超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究

190. 24 10
)
0.
44
CPi
(
t)
(2)
高层建筑的计算采用简化层模型 , 作用于该建
筑上的风荷载以集中力的形式作用于各结构层上 ,
并且与结构层的自由度相对应 , 将沿建筑周向分布
的风荷载合成为水平方向的合力 Fx 、Fy 。结构第 j 测点层的水平力 F jx 、Fjy 分别为
n
∑ Fjx =
用在结构层上 ,因此需要把风洞试验得到的 12 个测
点层的数据插值到 42 个结构层上 。得到每层的风
荷载时程 Fjx 、Fjy 后 ,通过傅里叶变换求得每层风荷 载的自功率荷载谱密度和互功率谱密度 , 以此作为
高层结构风振响应随机振动求解的荷载输入项 。
3 计算结果与分析
3. 1 位移响应 由于周围建筑物的干扰作用明显 ,较难区分来
Pri ( t) co s αi ·L i
i =1
(3)
n
∑ Fjy =
Pri ( t) sin αi ·L i
i =1
式中 :αi 为测点 i 法线方向与 x 方向的夹角 ; L i 为
测点 i 控制的水平长度 ; n 为第 j 测点层总测点数 。
根据式 (3) 可以获得各测点层的风压合力 Fx 、 Fy 的时程 。SA TWE 模型中总共有 42 个结构层 。 风致动力响应计算中所需要的风压合力必须直接作
第 1 期 王松帆 ,等 :超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究
103
风振系数来表征高层建筑顺风向的动力风效应 ,其 计算公式基于规则结构 (如质量 、外形沿高度不变或 均匀变化) 提出 ,并仅考虑结构的 1 阶振型 ,不考虑 高阶振型的贡献 、扭转及横风效应 。由于目前实际 超高层建筑往往具有体型复杂 、周围建筑密集 、气动 力干扰明显等特征 ,仅按规范公式计算的风振系数 来考虑动力风效应 ,得到的结果不尽合理 。顺风向 湍流 、横风向湍流和旋涡脱落激励是构成动力风荷 载的主要激励机制[2] ,通过风洞试验和结构动力分 析合理地确定等效风荷载及结构动力响应 ,对于保 证设计合理和使用舒适性是非常必要的 。
4 0. 605 8
5 0. 747 4
6 0. 852 8
7 1. 132 0
8 1. 445 0
阶 次 自振频率/ Hz
9 1. 607 0
10 1. 793 0
11 1. 873 0
12 2. 002 0
wk.baidu.com
13 2. 051 0
14 2. 280 0
15 2. 519 0
16 2. 559 0
104
建筑科学与工程学报 2010 年
表 1 结构前 16 阶自振频率
Tab. 1 The First 162order Natural Frequencies of Structures
阶 次 自振频率/ Hz
1 0. 194 9
2 0. 198 3
3 0. 245 0
图 4 顶点位移峰值随风向角的变化 Fig. 4 Changes of Top Displacement Peak Values with
流的顺风向与横风向 ,因此该建筑并不按照顺风向 和横风向来划分结构的振动形式 ,主要给出了结构 x 方向和 y 方向的风致振动结果 。
50 年一遇风荷载作用下 ,结构顶点位移峰值随 风向角的变化如图 4 所示 。从图 4 可见 : x 方向顶 点位移峰值为 0. 171 6 m ,发生在 15°风向角下 ; y 方 向顶点位移峰值为 0. 082 4 m ,发生在 330°风向角下 。
0 引 言
一 。位于台风多发地区的超高层建筑的风致振动已 成为其结构设计需要考虑的首要因素 。中国现行
风荷载是超高层建筑结构的主要水平荷载之 《建筑结构荷载规范》( GB 50009 —2001) [1] 中采用
收稿日期 :2009209213 作者简介 :王松帆 (19692) ,男 ,江西黎川人 ,高级工程师 ,工学硕士 , E2mail :wangsfan @126. com 。
第 27 卷 第 1 期 2010 年 3 月
建筑科学与工程学报 Journal of Architect ure and Civil Engineering
Vol . 27 No . 1 Mar. 2010
文章编号 :167322049 (2010) 0120102206
超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究
王松帆 ,汤 华
(广州市设计院 ,广东 广州 510620)
摘要 :为避免中国现行《建筑结构荷载规范》( GB 50009 —2001) 中所采用的风振系数仅考虑结构的 1 阶振型 ,而不考虑周围环境影响对体型不规则超高层建筑结构抗风设计造成的不合理性 ,采用风 洞试验与风振动力响应计算分析相结合的方法 ,考虑结构不规则的影响以及相邻建筑的气动干扰 和横风效应来获得超高层建筑结构抗风设计所需的顺风向和横风向的等效静风荷载和风致动力响 应 。结果表明 :由于周围建筑的干扰 ,顺风向 、横风向的风荷载规律与一般超高层建筑不同 ,其不利 角度也与规范存在差异 ;所得结论为超高层建筑结构的抗风设计提供了依据和参考 。 关键词 :超高层建筑 ;风振响应 ;风洞试验 ;等效风荷载 ;抗风设计 中图分类号 : TU312. 1 文献标志码 :A
荷载均匀作用在每层上 。根据空气动力学原理 , 结 构各测压点上的净风压系数 CPi ( t) 为
结构特征的湍流特性 ,以及周围环境对建筑结构的 干扰作用 ,因而更为精确 。
CPi ( t) = Pui ( t) / ( P0 - P ∞)
(1)
式中 : Pui ( t) 为作用在测点 i 处的净风压 ; P0 、P∞分
