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1、现代建筑结构设计原理作业高层建筑风荷载摘要：文章主要介绍了风荷载对高层建筑的作用，关于风荷载研究的一些方法，并用我做过的北京中铁物流大厦的风洞试验为例说明风洞实验的研究方法。阐述了一些结构等效静力风荷载的计算方法以及抗风设计中应值得继续研究的问题。关键字：高层建筑，抗风，风洞试验，等效静力风荷载，问题1.引言风是从高气压吹向低气压的一种气流。高层建筑是在特殊地区和时间下,为了满足社会和经济的需求而建造的,其独特性和各自特异的风格,增加了城市景观,吸引了大量的旅游观光者。而更具有实用意义的是满足了城市日益增长的工作、生活空间的需求。但任何建筑高度的增加必将会增加风荷载的力度。风荷载是各类建筑物的
2、主要侧向荷载之一, 对于高、大、细、长等柔性结构而言, 风荷载是起主要作用的, 且时常超过地震作用而成为决定性荷载, 复杂的动力风效应影响是结构设计的控制因素之一。灾害性台风可能导致结构主体开裂或损坏;长时间持续的风致振动则可能使结构某些部位如节点、支座等产生疲劳与损伤, 危及结构安全。随着新技术、新材料、新工艺、新型式、新设计方法的应用, 工程结构也朝着长大化、高耸化、复杂化、柔性化、小阻尼方向发展, 这使得其固有频率越来越接近强风的卓越频率, 对风的敏感性越来越强。因此重大的高耸柔性结构在风荷载作用下的动力效应特性研究也受到学术界和工程界的极大关注和重视。2.风荷载的分类风对高层建筑是一种
3、持续时间较长的随机荷载。风对结构物的作用，使结构产生震动，其原因主要有：（1）有与风向一致的风力作用，它包括平均风和脉动风，其中脉动风要引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一般工程结构中都要考虑；（2）结构物背后的漩涡引起结构物的横风向的振动；（3）由别的建筑物尾流中的气流引起的振动。2.1 顺风向荷载建筑结构荷载规范（GB50009-2012）明确给出了高层建筑顺风向等效荷载的计算方法，著名学者A.G.Davenport在60 年代建立了基于抖振理论的结构顺风向风荷载计算模型，成为风工程研究及各国制定风荷载规范的基础。由于对等效静力风荷载认识的差别，该计算模型在实际应用中又发展成阵风荷载
4、因子(GLF)法、惯性风荷载(IWL)法、基底弯矩阵风荷载因子法(MGLF)等。GLF 法由Davenport于60 年代提出，现已成为公认的经典方法。该法认为背景和共振分量与平均分量服从同一分布，且与响应类型无关。IWL 法采用惯性力模型来计算背景和共振分量，我国规范采用这一方法。MGLF 法认为基底弯矩对应的背景等效风荷载可以近似作为实际的背景等效风荷载，根据脉动基底弯矩并按振型分解则可得到共振等效风荷载。随着城市空间的日益紧凑，高层建筑之间的距离越来越小，因此相邻建筑之间顺向风的干扰越来越明显。2.2横风向荷载当高层建筑的高宽比大于4 时，横向风动力响应的干扰效应要远远大于顺向风荷载。但
5、同时结构横向风响应的激励机制比较复杂，通常包括三种类型：与漩涡脱落有关的横向风激励、来流湍流引起的激励和结构横向风运动导致的激励，而有认为横向风激励由顺向风风湍流、横向风湍流和尾流激励产生，但是前两者的贡献很小，尾流激励是横风力的主要原因。2.3 扭转风荷载高层建筑扭转风振会增大截面边界附近的位移与加速度，对于高宽比大于3 的高层建筑物，尤其当迎风面较大，建筑物型状不规则时，扭转风荷载响应可成为建筑物边界点响应中的主要因素；又由于高层建筑中的居住者对建筑物的扭动比平动更为敏感,因此在高层建筑的设计中必须考虑到扭转风向动力风荷载的响应问题.我国对这方面内容的研究还比较少。扭转动力风荷载的机理非常
