风致动力效应

1.3.2风对高层建筑的作用

高层建筑，特别是超高层建筑大都具有柔性大、阻尼小的特点，这样使得风荷载成为其

结构设计时的主要控制荷载。风荷载作用于高层建筑，会产生明显的三维荷载效应，即顺风向风荷载、横风向风荷载和扭转风荷载。在三维动力风荷载的作用下，高层建筑在顺风向、横风向和扭转方向产生振动。

第1章绪论

1.3.

2.1顺风向风效应

我国荷载规范[80】中给出了高层建筑顺风向平均风荷载的计算公式:

矶=刀:户:拜，叽(l一10)

式中:哄为高层建筑:高度处的平均风压;叽为10米高度处的基本风压(我国规范Is0】中

给出的基本风压是基于B类地貌条件的，其它地貌条件下要进行相应的转化);户:和户，分

别为风压高度系数和体型系数;几为考虑脉动放大效应的风振系数。

一般认为顺风向脉动风荷载符合准定常假定，即顺风向风荷载的脉动主要由顺风向风速

脉动引起。Davenportl吕’l和几mural82]等提出利用脉动风速功率谱转化得到顺风向风荷载功率

谱的方法，许多学者还通过风洞试验的方法得到高层建筑顺风向风荷载谱的经验公式183.851。

高层建筑顺风向振动以一阶模态振动为主，一般假定高层建筑一阶振型为线性，但近年

来部分学者对线性假定提出异议，并给出了振型修正的计算方法186-87]，顺风向风振的计算中

必须考虑风荷载的水平和竖向空间相关性188】。

1.3.

2.2横风向风效应

横风向风荷载由尾流激励、来流紊流和结构横向位移及其对时间的各阶导数引起的激励

等因素构成，但主要是由结构尾流中的漩涡脱落引起建筑物两侧气压交替变化所致189】。当

建筑物高度较低或高宽比不大时，结构的顺风向风致响应大于横风向响应;而近年来大量的风洞试验和现场实测证明，当高层建筑的高宽比大于4时，其横风向风振响应往往会超过顺风向响应，成为结构设计的控制性因素190]。

由于横风向风荷载机理复杂以及横风向振动的重要性，使得这方面的研究一直是风工程

界的热点问题。横风向风荷载不符合准定常假定，因此横风向风荷载谱不能根据脉动风速谱得到1841，风洞试验是研究高层建筑横风特性的主要手段。国外的ohkuma[01]、H.choil92)以及

国内的梁枢果[93]、顾明194]、徐安【84]等都相继提出了横风向风荷载功率谱的数学模型。横风向风振应通过随机振动理论计算，vicke夕95】、Kareem[9e]和Kwoklgv]等对高层建筑横

风向振动的计算方法进行了详细的阐述和探讨;梁枢果等给出了矩形高层建筑横风向风振响应的简化计算方法[98]。

1.3.

2.3扭转风效应

扭转风荷载则是顺风向紊流、横风向紊流和漩涡脱落共同作用的结果l”]。高层建筑的

浙江大学博士学位论文2008

风致扭转力矩与结构的平面形状有很大关系，往往平面形状不规则的高层建筑会引起较大的风致扭矩，从而导致较大的扭转响应。xIEJi而ng等199]在研究多幢高层建筑风扭矩的基础上，

提出了结构“等效偏心”的概念。

扭转风荷载谱特性的研究是高层建筑风致扭转响应计算的前提，各国学者根据风洞试

验，分别提出了相应的扭转风荷载谱的数学计算模型11呱，“3]，但这些模型大都针对矩形截面

的高层建筑，对其它复杂体型的高层建筑罕有涉及。

高层建筑平面布置的不规则往往会造成结构的偏心，即质量中心与刚度中心不重合。偏

心将导致结构在风或地震等动力荷载作用下出现弯扭祸合扭动的现象，从而导致结构动力响应的增大[104·107]。

1.3.3高层建筑的风致响应计算

1.3.3.1计算方法概述

随机风荷载作用下的高层建筑响应问题是一个随机振动问题。随机振动问题的求解方法

可以分为时域法和频域法两种，前者在时域内按荷载步进行逐步求解，而后者则在频域内按照随机振动理论的谱分析方法进行求解。

时域计算方法将计算时间内的随机荷载分为若干荷载步，以当前荷载步作用下的结构响

应作为下一个荷载步计算的初始条件，从而进行逐步求解。该方法的计算精度与计算时间的长短和荷载步的多少有很大关系。朋ls口n一O法和Newmark法是时域内求解结构振动的两

个最为著名的方法。

频域法通过傅立叶变换将动力学方程从时域转换到频域，再利用功率谱分析的方法对动

力方程进行求解。频域法计算过程简单，计算速度快;但该方法以结构响应的均方根为计算结果，均方根是一种统计意义上的结果，而时域法得到的是结构响应的时间过程，两者相比，频域法的计算精度低于时域法。模态叠加法是频域内求解结构振动的主要方法。

近年来，大连理工大学的林家浩教授提出的虚拟激励法1108]逐步在结构风致振动中得到

了应用1109一，’0]。该方法的本质就是根据激励的功率谱构造一种虚拟的简谐荷载激励，将任意

荷载激励下的振动问题简化为简谐荷载作用下的振动问题，使得结构响应谱的计算大为简化。虚拟激励法是一种快速的cQc算法，有效的保证了计算结果的精度[l川。

第1章绪论

.3.3.2高层建筑的计算模型

高层建筑计算模型分为两大类:一类是精细有限元模型，这类模型主要在有限元软件中

建立;另一类是简化计算模型，简化计算模型又可以分为层刚片模型和平面杆系模型:

(l)平面杆系模型是以静力计算方法建立单元刚度矩阵和总刚度矩阵，然后根据自由

度缩聚方法消去非侧向位移的其他分量得到，其精度较高，但计算量大。

(2)层刚片模型虽然相对杆系模型计算精度稍差，但它计算简单，在结构设计分析中

应用更加广泛。对侧向变形以层间剪切为主的结构，可采用层间剪切模型11’2】;而对于框一

剪结构、框一筒结构或者不能忽略因柱轴向变形而造成的弯曲变形影响的高层框架结构，可采用层间弯剪模酬，3-114]。

结构的偏心使高层建筑发生弯曲与扭转祸合振动，对结构风振起放大作用，因此偏心状

态下高层建筑计算模型的研究显得尤为重要1115-118]。

1.3.4高层建筑的等效风荷载研究

AlanGDavenportll’】提出了著名的计算等效风荷载的阵风荷载因子法(GustLoading Factors，GLF)，作者在文中将等效风荷载定义为平均风荷载与阵风荷载因子(GLF)乘积

的形式。许多专家和学者在此基础上对GLF方法进行了改进和发展[87，，’9一23]。KaPerski