 ，常规 截面 高层 建筑 的横 风 向振 动 同样 比较剧 烈 ，有 时可能 会远 大于顺 风 向风振 ， 成为 控制 荷载 。 而我 国规范 则欠缺 该部 分的 内容 。这种 内容上 的欠 缺会 使得设 计人 员认 为对 于常规 截 面高 层建 筑结 构不存 在横 风 向风振 问题 ， 即使 存在 ， 风 向 横 风 荷 载也远 小于顺 风 向风 荷 载 ，顺 风 向风荷
高层建筑横风向风效应研究综述
ｏ ｔ ｐ ｏ ｌｍｓ ｎ ｄ ｆ ｉ ｎ ｙ ｆ ｃ ｏ ｓｗｉ ｄ ｅ ｐ ｎ ｅ ｎ ｈｅ ｒ ｂｅ ａ ｄ ｅ ｉ ｅ ｃ ｏ ａ ｒ ｓ － ｎ ｒ ｓ ｏ ｓ ｃ ｒ ｓ ａ ｃ ｓ ｍｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｍｐ ｓ ｓ ａ ｅ ｐ ｏ ｓ ｄ ｔ ｅ ｅ ｆ ｃ ｆ ｅ ｅ ｒ ｈ，ｏ ｅ ｅ ｒ ｈ ｅ ｈ ｅ ｒ ｒ ｐ ｅ ： ｆ ｔｏ ａ ｏ ｈ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｂ ｉ ｉ ｇ ｓ ａ ｅ ｔ ａ ｒ ｙ ａ ｃ ｆ ｒ ｅ ， ｔ ｅ ｏ ｌｘ ｕｌ ｎ ｈ ｐ ｏ ｄ ｅ ｏ ｎ ｍｉ ｏ ｃ ｓ ｈ ｄ ｉｅ ｔ ｉａ ｉ ｎ。 ｃ ａ ｉｍｓ ａ ｄ ｉｆｕ ｎ ｅ ｆ ｃ ｒ ｆｃ ｏ ｓ ｗ ｎ ｄ ｎ ｉ ｃ ｔｏ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｎ ｎ ｌ ｅ ｃ ａ ｔ ｓｏ ｒ ｓ － ｆ ｏ ｉ ｄ
ａ ｒ ｙ ａ ｃｄ ｍｐｎ ｃ ｌｕａｉｎ ｍｅ ｏ ｓｏ ｑ ｉａｅ ｔｓ ｔ ｅ ｏ ｎ ｍｉ ａ ｉｇ，ａｃ ｌｔ ｔｄ ｆｅ ｕｖ ｌｎ ｔ ｉ ｄ ｏ ｈ ａ ｃ
ｉ ｄ ｌ ｎ —Ｄ ｏ ｐ ｉ ｇ ｐ ｏ ｌｍｓ ｏ ｍｐ ｅ ｉ ｈ ｒｓ ｗ ｎ ｄ ａｄ３— ａ ｏ ｃ ｕ ｌ ｒｂｅ ｆｃ ｎ ｏ ｌｘ ｈ ｇ ・ ｉ ｅ
ｂ ｉ ｉｇ ． ｕ ｌ ｎ ｓ ｄ
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
ｗｉｄ ｌ ｄ ｎ ｏ ｓ ａ
超高层建筑风载结构分析及风振控制研究
超高层建筑风载结构分析及风振控制研究随着城市化的加速和经济的发展，越来越多的超高层建筑拔地而起。
然而，由于高楼的特殊性质，其面临的风载结构分析和风振控制也是一项复杂的工程。
超高层建筑风载结构分析当设计师设计超高层建筑时，一定要考虑到其中出现的风荷载问题。
因为超高层建筑的层数越高，其受到的风荷载就会越大。
对于这些高楼大厦，需要进行风载分析，并制定相应的风荷载标准。
风荷载标准不仅包括了结构的抵抗力上限，还限定了设计的规范和要求。
设计师在进行风荷载分析时，往往使用数学统计的方法去计算建筑受风荷载的概率，从而找出风荷载与风速的线性关系。
然后根据该线性关系对建筑结构进行选材和设计。
超高层建筑风振控制研究风荷载作为超高层建筑面临的重要问题，不仅需要进行分析，还需要进行风振控制研究。
随着超高层建筑的层数一层层叠加，风荷载造成的振动问题也逐渐加剧。
由于风振的存在，许多人都会在高楼上感受到晕眩和失衡感，这必须尽快得到解决。
除了采用风荷载分析的结果来指导设计建筑的结构与抵抗力之外，还需要采用其它手段来控制超高层建筑的风振现象。
其中比较常见的控制手段有：自适应控制、主动控制和缓冲控制。
自适应控制是一种通过感应风荷载，从而对建筑结构和飘挂物体的运动进行相应的控制的技术。
通过感应到风荷载的方向和强度，可以采取相应的控制手段，从而减小风振造成的影响。
主动控制是一种更具有智能化的方法，其通过计算机控制算法对建筑结构的平衡进行控制。
当建筑结构产生风荷载的振动时，计算机会迅速进行数据处理，对结构进行相应的调整，从而消除振动的影响。
