超高层建筑风荷载与抗风设计-金新阳
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梯度风高度风速压相同
450 400 350 300 A B C D
H(m)
250 200 150 100 50 0 1 1.5 2 2.5 3
0.5-0.6 06-0.7 0.7-0.9
z k z z10
20
2
z
基本风压
任意高度风速压
23
风与大气边界层
大气边界层
– 平均风速随高度递 增 – 超过一定高度后平 均风速较为均匀： 梯度风
风剖面的修订
城市涵盖的范围越来越大，城市地貌大气边界层厚度有显著增加。 适当提高C、D两类地貌的梯度风高度，将梯度高度由400m 、450m 改为450m和550m，B类指数适当减小（0.16→0.15）
地面粗糙度类别 原 值 修 订 梯度高度zG（m） 指数α 梯度高度zG（m） 指数α
A 300 0.12 300 0.12
25
ˆ p (1 2 gt I u ) p
28
体型系数
以同高度来流风速压为基准得出的无量纲 数 p p
si
i H
湍流度剖面的规定
规范的湍流度剖面公式修订
1 2 U H 2
z I ( z ) I10 10
当贝努利方程成立时
1 1 2 pi U i2 pH U H 2 2
600
U600=14.2m/s
13 16
气象站地貌的改变
明显偏离了标准地貌
不同时距的调整
14
17
北京近60年的年最大风速
24 22
年最大风速(m/s)
概率统计模型
极值I型分布
1 0.8 0.6
基本风压 0.45kN/m2 基本风压 0.20kN/m2
U F (U ) exp exp , - U
20 18
14 12 10 1950 1960 1970
小一半！ 原因？ 1980 1990
年
F(U)
0.4 0.2 0 -2
16
2000
2010
15
-1
0
1 (U-)/
2
3
4
5
18
3
2014/3/10
《建筑结构荷载规范》修订
基本风压修订
补充600多基本台站1995-2008年极值风速数据， 重新统计基本风速，绘制新的基本风压图 少量城市有增加，大部分保持不变，统计结果普 遍减小
31
-1.50x10
6
-3.00x10
6
0
90
180
270
360
单塔试验
风向角（°）
34
高层建筑群干扰
干扰效应对风压分布和风致振动至关重要
– 影响风压：遮挡、局部放大 – 影响风振：改变风压脉动能量大小和分布
规范给出的干扰系数供主体结构设计参考
– 基于国内风洞试验的研究成果
32
35
楼群干扰的风洞试验
1.5x10 1.0x10
5 5
1、高层建筑风荷载规范计算方法
单塔 2号楼 3号楼
基底扭矩均值
2号楼 3号楼 单塔
基底扭矩均方根
4x10
4
5.0x10
4
3x10
4
1.2 顺方向风振响应与风振系数
激励与响应特点 风振理论基础 风振系数表达 新规范风振系数修订
0.0
4
2x10
4
-5.0x10 -1.0x10 -1.5x10
风振系数表达方式
脉动增大系数方式（我国原规范、原苏联东欧）
z 1 11 1
新规范表达式方案：
z ( z ) 1 2 gI10 Bz 1 R 2
37
40
《建筑结构荷载规范》修订
背景与共振分量法
高层建筑顺风向风振基本理论
随机振动理论，振型分解法计算，对悬臂型高层建筑， 可仅考虑基本振型，采用风振系数方法 风振系数定义： 时域响应
高度变化系数
平均风速剖面
– 理论推导得出平均风速的对数律
U ( z) u* z ln k z0
– 指数律使用更方便 U ( z ) U g z z g
19
22
新修订的全国基本风压图
高度变化系数
高度变化系数：
q( z ) 1 U 2 ( z ) 2 2 1 U g z z g 2 1 2 2 U 10 k z z10 2 z w0
遮挡效应
3.00x10
6
尾流放大作用
H(m)
H(m)
300 200 100 0 1
Bnew
250 200 150 100 50
A B
群体 单体
群体试验
X向基底弯矩均值
1.50x10
6
1.5
2
2.5
3 zgz
3.5
4
4.5
0 0.85
0.00
0.9
0.95
1 z
1.05
1.1
极值风速压：