Abstract : The wind vibratio n facto r in current L oa d Code f or Desi g n of B ui l di n g S t ruct u res ( GB 50009 —2001) in China was advanced o nly co nsidering t he first vibratio n shape of t he st ruct ure , but for super high2rise building st ruct ures wit h co mplex shape , t he above calculatio n met hod was inco mpletely reaso nable. Co nsidering t he influence of irregular st ruct ure , aerodynamic interference of adjacent buildings and cro ss2wind effect , aut hors o btained t he alo ng2wind and cro ss2wind equivalent static wind loads and wind2induced dynamic respo nse needed fo r wind resistant design of super high2rise building st ruct ures by using t he met hod of co mbining wind t unnel test wit h wind vibratio n respo nse calculatio n , and achieved good effect s in p roject p ractices. The result s show t hat because of interference of surro unding buildings , alo ng2wind and cro ss2wind equivalent static wind loads differ f ro m normal super high2rise buildings and t he disadvantageo us wind directio ns are inco nsistent f ro m t ho se shown in code. The co nclusio ns al so p rovide evidence and reference fo r wind resistant design of super high2rise building st ruct ures. Key words : super high2rise building ; wind vibratio n respo nse ; wind t unnel test ; equivalent static wind load ; wind resistant design
别为试验时参考高度处的总压和静压 ; t 为时间 。
参考点高度 (相当于实际高度) 为 190. 24 m , C
类地貌 , 基 本 风 压 取 0. 5 k Pa , 由 此 得 到 各 点 的
CPi ( t) 时程曲线 ,实际建筑中与测点 i 相对应的风压 Pri为
Pri ( t)
=
0.
308
×(
1 阶振型主要表现为 x 方向的平动 , 第 2 阶振型主 要表现为 y 方向的平动 。
考虑到中国规范规定的很多结构控制要求 ,特 别是对于结构楼层位移 、层间相对位移与层高比值 和结构加速度的控制值都是基于楼板平面内无限刚 度假设制定的 ,因此采用简化层模型来计算该结构 的风振响应 ,可得到各个风向角下各楼层的位移 、加 速度的动力响应结果 。 2. 2 荷载施加方式 本次计算的结构动力风荷载取自风洞试验 ,风
Research on Wind Vibration Response and Equivalent Static Wind Loads of Super High2rise Buildings
WAN G So ng2fan , TAN G Hua
( Guangzho u Design Instit ute , Guangzho u 510620 , Guangdo ng , China)
2 等效静风荷载和风振响应计算
2. 1 结构模型 建筑平面为 74 m ×40. 5 m 的近椭圆形 ,结构
采用钢筋混凝土框架2核心筒结构体系 ,风荷载计算 取阻尼比为 0. 05 。结构抗风设计分别采用 50 年一 遇基 本 风 压 0. 5 k Pa 和 100 年 一 遇 基 本 风 压 0. 6 k Pa ,建筑所在地接近于 C 类地貌 。结构舒适 度计算采用 10 年一遇基本风压 0. 3 k Pa ,阻尼比取 0. 02 。结构的前 16 阶振型自振频率见表 1 ,结构第
中国规范对于造型独特且有相邻建筑干扰的高 层建筑风荷载缺乏体型系数和干扰因子的规定 ,因 此为了得到合理的风致效应 ,确定等效静风荷载用 于主体结构抗风设计 ,同时也为了考察动力风荷载 作用下的人体舒适度 ,有必要对此类超高层建筑进 行风压测定的风洞试验和结构风致动力效应分析 。
1 风洞试验
广州珠江新城 B127 地块项目的建筑物总高度 为 190. 24 m ,标准层平面为椭圆形 ,如图 1 所示 ,该 建筑物结构对风荷载的作用较为敏感 ,同时该建筑 物还受到周围多栋建筑的气动干扰 。其风洞试验模 型用工程塑料制成 ,比例为 1 ∶300 ,根据该建筑外 形特征 ,在四周立面布置有代表性的测压点测试风 压分布 ,典型测点布置和测试风向角如图 2 所示 ,整 栋建筑共布置测点 345 个 。试验在广东省建筑科学 研究院 C GB21 建筑风洞的大试验段进行 ,试验考虑 了周边半径 500 m 范围的建筑 ,同时考虑了 24 个不 同风向角的影响 ,风洞试验模型如图 3 所示 。试验 风向角在 0°～360°之间 ,每间隔 15°共 24 个风向角 下进 行 。计 算 试 验 风 压 时 以 建 筑 物 顶 部 高 度 190. 24 m为参考高度 。本文中定义的 x 方向与椭 圆形的短轴方向一致 , y 方向和椭圆形的长轴方向 一致 。