缓冲控制是一种有着长期的实践基础的控制手段，其借助了一些物理学的原理。
常用的缓冲控制手段包括振动消除器、缓冲器、减震器等。
总结一下，超高层建筑在设计之初就必须考虑到其风荷载问题。
而各种风荷载分析和控制手段也不断在进步。
然而，新型建筑经常会采用混合或组合的设计方法，对于这种情况，需要设计师们集思广益，共同解决超高层建筑的风荷载问题，确保人居安全和建筑的可持续发展。
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。
高层建筑结构抗风设计分析
高层建筑结构抗风设计分析高层建筑是现代城市发展的重要标志，然而其巨大的高度和细长的结构也带来了对抗风设计的挑战。
本文将对高层建筑的抗风设计进行分析，从风荷载计算、风振响应和结构设计三个方面进行探讨。
一、风荷载计算风荷载是指风力作用在建筑结构上产生的力。
根据国家相关规范，风荷载应按照气象条件、建筑高度和形状以及结构特性进行计算。
常用的风荷载计算方法有气象风荷载法和结构风荷载法。
气象风荷载法根据气象条件进行风力参数的计算，而结构风荷载法则根据建筑结构特性进行风荷载的推导。
合理准确地计算风荷载是高层建筑抗风设计的基础和前提。
二、风振响应高层建筑在强风作用下容易产生结构振动现象，即风振响应。
风振响应会影响建筑物的使用性能和结构安全。
对风振响应的分析可以采用风洞试验、数值模拟和理论分析等方法。
风洞试验是一种直接观测风荷载和风振响应的方法，能够提供真实可靠的数据。
数值模拟则通过建立数学模型，模拟风场和建筑结构之间的相互作用，从而得出风振响应。
理论分析则基于结构动力学理论，通过计算和分析来推测风振响应的程度和影响。
三、结构设计在高层建筑的抗风设计中，结构设计起着至关重要的作用。
合理的结构设计可以提高建筑物的整体抗风能力。
常见的结构设计方法有刚度控制设计、阻尼控制设计和减振控制设计。
刚度控制设计通过增大结构刚度来抵抗风力作用；阻尼控制设计则通过增加结构阻尼来削弱风振效应；减振控制设计则采用减振器等装置，来减少风振响应。
这些设计方法可以单独应用，也可以综合应用，根据具体的建筑结构和风荷载来确定最佳的设计方案。
综上所述，高层建筑结构抗风设计是一个复杂而重要的工作。
通过合理计算风荷载，准确分析风振响应，以及采用科学的结构设计方法，可以保证高层建筑的安全可靠。
未来，随着科技的发展和规范的完善，高层建筑抗风设计将进一步提高，为人们提供更安全、舒适的居住和工作环境。
高层建筑设计中的风荷载分析与控制
高层建筑设计中的风荷载分析与控制随着现代城市化进程的加快，高层建筑的建设成为城市发展的重要组成部分。
然而，高楼大厦容易受到风力的影响，风荷载是高层建筑设计中的一个重要问题。
本文将探讨高层建筑设计中的风荷载分析与控制的方法和技术。
一、风荷载分析风荷载分析是建筑设计的重要环节。
在高层建筑的设计过程中，需要对建筑物在风力作用下的应力和变形进行计算和分析。
风荷载分析需要考虑多个因素，如建筑物的高度和形状、风速和风向、地理位置等。
在进行风荷载分析时，一种常用的方法是使用风洞实验。
风洞实验可模拟实际风力对建筑物的作用，通过测量建筑物的振动和应力变化，评估其抗风能力。
这样的实验不仅可以得到建筑物的风荷载数据，还可以为设计工程师提供重要的参考信息。
另一种常用的分析方法是数值模拟。
利用计算流体力学（CFD）模型和计算机软件，可以对建筑物在不同风速和方向下的风荷载进行模拟和分析。
这种方法可以更加精确地预测建筑物的风荷载，帮助设计师合理设计建筑结构。
二、风荷载控制在高层建筑设计中，风荷载控制是确保建筑物安全的关键。
风荷载对建筑物的影响主要体现在结构稳定性和振动控制方面。
为了确保建筑物的稳定性，设计师通常会采用一些措施来增强建筑物的抗风能力。
例如，在设计过程中使用适当的结构形式和横截面形状，增加建筑物的承载能力；使用合适的材料，提高建筑物的抗风性能；在建筑物的顶部设置风阻板或加固设备等。