– 与原规范相比约降低了5%到10% – 幕墙以外的围护结构考虑阵风系数后，风荷载值有所 提高
– 当计算主要承重结构时
高层建筑风荷载
规范计算方法荷载
常见规则建筑
风洞试验方法
特殊及重大建筑 《建筑工程风洞试验方法标准》
wk z s z w0
– 当计算围护结构时
wk gz sl z w0
7
10
1、高层建筑风荷载规范计算方法
1.1 静力风荷载 1.2 顺方向风振响应与风振系数 1.3 横风向风振及扭转风振等效风荷载 1.4 风荷载组合工况
1.4
1.6
1.8
A类与B类与原规范大致相当 C类和D类有不同程度的提高
gz
2
2.2
2.4
阵风系数应用范围扩大到所有围护结构
27 30
5
2014/3/10
《建筑结构荷载规范》修订
群体干扰效应工程实例
450
500 400 A B C D Anew Cnew Dnew
400 350 300
D C
B 350 0.16 350 0.15
C 400 0.22 450 0.22
D 450 0.30 550 0.30
24
21
4
2014/3/10
修订前后与国外规范的比较
阵风系数
阵风系数的决定因素：
– 峰值因子 – 湍流度（与地貌类别和高度有关） – 隐含物理意义：与具体建筑物无关
gz
四类地貌区分度不够 C类和D类相比日本和欧洲规范偏高
激励与响应特点 风洞试验研究 横风向风振等效风荷载计算 扭转风振等效风荷载计算
与顺风向响应特点的比较
结构的顺风向动态响应主要是由于来流中的纵向 紊流分量引起的，另外还要加上由于平均风力产 生的平均响应。 横风向响应主要由于建筑侧面产生的漩涡引起。 平均响应为0。 扭转响应是由于迎风面、背风面和侧面风压分布 的不对称所导致的，与风的紊流及建筑尾流中的 旋涡有关。平均响应为0。
44 47
《建筑结构荷载规范》修订
横风向风振激励与响应特点
高层建筑横风向风振，主要由风的横风向脉动、漩涡脱 落和结构的气动反馈引起 其效应对超高层建筑和高耸结构不可忽略，某些超高层 建筑甚至起控制作用。
规范依据：风洞试验研究
- 高频动态天平测力试验
• 测量矩形截面高层建筑的横风向风力； • 考虑角沿凹角和削角对横风向风力影响；
1、高层建筑风荷载规范计算方法 1.1 静力风荷载wenku.baidu.com
风荷载计算基本规定 风压高度变化系数 风荷载体型系数 局部体型系与数阵风系数 高层建筑群相互干扰
基本风速和基本风压
风速到风压的转换——贝努利方程
1 p v 2 const 2
w0
1 2 v0 2
基本风速：“按当地空旷平坦地面上10m高度处 10min平均的风速观测数据，经概率统计得出50 年一遇最大值确定的风速”。
各项参数的定义及其影响因素
– βz 风振系数和βg z阵风系数
• 脉动风特性——湍流度、风谱、积分尺度… • 结构特性——周期、阻尼、振型…
– μs 体型系数和μsl局部体型系数
• 外形特征
– μz 高度变化系数
• 地貌类别
唯一和结构动力特 性相关的参数
– w0基本风压
• 建设地的气象资料
8
11
2
风作用与风效应呈现三维动态
5
0. 引言
横风向
工程应用中简化为顺方向、横 风向与扭转风荷载
风
B
扭转
顺风向
迪拜塔
风荷载是大部分超高层建筑的控制荷载
D
3
1
2014/3/10
高层建筑风荷载与抗风设计两种主要途径
《建筑结构荷载规范》 GB50009-2012
基本规定
垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应 按下述公式计算：
风压:
w( z, t ) w( z) w( z, t )
平均风压 脉动风压
响应:
w( z )
静力计算 随机振动计算
x ( z)
w( z, t )
x ( z)
ˆ ( z) x ( z) g x ( z) x
39 42
7
2014/3/10
《建筑结构荷载规范》修订
《建筑结构荷载规范》修订
2014/3/10
超高层建筑风荷载与抗风设计
金新阳
（风工程研究团队：陈凯、唐意、严亚林等）
风
中国建筑科学研究院
jinxinyang@cabrtech.com 010-64517525
风对高层建筑的作用是三维绕流现象
1 4
内容提要
