第六章 高层建筑静动力风荷载

1
Q
12
1称为脉动风折算系数, 称为振型指数,剪切型(0.5), 弯剪型(1),弯曲型(1.5),一般情况下可取 =1.
三、规则高层建筑脉动折算系数λ1的计算表格及影响因素分析
影响1的参数有H , B, , , n1 , 1 , v10 , 影响较为明显的有建筑高 度H , 高宽比H / B, 地面粗糙度类别有关的指数 及阻尼比 1 , 但与 振型有关的指数 ,自振频率n1及风速v10则是影响较小的慢变参数.
3、上一节规范方法风振系数
100m : H B 2.667, 0.49 1 3.041 0.49 z z 1 1.490 z z
150m : H B 4.000, 0.50 1 3.316 0.50 z z 1 1.659 z z 200m : H B 5.333, 0.50 1 3.540 0.50 z z 1 1.770 z z 250m : H B 6.667, 0.51 1 3.583 0.51 z z 1 1.827 z z
Pd 1z s w0 z B
对于规则高层建筑，任一高度z的最大加速度为
ad 1z Pd 1z / M 0 s w0 z B / M 0 s w0 z A / M
工程中一般关心的是建筑物顶部最大加速度ad, φz=0,
ad s w0 A / M
ad / g s w0 A / Mg s w0 A / G
1
T
2 2.68 L4 HnT vr
Baidu Nhomakorabea
对于矩形建筑物，由扭转在边角产生的水平加速度
a
B2 D2 2
四、顺风向、横风向和扭转风向最大加速度的向量叠加 顺风向、横风向最大加速度的向量叠加
ace 0.8 a a
2 d
2 w
顺风向、横风向和扭转风向最大加速度的向量叠加
2 2 2 ac0 0.7 ad aw a
五、人体舒适度限值标准
0.28 m s 2 (公共建筑) 0.20 m s 2 (公寓建筑)
例
已知某高层建筑钢结构,总高H=157.4m,正方形平面尺寸为37.7 37.7m
顺风向及横风向第一自振频率均为0.2408Hz,体形系数s 1.3, 基本风压 w 0 0.616 0.55kN / m 2 (50年重现期)C 类地面粗糙度类别该建筑物总重 51277kN , 试求其顺风向和横风向加速度.
Pci Pci1 M i s w0
ij
M
* 1

H
0
1 z Bdz
2
H z H z mhi s w0 B dz mH 2 1 0 10 H
zi


2 1 s w0 Bhi H 2 1
w B vH B, D
三、扭转加速度响应的计算
2 gT Trms / Mr
2 m
g T ——建筑物扭转峰因子，取3.8， Trms ——建筑物底部动力均方根扭矩， M rm
——建筑物总质量， ——建筑物回转半径
rm
2 2 B D 12
Trms 0.00167 vr vB / nT L
H
BD 3, n0 BD vH 0.4
式中： H ——建筑物总高；
B ——建筑物迎风面宽度； D ——建筑物深度； v H ——建筑物顶部平均风速； n0 ——建筑物横风向第一水平自振频率或第一扭转自振频率
二、横风向振动及其动力风荷载 当建筑物的高宽比 H
BD 6 ，且长宽比 0.2 D B 5
2
2、横风向顶部最大加速度
vH 40 2.071 0.75 0.55 36.97( m / s ) Tw 4.153s 551277 3 B 2.46( kN / m ) 2 157.4 37.7 36.97 4.153 2 br 2.05 10 2.11 10 37.7 2.11 102 37.7 2 aw 0.133( m / s ) 2 4.153 2.46 0.02
w0 0.616 0.66 0.407 kN m2
100m高度 : w0T 2 0.407 32 3.663, 3.041 150m高度 : w0T 2 0.407 42 6.512, 3.316 200m高度 : w0T 0.407 5 10.175, 3.540
四、静力风荷载按第一振型分解后的影响
由上式看出风振系数 与目前所用方法的风振系数 多 (1) 一般地,振型分解后结构物上部静力风比实际风力大,结构 物下部偏小,大约在2/3高度相等. (2) 振型分解后,静力风荷载沿高度的变化规律与振型类型有关 ,其中弯曲振型上下部影响较大一些,而对于剪切型或弯剪型较 为接近,因此这种方法对工程中的剪切型和弯剪型结构更为合 适. (3) 一般地振型分解后,静力风力与实际静风力所得结构顶部位移 和基底内力比较接近.
4、各层静动力风荷载
P cz z (或 ) s z w0 Az
四种建筑物的层高皆为5m, s 1.3, 则可按上式分别计算 出各层的静动力风荷载.
5、四种高度建筑物基底剪力和弯矩比较 方法 高度（m)
100
基底剪力 基底弯矩
规范方法 简化方法 规范方法 简化方法
150
1.00 1.04 1.00 1.00
解：1、顺风向顶部最大加速度
w0 0.616 0.55 0.339 kN m 2 1 2 w0T1 0.339 5.846 0.2408
ad 2.420 0.5 1.3 0.75 0.55 0.069( m / s 2 )(规范方法) ad 2.420 0.275 1.3 2.071 0.75 0.55 0.078( m / s 2 )(简化方法) 157.4 37.7 9.81 551277 157.4 37.7 9.81 551277
2 2 2
250m高度 : w0T 0.407 5.5 12.312, 3.583
2
2、本节简化方法风振系数
100m高度,H B 100 37.5 2.667, 1 0.22,
1 3.041 0.22 1.699
150m高度,H B 150 37.5 4, 1 0.205,
1 3.316 0.205 1.68
200m高度,H B 200 37.5 5.333, 1 0.22,
1 3.540 0.22 1.799
250m高度,H B 250 37.5 6.667, 1 0.225,
1 3.583 0.225 1.806