6、复杂，Isyumov通过风洞试验研究不同长宽比的矩形建筑物在不同攻角下各个面动扭矩形成机制及其对全部动扭矩的贡献。Solan 从理论上建立了动力扭矩的解析模型，认为扭转动力风荷载可视为顺风向风紊流、横风向风紊流和尾流激励三种机制分别作用的叠加，而不考虑三者之间的相关性。显然，风紊流（包括顺风向和横风向的风紊流）和尾流激励（包括旋涡脱落和再附）是形成动扭矩的两种主要机制。3.结构在风荷载下的破坏形式(1)高层建筑在风荷载下的破坏形式1) 主体结构开裂或损坏, 如位移过大引起框架、剪力墙、承重墙裂缝或结构主筋屈服;2) 层间位移引起非承重隔墙开裂;3) 局部风压过大引起玻璃、装饰物、围护结构破坏;
7、4) 建筑物的频繁、大幅度摆动使居住者感到不适;5) 长期的风致振动引起结构疲劳, 导致破坏。(2) 高耸结构在风荷载下的破坏形式1) 频繁的大幅度摆动使结构不能正常工作;2) 结构横截面或构件内力达到极限, 发生屈服、断裂、失稳甚至倒塌;3) 结构长时间的风致振动造成材料的疲劳累积损伤, 引起结构的破坏。4.风荷载测试技术(1)风洞试验风洞试验是开展风振研究与抗风设计的重要基础。风与结构相互作用十分复杂, 在理论上还不能建立完善的数学模型来描述实际风工程问题; 在现行的建筑结构荷载规范中没有明确直观的方法确定一些复杂结构的风荷载。风洞实验数据是研究风振机理、建立复杂计算模型、验证计算方法的依
8、据。Davenport 抖振理论、Scanlan颤振理论等, 都是基于风洞试验成果而得以形成、发展。(2) 现场实测现场实测是指观测实际建筑物表面的风压分布, 测量结构各个部分的位移、变形等。通过现场实测, 可获得详细全面、可信度较高的数据资料, 加深对结构抗风性能的认识, 为制定建筑荷载规范提供依据。此外, 现场实测能够及时发现问题, 以便采取相应的处理措施。目前各种风速谱都是基于大量详实的观测资料,如Davenport 谱是在不同地点、不同条件下测得的90 多次强风记录的基础上归纳出来的, 大多数国家建筑荷载规范都采用此水平风速谱公式。由于现场实测受到一些条件的限制 , 通常只对重大科研项
9、目开展现场测试。(3)CFD数值模拟计算流体力学（computational fluid dynamic或简称CFD）是流体力学的一个分支。计算风工程（computational wind engineering或简称CWE）是计算流体力学在风工程中的发展和应用。风工程研究的流体一般为低速流动，满足流体力学中不可压缩流动的假设，因此，计算风工程的任务是，用计算机和数值方法求解满足定解条件的描述不可压缩流动现象的流体动力学方程组，或其各种简化方程组来研究风工程的问题。由于风工程研究对象位于大气边界层中，而且研究的重点是钝体绕流，因此，流动一般为湍流，这就给计算风工程增加了困难。尽管如此，近年来由
10、于计算流体力学的发展和计算机技术的进步，使计算风工程在建筑、桥梁、车辆和能源等工程领域中得到了很快的发展，并逐步进入了实用的阶段。计算风工程是数值模拟，与理论分析相比，它给出的是流动区域内的离散解，而不是解析解，因此，它可以求解复杂的流动，但是必须与物理分析相结合，才能揭示流动的机理和特征。数值模拟与物理模拟（主要是风洞试验）相比，它具有费用低、周期短、便于模拟真实环境、描述流场细节和给出流场定量结果的优点，但是由于目前工程上还不能通过直接数值模拟研究复杂的湍流流动，因此，如何根据不同的研究对象选择湍流模型是一个难题。另外，由于在求解复杂的多维非线性偏微分方程组时，还缺乏严格的稳定性分析、误差