此外，要控制建筑物的振动，防止共振现象的发生。
振动对建筑物的结构和功能产生不利影响，可能导致结构破坏甚至倒塌。
因此，设计师需要在设计过程中考虑振动控制的问题。
一种常用的方法是在建筑物的结构中设置阻尼器或减振器，通过吸收和消散振动能量来降低结构的振动水平。
此外，还可以通过合理设计建筑物的空气动力特性来控制风荷载。
例如，在建筑物的外墙上设置适当的外立面，可以起到减小风压和风荷载的作用。
三、案例分析为了更好地理解高层建筑设计中的风荷载分析与控制，以下是一些实际案例的分析。
超高层建筑结构横风向风荷载研究
振型为线性的。由于超高建筑的高度
大、频率低，不仅线性振型假定会带来
中国新技术新产品 2010 NO.15
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较大误差，忽略二阶以上振型的贡献也会使 该方法的分析精度满足不了超高建筑抗风设 计的要求。因此本文建议采用计算结果更为 精确的基于风荷载同步测压技术的随机振动 计算方法来代替传统的高频测力天平方法计 算高层结构的风振响应。
中国新技术新产品
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振型以 Y 方向振动为主，因此可以说，在 0°
风向角下，结构顶点振动位移中，X 方向以第
一阶振型为主，Y 方向以第二阶振型为主。上
述是结构的顶点位移动力响应分析，那么结
构整体是不是也是如此振动那？图 7 给出了
各阶模态应变能的比例。从图中可以清楚地
看到，脉动风荷载下，结构整体振动中，X 方
向以第一阶振型为主，占 0.91%，但第三振型
筑结构抗侧力体系设计中，风荷载往往是控
制荷载。因而高层建筑抗风研究是结构工程
领域中当前的热点。目前在这些高层建筑的
超高层建筑横风向荷载反演分析
超高层建筑横风向荷载反演分析方明新;杨志勇;郅伦海【摘要】Aneffectiveinversemethodwasdevelopedtoestimateacross-windloadsappliedonastructurebyusing wind-induced responses.The Kalman filter and proper orthogonal decomposition (POD)technique were utilized for the inverse identification based on limited measured responses.The across-wind loads acting on a square shaped super tall building were estimated and compared with those determined by a wind tunnel test.The feasibility and accuracy of the method were examined.The results show that the time history and power spectra of across-wind loads obtained in the present research match well with the results of wind tunnel test.The accuracy of the estimated wind loads at different noise levels is acceptable in engineering practice.The presented results are valuable and referential to the design of super-tall buildings under wind storm or typhoon actions.%提出利用风致响应识别结构横风向风荷载的反分析方法。