0. 引言 1. 高层建筑风荷载规范计算方法； 2. 超高层建筑风荷载风洞试验方法； 3. 超高层建筑气动优化； 4. 超高层建筑舒适度与风振控制； 5. 500m以上超高层建筑风洞试验研究案例
- 气动弹性试验
• 测量模型在横风向振动下的加速度响应； • 识别气动阻尼，对结构阻尼进行修正。
45
48
8
2014/3/10
风洞试验研究截面类型
规范条文
8.5.1 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。需考虑横风向振动。条文说明：高层建筑： H≥150m或高宽比大于5； 高耸结构： H≥30m且高宽比大于4。 对于平面或立面 体型较复杂的高 层建筑和高耸结 构 风洞试验研究 或比照有关资 料 圆形截面高层 建筑及构筑物 的跨临界强风 共振 附录H.1 对于矩形截面 及凹角或削角 矩形截面的高 层建筑 附录H.2
9
12
2
2014/3/10
基本风速定义三要素
气象站的环境标准
– 空旷平坦地貌、观测高度10m
25 20
风速的平均时距
U60=15.9m/s U3=21.0m/s
风速平均时距
– 10min
U(m/s)
15 10 5 0
概率统计方法
– 50年一遇最大值
100
200
300 t(s)
400
500
横风向响应显著的工程实例
8 6 4 2
Fy(N)
x 10
7
0 -2 -4 -6 Y 平均 极大 极小 60 X
0o
90o
-8 0
120
180 风向角
240
300
360
358m 高方形截面超高层建筑
在 90度和270度附近，Y轴方向风载以 横风向为主，此时平均为0，脉动很大
46
43
1、高层建筑风荷载规范计算方法 1.3 横风向风振与扭转风振等效风荷载
r
S (1 ) 8113
1 M1*
0
S ( ) H q1 (i ) d
2
z
Psz Pfz Psz
Pfz
频域响应 背景分量:
为脉动风产生的等效惯性力。
0
S ( )d
14
2
Psz
为z高度处的静力风荷载；
共振分量: S (1 ) H q1 (i1 )
38 41
si
U pi pH 1 i 1 2 UH U H 2
2
26
29
局部体型系数
补充了局部体型 系数
– 封闭式矩形平面 房屋：分区域； 深宽比的影响 – 体型系数放大 25%
H(m)
500 400 300 200 100 0 A B C D Anew Bnew Cnew Dnew
5
1x10
4
5
0
90
180
270
360
0
90
风向角（°）
180
270
360
风向角（°）
33
36
6
2014/3/10
《建筑结构荷载规范》修订
《建筑结构荷载规范》修订
高层建筑顺风激励与响应特点
激励以风自身脉动为主，激励功率谱与风速谱类似 响应以第一阶振型为主，共振仅与结构自振特性相关 与大跨结构有显著区别
52
49
《建筑结构荷载规范》修订
横风向风力谱
1
矩形截面横风向等效风荷载计算
基于随机振动方法和大量的风洞试验数据。 计算表达式：
顺风向风力谱
风致扭矩谱
SFf/ F
z ' 2 wCk w0 CC g C 1 RL 10
《建筑结构荷载规范》修订
顺风向响应的随机振动计算方法
连续体系的振动方程:
mx( z, t ) Cx( z, t ) EIx( z, t ) Rw( z, t )
新规范主要修改及比较
参数修改： 阵风因子g 由2.2修改为2.5 适当提高基本湍流度I10
粗糙度类别 A 原规范I10 新规范I10 0.088 0.12 B 0.114 0.14 C 0.167 0.23 D 0.278 0.39
450 400 350 300 A B C D
H(m)
250 200 150 100 50 0 1 1.5 2 2.5 3
0.5-0.6 06-0.7 0.7-0.9
z k z z10
20
2
z
基本风压
任意高度风速压
23
风与大气边界层
大气边界层
– 平均风速随高度递 增 – 超过一定高度后平 均风速较为均匀： 梯度风
风剖面的修订
城市涵盖的范围越来越大，城市地貌大气边界层厚度有显著增加。 适当提高C、D两类地貌的梯度风高度，将梯度高度由400m 、450m 改为450m和550m，B类指数适当减小（0.16→0.15）