11、估计、收敛性和惟一性理论。因此，数值模拟要与理论分析和物理模拟相互结合、相互补充，才能共同促进风工程的发展。5.北京中铁物流大厦风洞试验5.1实验概况中国铁物大厦位于北京丰台区的丽泽金融区D03和D04地块，系三个新兴金融功能区之一。中国铁物大厦总用地面积为2.11万，总建筑面积21.85万，地上建筑面积15.5万，地下建筑面积6.35万。中国铁物大厦由两栋高层建筑、会议中心部分、和公共空间部分组成，其中A座45层，高度为200米，B座为32层，高度为150米。裙楼部分最高为地上4层，屋顶最高为30米。通过本项目的风洞试验研究，为中国铁物大厦设计提供可靠的风荷载设计参数，必要时提出改善抗风性能
12、的建议，从而确保该大厦的抗风安全。对建筑物表面测压试验：目的是获得到结构外表面压力分布和压力时程。 5.2基本风度及基本风压 根据建筑结构荷载规范GB 50009-2012，查“全国基本风压分布图”，当重现期为100年时，北京市地区风压为0.5kN/m2。由此推算得到基本风速U10=28.6m/s。5.3模型设计及制作鉴于试验既要模拟2栋塔楼，又要模拟底部裙楼，综合考虑需要模拟的结构几何尺寸和风洞试验段尺寸，模型的几何缩尺比暂按1:100考虑。模型在风洞中的阻塞比小于3%，满足风洞试验要求。模型根据设计院提供的建筑设计图纸，按几何外形相似要求制作。测压模型采用有机玻璃及复合材料等制成，模型图片
13、见图1。图1安装在风洞内的中国铁物大厦测压模型实验在西南交通大学风工程试验研究中心XNJD-3工业风洞中进行，采用美国Scanvalve电子扫描阀(型号：DSM3400)测风压力。5.4大气边界层的模拟大气边界层是指地球表面之上几百米到一千米的大气层，这个范围内的风特性对建筑物风效应的影响较为显著，因而在风洞试验中需要对其主要特性予以模拟。大气边界层内空气流动的特性受很多因素影响，如地表粗糙度、地形地物等。其主要特性表现为平均风速和紊流度沿高度的分布。建筑结构荷载规范中用指数a作为区分不同地表的指标。针对该结构所处的位置，其边界层应属B类地区，即a=0.16的流场。大气边界层模拟装置由档板、尖
14、塔、粗糙元组成。在测压模型风洞试验中，最重要的是模拟平均风速剖面，其次是模拟风的紊流强度和积分尺度等。在大气边界层内，平均风速剖面符合如下的指数分布律： 式中：为任一高度处的风速；为边界层顶部风速，为离地高度；为边界层高度；为风速剖面指数。紊流强度定义为，其中为脉动风速的均方根值；为平均风速。紊流强度随着粗糙度尺度的增加而增加，在近地面达到最大值，向上逐渐衰减。流场校测试验结果表明，大气边界层风速剖面指数为0.162，与目标值十分吻合，见图2。大气边界层底部紊流度为16%，稍高于目标值，但仍符合测压试验要求，见图3。图4.1 平均风速剖面，=0.162图3湍流度剖面5.5实验安排试验的重点是测
15、量中国铁物大厦两栋塔楼外表面以及裙楼外表面的风压系数。400个测点布置在主楼外表面，320个测点布置在副楼外表面，82个测点布置在裙楼外表面。由于实验室每次最多测量420个点，实验进行两次，第一次只测量主楼，第二次测量副楼和裙楼。5.6实验工况试验时，对每个测点，采样时间为60秒，采样频率为200Hz。所有压力测点的脉动压力时程均同步获得。试试验风向按36个罗盘方向设置，定义 = 0，模型按图5.3的方向摆放，每间隔10设置一个试验风向。试验参考点(取模型大约2/3高度：167cm)风速为10m/s, 每风向重复测量2次。5.7试验数据处理方法将风洞试验中所获得的各测压点的压力值由计算机进行处