超高层建筑的风荷载计算方法研究
超高层建筑的风荷载计算方法研究随着技术的不断进步，超高层建筑的数量与高度也在迅速增长，超高层建筑在城市化进程中起到了至关重要的作用，但是其怎样面对高强度的风力侵袭，是一项严峻的挑战。
因此，超高层建筑的风荷载计算方法的研究显得尤为重要，本文将从以下三个方面进行介绍。
一、超高层建筑的风荷载特征超高层建筑由于其在空间中的高度及体积限制，其受风荷载的特征具有特殊性，其中包括的风力主要有静态风力和波浪风力两种，它们均会对超高层建筑产生影响。
静态风力主要指风向以及风速的直接影响，而波浪风力则是由于界面层的湍流活动而产生的高低压差而引发的振荡。
超高层建筑在受风荷载时，表现出较强的非线性和非静态性，这也意味着在建筑的结构设计和风荷载计算过程中，需要采用更加精细的方法来进行计算。
二、超高层建筑的风荷载计算方法超高层建筑的风荷载计算方法包括了两种较为常用的方法：一种是基于随机振动理论的计算方法，另一种是基于工程方程的计算方法。
前者主要运用了许多复杂的振动和风动响应理论，提出了一种全新的基于随机振动和非定常流体力学元素领域的计算方法，而后者则主要基于系统分析和汇总数据的输入和输出过程进行计算。
目前大多数情况下，国家标准都采用了比较传统的风压分布计算方法，这种方法主要计算一个单位风速作用下产生的风力，但是随着超高层建筑的出现，这种方法已经不再适用。
因此，有必要对超高层建筑的风荷载计算方法进行深入研究，提出更为科学合理的计算方法。
三、超高层建筑的风荷载计算模型超高层建筑的风荷载计算模型主要包括两种类型：一个是基于数值模拟的模型，另一个则以实际测量数据为基础的模型。
前者主要包括计算流体力学、有限元分析和多体系统模拟等多种方法，能够在计算精度上提高计算方法的准确性；而后者则通过实地观测或物理模型实验而建立的经验公式或经验关系模型进行建立。
如今，越来越多的工程应用都要求建筑的风荷载计算模型具有可靠性和可验证性，只有通过更深入的研究，才能不断提高建筑的抗风能力。
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。
超高层建筑风荷载分析及结构设计研究
超高层建筑风荷载分析及结构设计研究随着城市化的不断推进，超高层建筑的建设逐渐成为了现代城市的标志性建筑之一。
然而，在这些高耸入云的建筑中，风荷载成为了一个不容忽视的安全因素。
超高层建筑的结构设计必须考虑到风荷载的影响，保证建筑的安全和稳定。
本文将从风荷载的形成机理、计算方法以及超高层建筑的结构设计等方面进行探讨。
一、风荷载的形成机理风荷载是指建筑受到风力作用产生的荷载。
风的形成是由于地球的自转和太阳的辐射造成的，其在不同地域、季节和高度的特点都不同。
风荷载的形成机理主要涉及两个因素：风速和风向。
风速是指单位时间内风流过单位横截面积的体积。
由于摩擦力和离心力的作用，风速随着高度不断增加。
因此，在高层建筑中，风速通常比地面上要高出许多倍。
风速对于建筑而言是非常重要的参数，因为它与建筑所受到的风力大小成正比关系。
风向是指风向标指向的方向。
由于地球的自转和大气的再分布，风向随着高度和时间而发生改变。
对于一个高层建筑而言，建筑的外形和朝向会影响风向对建筑的荷载大小和方向。
二、风荷载的计算方法风荷载是建筑设计中不可忽略的因素之一。
目前，一般采用按规定计算方法进行计算。
风荷载的计算需要考虑的因素包括建筑的形态、朝向、高度、地理位置、风向、风速等多个因素。
现代建筑采用空气动力学理论进行分析。
风荷载的计算方法可以分为两种：静力和动力计算。
静力计算方法是通过考虑建筑在风速作用下的平均力来直接计算风荷载，常用于一些高度较低的建筑物。
动力计算方法是通过考虑建筑的振动和波动来计算风荷载，常用于一些高层建筑。