地面粗糙度类别 原 值 修 订 梯度高度zG（m） 指数α 梯度高度zG（m） 指数α
A 300 0.12 300 0.12
25
ˆ p (1 2 gt I u ) p
28
体型系数
以同高度来流风速压为基准得出的无量纲 数 p p
si
i H
湍流度剖面的规定
规范的湍流度剖面公式修订
1 2 U H 2
z I ( z ) I10 10
当贝努利方程成立时
1 1 2 pi U i2 pH U H 2 2
600
U600=14.2m/s
13 16
气象站地貌的改变
明显偏离了标准地貌
不同时距的调整
14
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北京近60年的年最大风速
24 22
年最大风速(m/s)
概率统计模型
极值I型分布
1 0.8 0.6
基本风压 0.45kN/m2 基本风压 0.20kN/m2
U F (U ) exp exp , - U
20 18
14 12 10 1950 1960 1970
小一半！ 原因？ 1980 1990
年
F(U)
0.4 0.2 0 -2
16
2000
2010
15
-1
0
1 (U-)/
2
3
4
5
18
3
2014/3/10
《建筑结构荷载规范》修订
基本风压修订
补充600多基本台站1995-2008年极值风速数据， 重新统计基本风速，绘制新的基本风压图 少量城市有增加，大部分保持不变，统计结果普 遍减小
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-1.50x10
6
-3.00x10
6
0
90
180
270
360
单塔试验
风向角（°）
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高层建筑群干扰
干扰效应对风压分布和风致振动至关重要
– 影响风压：遮挡、局部放大 – 影响风振：改变风压脉动能量大小和分布
规范给出的干扰系数供主体结构设计参考
– 基于国内风洞试验的研究成果
32
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楼群干扰的风洞试验
1.5x10 1.0x10
5 5
1、高层建筑风荷载规范计算方法
单塔 2号楼 3号楼
基底扭矩均值
2号楼 3号楼 单塔
基底扭矩均方根
4x10
4
5.0x10
4
3x10
4
1.2 顺方向风振响应与风振系数
激励与响应特点 风振理论基础 风振系数表达 新规范风振系数修订
0.0
4
2x10
4
-5.0x10 -1.0x10 -1.5x10
风振系数表达方式
脉动增大系数方式（我国原规范、原苏联东欧）
z 1 11 1
新规范表达式方案：
z ( z ) 1 2 gI10 Bz 1 R 2
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《建筑结构荷载规范》修订
背景与共振分量法
高层建筑顺风向风振基本理论
随机振动理论，振型分解法计算，对悬臂型高层建筑， 可仅考虑基本振型，采用风振系数方法 风振系数定义： 时域响应
高度变化系数
平均风速剖面
– 理论推导得出平均风速的对数律
U ( z) u* z ln k z0
– 指数律使用更方便 U ( z ) U g z z g
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新修订的全国基本风压图
高度变化系数
高度变化系数：
q( z ) 1 U 2 ( z ) 2 2 1 U g z z g 2 1 2 2 U 10 k z z10 2 z w0
遮挡效应
3.00x10
6
尾流放大作用
H(m)
H(m)
300 200 100 0 1
Bnew
250 200 150 100 50
A B
群体 单体
群体试验
X向基底弯矩均值
1.50x10
6
1.5
2
2.5
3 zgz
3.5
4
4.5
0 0.85
0.00
0.9
0.95
1 z
1.05
1.1
极值风速压：
– 与原规范相比约降低了5%到10% – 幕墙以外的围护结构考虑阵风系数后，风荷载值有所 提高
– 当计算主要承重结构时
高层建筑风荷载
规范计算方法荷载
常见规则建筑