最大区别在于它不随高度发生变化为一常数其计算要简便得
本节推导所得风振系数为一常数的结果与国外（加拿大, 美国,日本）的风荷载规范或建议的阵风影响系数为常数值的 结果一致。
G 1 ydi1 yci1
y di1 ——第一振型第i层的风振动位移； y ci1 ——静力风按第一振型分解后第i层的位移。
ν称为脉动系数。
2 g 2 n1 [ * 0 1M 1
2
H

B
H
0
zz 1 z 1 z 100 Rxz l , k , n dndxdx dzdz ]1 2



0
n H1 in Sv
2
0

B
0
脉动影响系数经计算和分析处理，列为表格形式，利于查获。
§6.2 规则高层建筑结构风振系数简化计算 一、静力风荷载按振型分解
K yc P c
水平荷载 Pc 和水平位位移 yc 有下式平衡方程
yc qc j qcj
j 1
n
第j层可得到静力风荷载用第一振型分解后的等效荷载表达为：
4 3.3
3、加速度叠加
2 2 ace 0.8 ad aw 0.12(m / s2 )
6.4 不规则高层建筑结构静动力风荷载分析软件 按规范所适用的结构只限于150米以下的结构，对于超高层 或结构不规则的建筑却难以适用。对此作者开发研制了《不规则 高层结构静动力风荷载分析和舒适度验算软件》。 一、软件的分析内容 1、顺风向水平风荷载分析 2、高层建筑人体舒适度验算 3、前后处理功能
z 10 H
2

二、规则高层建筑风振系数表达式
ci 1 Pdi Pci
2 2 110 H 1 g B 1 11

2 n1
2
zl H
1
zk H
高层建筑横风向和扭转风向的动力风荷载计算准则由比较 顺风向和横风向的研究结构而确定。通常，低层建筑物的顺风 向荷载大于横风向荷载，但随着建筑物高度的增加，设计风速 逐步接近于共振风速。由此横风向风荷载在高层建筑中起支配 作用，这是因为高层建筑的横风向响应是由建筑物尾流中产生 的旋涡引起的。
由分析，对于满足下式的高柔建筑，应考虑湍流引起的横 风向和扭转风向风振动力荷载：
6.5 高层建筑横风向、扭转振动及动力风荷载 高层建筑的横风向振动、扭转振动的机理比较复杂，国内 外已作过一些试验与理论分析，取得了一定的成果，但真正达 到工程应用的程度还有相当的工作要作。
我国对这方面内容的研究更少，有关规范还未规定相关内 容（涡激共振除外），常有无处下手分析计算之感。到目前多 是应用日本的理论和方法。 一、何时需考虑横风向和扭转风向的振动
二、横风向最大加速度计算 建筑物横风向风振机理较为复杂，现一般是以大量试验 结果为基础，再通过综合分析得到。我国规程与加拿大规范 结合考虑：
br BD aw 2 Tw B w
式中
vH Tw br 2.05 10 BD
4
3.3
Tw
——建筑物横风向第一自振周期， ——横风向阴尼比 ——建筑物平均重度 ——建筑物顶部的平均风速 ——建筑物的宽度和深度
例 有四种高度的高层建筑钢结构高度分别为100m,150m, 200m,250m.第一自振周期分别为3s,4s,5s,5.5s,迎风面宽 度为37.5m,C类地面粗糙度类别基本风压0.66kN/m2 .试用 本节简化方法与上一节规范方法比较该四种高度建筑物的 基底剪力和基底弯矩.
解： 1、脉动增大系数
200
1.00 1.13 1.00 1.09
250
1.00 1.17 1.00 1.13
1.00 1.01 1.00 0.97
§6.3 高层建筑结构人体舒适度验算 高层建筑，特别是超高层建筑钢结构，由于高度的迅速增 加，阴尼比变小，高层建筑钢结构中风运动的人体舒适度则上 升为首要控制的因素。 一、顺风向最大加速度计算 顺风向风振动力风荷载
在上式中，第一振型坐标的取值，按我国规范，其经验公 式为
z 0.7 1 z tan 4 H
式中，H为建筑物总高，z为建筑离地高度。
峰因子g取2.5，空间相干函数 乘积：
Rxz l , k , n 取发下两式的
x x x x Rx x, x exp exp Lx 50 z z z z Rz z , z exp exp Lz 60