三、超高层建筑的结构设计超高层建筑的风荷载对于结构设计来说是一个重要的考虑因素。
在结构设计中，一定要考虑到该建筑在极端风速下所受到的荷载大小和方向，并通过合理的结构设计来保证建筑的稳定和安全。
目前，对于超高层建筑的结构设计，采取了多种方法。
常用的是采用软管结构和混凝土结构的组合方式，这样可以避免传统混凝土结构所存在的某些缺陷，如大量使用钢筋和模板的成本和浪费等。
【金新阳】新荷载规范中超高层建筑的横风向及扭转风振解析
新荷载规范中【超高层建筑】的横风向及扭转风振金新阳1陈晓明肖丽杨志勇黄吉锋(中国建筑科学研究院，北京100013)提要基于《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）矩形平面结构横风向与扭转风振的计算方法，结合PKPM软件，讨论了结构高宽比、深宽比、周期、阻尼比等参数对等效风荷载计算结果的影响以及规范中相关计算方法的适用范围，为设计人员采用新荷载规范计算横风向与扭转风振提供支持。
关键词荷载规范，横风向风振，扭转风振，PKPM1.引言相对于上一版规范GB50009-2001（以下简称2001规范），《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（以下简称2012规范)对风荷载的计算方法做了较大的修改。
其中不仅调整了【风压高度变化系数】和【体型系数】等静力计算内容，而且对【风振计算的内容与方法】做了大量的改进和完善工作，这其中包括：●修改了顺风向风振系数的计算表达式和计算参数；●增加了大跨度屋盖结构风振计算的原则规定；●增加了横风向和扭转风振等效风荷载计算的规定；●增加了顺风向风荷载、横风向及扭转风振等效风荷载组合工况的规定；●增加高层建筑结构顺风向及横风向风振加速度计算等内容。
在风荷载的计算中，除了少数工程通过风洞试验获得数据以外，大多数工程仍需要借助于软件的自动计算功能，这就需要由工程人员自行确定相关的参数。
由于2012规范中风荷载计算涉及的参数较2001规范明显增多，且计算方法变得更加复杂，使得参数的选择和对计算结果的定性校核变得比较困难，因此有必要对各参数的选择和主要参数对计算结果的影响进行详细的分析讨论。
在本文中，依据2012规范提供的计算方法，结合PKPM的软件，讨论了不同的参数设置和结构的特征对计算结果的影响，并对规范中的重要条文，如适用范围等进行了重点探讨。
2.矩形平面结构的【横风向风振】按2012规范8.5.1条，“对于横风向风振作用效应明显的高层建筑以及细长圆形截面构筑物，宜考虑横风向风振的影响。
高层建筑结构设计确定风荷载
高层建筑结构设计确定风荷载高层建筑的结构设计是非常重要的，其中确定风荷载也是一个十分关键的环节。
由于高层建筑的高度较高，所以受到风力作用的影响非常大，因此在设计时必须充分考虑这些因素，保证建筑的安全性和稳定性。
首先，高层建筑的风荷载主要来源于两个方向，也就是横向和纵向。
横向方向又分为侧向风荷载和顶部风荷载，其中侧向风荷载是风从建筑的侧面吹来时产生的力，而顶部风荷载则是风从建筑的顶部吹来时产生的力。
纵向方向则是建筑的自重和地震荷载。
然后，在确定风荷载时需要考虑建筑的高度、形状和地理位置等因素。
对于高层建筑而言，其高度越高，受到的风荷载就会越大，因此，在设计中必须充分考虑建筑的高度因素。
此外，建筑的形状也会对其受到的风荷载产生影响，不同形状的建筑受到的风荷载也会不同。
建筑的地理位置也会影响风荷载的大小，比如位于海岸线上或地势较高的区域，其受到的风荷载更大。
接下来，根据国家标准和规范来确定风荷载。
我国在结构设计方面有很多规范，如《建筑抗震设计规范》、《建筑结构荷载规范》等，这些规范中都有详细的风荷载计算公式和方法。
设计师需要根据这些规范来计算风荷载，进行结构设计，以确保建筑的安全性和稳定性。
最后，需要进行模型试验和验证。
在设计过程中，需要进行模型试验和验证来确定所计算出的风荷载是否准确。