风洞试验方法
特殊及重大建筑 《建筑工程风洞试验方法标准》
wk z s z w0
– 当计算围护结构时
wk gz sl z w0
7
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1、高层建筑风荷载规范计算方法
1.1 静力风荷载 1.2 顺方向风振响应与风振系数 1.3 横风向风振及扭转风振等效风荷载 1.4 风荷载组合工况
1.4
1.6
1.8
A类与B类与原规范大致相当 C类和D类有不同程度的提高
gz
2
2.2
2.4
阵风系数应用范围扩大到所有围护结构
27 30
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2014/3/10
《建筑结构荷载规范》修订
群体干扰效应工程实例
450
500 400 A B C D Anew Cnew Dnew
400 350 300
D C
B 350 0.16 350 0.15
C 400 0.22 450 0.22
D 450 0.30 550 0.30
24
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2014/3/10
修订前后与国外规范的比较
阵风系数
阵风系数的决定因素：
– 峰值因子 – 湍流度（与地貌类别和高度有关） – 隐含物理意义：与具体建筑物无关
gz
四类地貌区分度不够 C类和D类相比日本和欧洲规范偏高
激励与响应特点 风洞试验研究 横风向风振等效风荷载计算 扭转风振等效风荷载计算
与顺风向响应特点的比较
结构的顺风向动态响应主要是由于来流中的纵向 紊流分量引起的，另外还要加上由于平均风力产 生的平均响应。 横风向响应主要由于建筑侧面产生的漩涡引起。 平均响应为0。 扭转响应是由于迎风面、背风面和侧面风压分布 的不对称所导致的，与风的紊流及建筑尾流中的 旋涡有关。平均响应为0。
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《建筑结构荷载规范》修订
横风向风振激励与响应特点
高层建筑横风向风振，主要由风的横风向脉动、漩涡脱 落和结构的气动反馈引起 其效应对超高层建筑和高耸结构不可忽略，某些超高层 建筑甚至起控制作用。
规范依据：风洞试验研究
- 高频动态天平测力试验
• 测量矩形截面高层建筑的横风向风力； • 考虑角沿凹角和削角对横风向风力影响；
1、高层建筑风荷载规范计算方法 1.1 静力风荷载wenku.baidu.com
风荷载计算基本规定 风压高度变化系数 风荷载体型系数 局部体型系与数阵风系数 高层建筑群相互干扰
基本风速和基本风压
风速到风压的转换——贝努利方程
1 p v 2 const 2
w0
1 2 v0 2
基本风速：“按当地空旷平坦地面上10m高度处 10min平均的风速观测数据，经概率统计得出50 年一遇最大值确定的风速”。
各项参数的定义及其影响因素
– βz 风振系数和βg z阵风系数
• 脉动风特性——湍流度、风谱、积分尺度… • 结构特性——周期、阻尼、振型…
– μs 体型系数和μsl局部体型系数
• 外形特征
– μz 高度变化系数
• 地貌类别
唯一和结构动力特 性相关的参数
– w0基本风压
• 建设地的气象资料
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2
风作用与风效应呈现三维动态
5
0. 引言
横风向
工程应用中简化为顺方向、横 风向与扭转风荷载
风
B
扭转
顺风向
迪拜塔
风荷载是大部分超高层建筑的控制荷载
D
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2014/3/10
高层建筑风荷载与抗风设计两种主要途径
《建筑结构荷载规范》 GB50009-2012
基本规定
垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应 按下述公式计算：
风压:
w( z, t ) w( z) w( z, t )
平均风压 脉动风压
响应:
w( z )
静力计算 随机振动计算
x ( z)
w( z, t )
x ( z)
