英文翻译：超高层建筑结构横向风荷载效应

Across-wind loads and effects of super-tall buildings and structures

GU Ming & QUAN Yong

SCIENCE CHINA Technological Sciences,2011,54(10):2531~2541

超高层建筑结构横向风荷载效应

顾明全勇

中国科学技术科学，2011，54(10):2531~2541

摘要

随着建筑高度的不断增加，横向风荷载效应已经成为影响超高层建筑结构设计越来越重要的因素。高层建筑结构的横向风荷载效应被认为由空气湍流，摇摆以及空气流体结构相互作用所引起的。这些都是非常复杂的。尽管30年来，研究人员一直关注这个问题，但横向风荷载效应的数据库以及等效静力风荷载的计算方法还没有被开发，大多数国家在荷载规范里还没有相关的规定。对超高层建筑结构的横向风荷载效应的研究成果主要包括横向风荷载的动力以及动力阻尼的测定，数据库的开发和等效静力风荷载的理论方法的等等。在本文中，我们首先审查目前国内外关于超高层建筑结构风荷载的影响的研究。然后我们在阐述我们的研究成果。最后，我们会列举我们研究成果在超高层建筑结构中应用的的案例。

1 引言

随着科技的发展，建筑物也越来越长、高、大，越来越对强风敏感。因此，风工程研究人员面临着更多新的挑战，甚至一些未知的问题。例如，超高层建筑现在在全世界普遍流行。高度为443米的芝加哥希尔斯塔保持了是世界上最高建筑物26年的记录，现在还有几十个超过400米的超高层建筑被建造。828米高的迪拜塔已经建造完成。在发达国家，甚至有人建议建造数千米的“空中城市”。随着高度的增加，轻质高强材料的使用，风荷载效应特别是具有低阻尼的超高层建筑横向风动力响应将变得更加显著。因此，强风荷载将成为设计安全的超高层建筑结构中的一个重要的控制因素。

达文最初引入随机的概念和方法应用发哦顺风向荷载效应的建筑物和其他结构的抗风研究。之后，研究人员完善了相关的理论和方法，并且主要的研究成果已经反映在一些国家的结构设计荷载规范里。对现代超高层建筑结构，横风向风荷载的作用可能已经超过顺风向荷载效用。虽然研究人员已经关注这个方向已经30多年了，但能够被广泛接受的横风向荷载数据库以及等效静力荷载的计算方法还没有形成。只有少数国家在他们的荷载规范里有相关的内容和规定。因此，研究超高层建筑结构横风向风振和等效静力荷载在超高层建筑设计领域内具有重要的理论意义和实用价值。

2 研究现状

2.1 横风向荷载及作用机制

过去的研究主要集中在横风向荷载机制。郭指出横风向荷载的激发主要由于被公认为空气动力阻尼的尾流、空气湍流以及风荷载耦合作用。索拉里认为横风向荷载主要由于尾流的原因所引起。卡里姆声称横风向的效应主要是由分离剪切层和尾流波动引起的横向均匀压力波动所引起的。目前，高层建筑横风向荷载机制已被人为是流入湍流激发、尾流激发、以及气动弹性影响。湍流以及尾流激励一般是外部空气动力，在本文章中，所涉及的统称为空气动力。同时，气体的弹性效应可以被认为是气体动力阻尼。横风向气体动力不再像顺向风一样符合准稳态假设。因此，横向风荷载谱不能直接作为一个脉动风速谱。对不稳定风压力来说，风洞试验技术是目前研究横向风动力的主要技术。风洞试验技术主要包括气体弹性模型试验、高频力平衡试验以及对多点压力测量的刚性模型实验技术。用横风向外部动力，横风向气动阻尼，横向风响应和建筑结构等效静力风荷载的数据可以对超高层建筑结构进行计算。

2.2 横风向气动力

如上所述，横风向气动力基本上可以通过以下途径获得：从气动弹性模型在一个风洞的横风向响应确定横风向气动力；通过刚性模型风压空间一体化获得横向风动力；使

用高频测力天平技术测量基底弯矩来获得广义的气动力。

2.2.1 从气动弹性模型的动态响应确定横风向气动力

这种方法采用的是气动弹性模型的横风向风振响应，结合动态特性的模型识别横风向气动力。墨尔本对对一系列圆形、方形、六角形、多边形沿高度分布进行气动弹性模型风洞试验。然而进一步试验表明您横风向气动阻力与气动力混合在一起，使他难以准确地提取气动阻尼力。因此，该方法很少使用。

2.2.2 风压积分法

研究人员建议用风压积分法获取更准确的高层建筑横风向气动力。伊斯兰等人采用这种方法得到横风向气动力，陈等人研究了典型建筑结构在不同风场条件横风向气动力。影响横风向气动力的因素主要有湍流强度、湍流尺度。湍流强度被发现扩大带气动力和降低峰值。然而,湍流强度被认为对总能量几乎没有影响。因此,研究人员在某种程度上已经意识到了在风力条件定量规则的变化横风气动力。梁等人使用这种方法检查了建筑物上的典型矩形边界层风洞横风向气动力，从而提出高大的建筑物的经验公式和横风向动态响应模型。结果表明, 横风向湍流对于横风向气动力的贡献比那些激励要小的多。基于大量的结果,导出横风向湍流激励和激发后的PSD计算公式。第一广义的横风向气动力计算可以通过在刚性建筑模型整合压力分布得到，这是该方法一个重要的优越性。然而,考虑到在这类方法需要大量的大规模的结构测压，同步测量风压是很难实现的。此外,对于建筑和结构复杂的配置,准确的风压分布和空气动力难以使用这种方法。

2.2.3 高频测力平衡技术

与压力测量技术相比，高频力平衡技术对于得到总气动力有其独特的优势，检测和数据分析过程都很简单。因此这项技术通常应用于初期设计阶段的建筑外观的选择。目前这项技术被广泛应用于作用在超高层建筑结构的全风荷载以及动力响应计算。高频力平衡技术自从1970年已经逐渐发展起来。赛马可等人是第一批把此技术应用到模型测量的人。他们最初提出平衡模型系统应有一个比风力频率更高的固有频率。由常和达文发展的平衡技术标志着平衡设备的成熟。

卡里姆进行了一项实验研究。对于在城市和郊区具有不同截面形式的高层建筑的横风向气动力研究表明对于建筑物风的不确定以及结构参数对横风向空气动力的设计有很小的影响并且顺风向和横风向气动力或扭矩之间的联系时微不足道的。但横风向动力和扭矩之间的联系是非常密切的。这个结论对于三维方向精确的风荷载模型是很重要的。特别是石和全等人做了一系列关于矩形建筑的边率，建筑物横截面形状，建筑的面率的效应以及用五元平衡的高层建筑横风向动力设计的风域条件。事实上，基于大量的风隧道检测结果典型高层建筑横风向气动力系数的公式已经被我们建立了。