模型试验可以通过建立结构模型，进行力的作用，观察结构是否失稳，从而确定所计算的风荷载是否准确。
验证可以通过实际施工过程中的监测，比如安装风速仪、振动检测仪等设备，监测风速和建筑的振动情况，从而验证设计的准确性。
综上所述，高层建筑结构设计的重要环节之一就是确定风荷载。
在设计过程中，需要考虑建筑的高度、形状和地理位置等因素，根据国家规范和标准进行计算，并进行模型试验和验证，以确保建筑的安全性和稳定性。
只有这样，才能确保高层建筑的稳定性和安全性。
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程中的超高层建筑，有时横风向风荷载远大于顺风项，为控制荷载，因此目前我国荷载规范在超结构的横风向抗风设计部分的规定
是不完善的，需要补充该部分内容，本文则通过几个典型工程实例来说明该问题。 关 键 词 ：结构抗风；高层建筑；横风向振动；风致响应
1 前言
的风致响应，并采用等效惯性力的方法得到
随着我国经济的快速发展，在我国沿海 了结构横风向和顺风向的等效静风荷载，包
动。当发生漩涡脱落时，若漩涡脱落频率与结
构自振频率相符，将出现共振。一般大家认为
对于圆形截面高层结构更容易出现这种涡激
振动，因而横风向振动问题较为突出。而实际
上随着结构高度的增加，常规截面高层建筑
的横风向振动同样比较剧烈，有时可能会远
大于顺风向风振，成为控制荷载。而我国规范
则欠缺该部分的内容。这种内容上的欠缺会
地区兴建了大量的超高层建筑。在超高层建 括基底弯矩、基底剪力和各层等效风荷载。
筑结构抗侧力体系设计中，风荷载往往是控
制荷载。因而高层建筑抗风研究是结构工程
领域中当前的热点。目前在这些高层建筑的
设计中，设计人员主要根据我国荷载规范中
高层结构风荷载规定来进行结构体系的抗风
设计。在我国荷载规范中，对于顺风向荷载，
使得设计人员认为对于常规截面高层建筑结
构不存在横风向风振问题，即使存在，横风向
风荷载也远小于顺风向风荷载，顺风向风荷
载始终为控制风荷载。为此本文结合风洞试
图 3 工程 C 风洞试验图片
验对几个典型高层建筑工程的顺风
向和横风向结构风振响应及风荷载
进行了比较，对上述问题进行了说
明。
Hale Waihona Puke 2 结构风振响应分析2．1 计算方法
图 6 0°风向角下 X 方向(横风向)及 Y 方向 (顺风向)顶点位移功率谱密度
图 7 0°风向角下 X 方向(横风向)及 Y 方向 (顺风向)各振型应变能比例
3 顺风向与横风向风荷载比较 本文统一比较了三个典型高层工程 A,B 和 C 的等效静风荷载,限于篇幅，下文中的风 表 4 顺风向和横风向风荷载比较
荷载比较只给出了基底弯矩。本文还计算了 采用规范方法计算得到的顺风向基底弯矩， 其中平均风荷载按照风洞试验取值，风振系 数按照荷载规范取值。表 4 给出了采用等效 静风荷载得到的最大横风向与顺风向基底弯 矩，以及采用荷载规范方法得到的顺风向基 底弯矩。
从表中可以看到，三个高层建筑的横风 向基底弯矩明显大于顺风向基底弯矩。且根 据风洞试验风压时程计算得到的基底弯矩明 显大于按照荷载规范计算得到的基底弯矩。 这说明对于矩形截面的超高层建筑结构，有 些时候，涡激振动产生的横风向荷载要大于 顺风向荷载，为控制荷载。此时按照荷载规范 进行结构抗风设计时，并不能保证结构的安 全性。为此需要在荷载规范中给出矩形截面 高层结构的横风向抗风设计方法，以保证高 层建筑结构的安全。同时需要纠正一个认识 误区，即对于超高层建筑结构，不是只考虑顺 风向风振就可以保证结构安全了，需要更多 的考虑结构的横风向作用。
风力。采用插值的方法得到了作用
在结构各层上的顺风向与横风向风
力时程。以此为基础采用随机振动
图 4 0°风向角下 30 层高度处 X 方向
的方法计算了结构顺风向和横风向
（横风向）脉动风力时程及功率谱密度