ˆ ( z) x ( z) g x ( z) x
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2014/3/10
《建筑结构荷载规范》修订
《建筑结构荷载规范》修订
2014/3/10
超高层建筑风荷载与抗风设计
金新阳
（风工程研究团队：陈凯、唐意、严亚林等）
风
中国建筑科学研究院
jinxinyang@cabrtech.com 010-64517525
风对高层建筑的作用是三维绕流现象
1 4
内容提要
0. 引言 1. 高层建筑风荷载规范计算方法； 2. 超高层建筑风荷载风洞试验方法； 3. 超高层建筑气动优化； 4. 超高层建筑舒适度与风振控制； 5. 500m以上超高层建筑风洞试验研究案例
- 气动弹性试验
• 测量模型在横风向振动下的加速度响应； • 识别气动阻尼，对结构阻尼进行修正。
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2014/3/10
风洞试验研究截面类型
规范条文
8.5.1 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。需考虑横风向振动。条文说明：高层建筑： H≥150m或高宽比大于5； 高耸结构： H≥30m且高宽比大于4。 对于平面或立面 体型较复杂的高 层建筑和高耸结 构 风洞试验研究 或比照有关资 料 圆形截面高层 建筑及构筑物 的跨临界强风 共振 附录H.1 对于矩形截面 及凹角或削角 矩形截面的高 层建筑 附录H.2
9
12
2
2014/3/10
基本风速定义三要素
气象站的环境标准
– 空旷平坦地貌、观测高度10m
25 20
风速的平均时距
U60=15.9m/s U3=21.0m/s
风速平均时距
– 10min
U(m/s)
15 10 5 0
概率统计方法
– 50年一遇最大值
100
200
300 t(s)
400
500
横风向响应显著的工程实例
8 6 4 2
Fy(N)
x 10
7
0 -2 -4 -6 Y 平均 极大 极小 60 X
0o
90o
-8 0
120
180 风向角
240
300
360
358m 高方形截面超高层建筑
在 90度和270度附近，Y轴方向风载以 横风向为主，此时平均为0，脉动很大
46
43
1、高层建筑风荷载规范计算方法 1.3 横风向风振与扭转风振等效风荷载
r
S (1 ) 8113
1 M1*
0
S ( ) H q1 (i ) d
2
z
Psz Pfz Psz
Pfz
频域响应 背景分量:
为脉动风产生的等效惯性力。
0
S ( )d
14
2
Psz
为z高度处的静力风荷载；
共振分量: S (1 ) H q1 (i1 )
38 41
si
U pi pH 1 i 1 2 UH U H 2
2
26
29
局部体型系数
补充了局部体型 系数
– 封闭式矩形平面 房屋：分区域； 深宽比的影响 – 体型系数放大 25%
H(m)
500 400 300 200 100 0 A B C D Anew Bnew Cnew Dnew
5
1x10
4
5
0
90
180
270
360
0
90
风向角（°）
180
270
360
风向角（°）
33
36
6
2014/3/10
《建筑结构荷载规范》修订
《建筑结构荷载规范》修订
高层建筑顺风激励与响应特点
激励以风自身脉动为主，激励功率谱与风速谱类似 响应以第一阶振型为主，共振仅与结构自振特性相关 与大跨结构有显著区别
52
49
《建筑结构荷载规范》修订
横风向风力谱
1
矩形截面横风向等效风荷载计算
基于随机振动方法和大量的风洞试验数据。 计算表达式：
顺风向风力谱
风致扭矩谱
SFf/ F
z ' 2 wCk w0 CC g C 1 RL 10
《建筑结构荷载规范》修订
顺风向响应的随机振动计算方法
连续体系的振动方程:
mx( z, t ) Cx( z, t ) EIx( z, t ) Rw( z, t )
新规范主要修改及比较
参数修改： 阵风因子g 由2.2修改为2.5 适当提高基本湍流度I10
粗糙度类别 A 原规范I10 新规范I10 0.088 0.12 B 0.114 0.14 C 0.167 0.23 D 0.278 0.39