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0.32Hz 之间，在 0.21-0.23Hz 附近达到峰值， 而结构的前两阶振动频率都在其附近，因而 结构的共振响应明显，脉动风的动力放大作 用显著。所以结构横风向的风振响应(包括顶 点位移，层间位移和层高比，顶部加速度和基 地倾覆力矩)反而大于顺风向的风振响应。
与顺风向风荷载相比，横风向
ÁÁÁÁÁÁ2．2计算工程
为便于比较，本文选择了三个典型工程 来进行比较，分别为高层 A，高层 B，高层 C， 结构信息如表 1 所示。结构阻尼比为 0.05，峰 值因子统一取为 3.0。三个高层结构的风洞试 验如图 1-3 所示。其中高层 A 的模型比例为 1:400，高层 B 的模型比例为 1:250，高层 C 的 模型比例为 1:250。
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超高层建筑结构横风向风荷载研究
张 伟 1 戴大志 2 （1、哈尔滨学院，黑龙江 哈尔滨 150000 2、哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150000）
摘 要：对于超高层建筑结构，我国荷载规范只给出了顺风向的抗风设计方法，对于横风向风荷载则并没有给出规定。而在实际工
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风荷载的形成机理要复杂得多，准
定常理论不适用。为此本文首先在
风洞试验中采用同步测压技术同步
测量了模型的表面风压, 获得了测
量点的平均风压和脉动风压, 进一
步得到了测量层的平均风力和脉动
振型为线性的。由于超高建筑的高度
大、频率低，不仅线性振型假定会带来
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较大误差，忽略二阶以上振型的贡献也会使 该方法的分析精度满足不了超高建筑抗风设 计的要求。因此本文建议采用计算结果更为 精确的基于风荷载同步测压技术的随机振动 计算方法来代替传统的高频测力天平方法计 算高层结构的风振响应。
振型以 Y 方向振动为主，因此可以说，在 0°
风向角下，结构顶点振动位移中，X 方向以第
一阶振型为主，Y 方向以第二阶振型为主。上
述是结构的顶点位移动力响应分析，那么结
构整体是不是也是如此振动那？图 7 给出了
各阶模态应变能的比例。从图中可以清楚地
看到，脉动风荷载下，结构整体振动中，X 方
向以第一阶振型为主，占 0.91%，但第三振型
参考文献 [1]中华人民共和国建设部. 建筑结构荷载规 范 GB50009-2006. [2]Architectural Institute of Japen. AIJ Rec－ ommendations for Loads on Buildings [Z]. Tokyo, Japan: Architectural Institute of Japan. 2004. [3]顾明，叶丰，高层建筑风致响应和等效静力 风荷载的特征，工程力学，2006；(7)：93-98 [4]Emil Simu, Rober H.Scanlan， Wind Ef－ fects on Structures [M] 3rd edition. New York: John Wiley &Sons Inc, 1996. [5]MarukawaH, Ohkuma T, Momomura T. Across -wind and torsional acceleration of Prismatic High Rise Buildings[ J ]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynam－ ics, 1992, 41-44: 1139-1150.
图 5 0°风向角下 30 层高度处 Y 方向 （顺风向）脉动风力时程及功率谱密度
下面对 0°风向角结构的响应进行谱密度 分析，分析结构各阶振型所占的比例。本文根 据结构不同模态对整个结构在脉动风作用下 应变能的贡献多少来定义模态对结构风振响 应的贡献。系统总体的应变能可表示为式(1)。
(1)
其中
为第 j 阶模态的应变能，kpj 和
σ2j 分别为第 j 阶模态的广义刚度和位移均方
差，下面采用应变能来定义结构各阶振型对
结构风致振动的影响。
0°风向角下结构顶点位移峰值的谱密度
如下图 6 所示。从图可见，结构顶部位移振动
的能量主要集中在 0.2Hz-0.25Hz 之间，而这
处于结构的前两阶振型的频率附近。考虑到
结构第一阶振型以 X 方向振动为主，第二阶
风振是由不稳定的空气动力形成，其性质远
比顺风向复杂。当结构物上有风作用时，就会
在该结构物两侧背后产生交替的漩涡，且将
有一侧然后向另一侧交替脱落，形成所谓的
卡门涡列。卡门涡列的发生会使建筑物表面
的压力呈周期性变化，其结果是使结构物上
作用有周期性变化的力，作用方向与风向垂
图 2 工程 B 风洞试验图片
直，称为横风向作用，也可以称之为涡激振
4 结论 本文通过对几个典型高层建筑结构的顺 风向与横风向风致反应分析和等效静风荷载 比较，得到了如下结论： 4.1 对于普通截面超高层结构，和圆形 截面结构相同，同样存在横风向涡激振动。 4.2 对于矩形截面的超高层结构，横风 向载荷和顺风向荷载为同一数量级，而且很 多时候，其大于顺风向风荷载，为控制荷载， 都应该考虑。 4.3 现行荷载规范只规定了圆形截面高 层和高耸结构的横风向涡激振动验算方法， 没有给出普通截面高层结构的横向风荷载计 算方法，这显然是非常欠缺的。 4.4 对于超高层结构的风振响应，有时 候不能够仅考虑结构第一振型的影响，高阶 振型的影响需要考虑。
也不可忽略，比例为 8%。Y 方向以第二阶振
型为主，比例在 95%以上。所以，在结构分析
时，结构X 方向风致振动需要至少考虑
第一阶和第三阶振型影响，而 Y 方向只
考虑第二阶振型即可满足精度要求。
目前的高频测力天平风洞试验方
法只能考虑结构的一阶振型，考虑不了
结构的高阶振型作用。且得不到风荷载
的空间分布信息，只能假定结构的一阶
2．3 结构风振响应分析 本部分以高层 B 为例进行了结构风振响 应分析，来说明结构风振特点。经过分析，选 择 0°风向角(迎风向)作为典型风向角来进行 分析，0°风向角下结构响应表 2 所示，结构的 自振频率如表 3 所示。从表 2 中可见，横风向 的结构响应大于顺风向结构响应。 下面给出了高层 B 0°风向角下第 30 层 处 X（横风向）和 Y（顺风向）向结构的风荷载 时程及频谱特性，如图 4-5 所示。对于 0°风向 角，从表 2 可见，Y 为顺风向，平均风荷载较 大，平均风基地倾覆力矩较大为 1.071E9N.m； X 为横风向，平均风荷载很小，平均风基地倾 覆力矩也很小，为 1.543E8N.m，二者相差近 7 倍。这说明平均风荷载在顺风向占绝对优势。 由顺风向 Y 方向力的功率谱可以看到，脉动 风荷 载的 主 要能 量都 分 布 在 低 频 部 分 ，在 0.1Hz 以下部分。而结构的第一阶振型频率为 0.2137Hz，高于 0.1Hz，因此结构顺风向的共 振响应较小，脉动风动力放大作用较小。而由 横风向 X 方向力的功率谱可以看到，脉动风 荷载的主要能量也在低频部分，但都在 0.05-