16、理，获得各测压点的风压系数，计算公式如下： 风压系数 式中，VH为模型前方来流未扰动区、相当于站房/雨棚顶端高度处的平均风速，为该高度处参考静压，为模型各测压点处的压力，为空气密度。根据上述公式可得模型表面每个测压点的平均风压系数。由于风压系数为无量纲系数，故可将其直接用于计算结构表面的风压。由于测点多，数据量大，风压系数不便于设计人员应用。为了给设计提供简单实用的数据，需要进行体型系数的计算。根据风压系数，按下式计算可得到建筑物表面各区域的体型系数 式中：为各测压点所覆盖面积，为各测压点所属面积的总和， 为各测压点的风压系数。需要指出的是：风压系数的负值代表吸力，正值代表压力。列出最后计算得
17、到的主楼的0度风向角时各面的风压等值线图，见图4.0.30.50.50.50.70.70.9 -0.65-0.6 -0.65-0.55-0.55-0.45 -0.55图4 主楼个表面风压等值线图96.等效静力风荷载计算等效静力风荷载是一种静力荷载，但可以产生动力荷载作用下结构的最大响应，下面介绍一些计算等效静力风荷载的方法，由于方便，在结构设计过程中得到普遍应用。对等效静力风荷载的研究始于高层建筑。Davenport 引入“阵风荷载因子”( Gust Loading Factor) 来考虑脉动风荷载对结构响应的放大 , 这种简单可行的方法得到发展并运用到实际工程中, 成为风荷载规范中计算风振响
18、应的主要依据。目前, 在大跨度屋盖结构等效静力风荷载的研究中也多采用阵风荷载因子法。Marukawa 等针对来流紊流度、屋盖的几何特性和梁的结构特性为阵风荷载因子提供了经验公式 。Ueda 等采用同步测压技术研究了梁柱框架结构平屋盖的风振响应, 特别研究了来流紊流对风荷载的影响。Uematsu 等( 1996 2001) 采用模态力法对封闭平坦矩形屋盖、圆形平屋盖、穹顶屋盖的风振响应进行研究, 提出的阵风荷载因子计算公式考虑了紊流度、结构跨高比、结构形式等因素。沈世钊等对于中小跨度悬索结构的风振响应进行了研究, 归纳了对于特定索网结构的位移和内力的阵风荷载因子。近期的研究表明,阵风荷载因子法在
19、理论和应用方面均存在不足, Kasperski提出了用LRC 法，澳大利亚的Holmes提出了采用LRC 法和共振等效惯性力相结合来描述高层建筑的等效静力风荷载。Holmes 也采用同样的方法来表示大跨度屋盖结构的等效静力风荷载，并继而给出了由平均风荷载、背景等效风荷载以及多阶共振响应分量产生的惯性风荷载组合而成的等效静力风荷载的计算方法, 但这一方法没有考虑多阶模态之间的耦合效应对共振响应的影响。这是一明显缺陷。如果能在此基础上进一步考虑共振分量的模态耦合效应( 也即建立一种修正的Holmes 方法) 无疑具有重要的实践意义。这种方法又被称为背景分量与共振分量组合法。其中背景分量是静力脉动风
20、的响应分量，是脉动风的静力作用；共振分量是由于结构和脉动风荷载共振作用产生的响应分量，是脉动风的动力作用。6.1 LRC法Kasperski( 1992) 年提出了荷载-响应相关法, 即LRC法。LRC 法利用准静力的方法计算背景响应,考虑荷载与响应之间的相关性能得到背景等效风荷载的分布形式。LRC 法给出的背景等效风荷载为其中, 表示背景响应的峰值因子; 为脉动荷载的标准差; 为脉动荷载p ( z , t ) 和z 1 处的背景响应之间的相关系数( z 及z 1 表示结构上的不同位置) , 其表达式为式中,为对应于响应r 的影响线; 为背景响应标准差。6.2 背景分量与共振分量的组合法背景分
21、量与共振分量的组合法用来表达平均风、背景与共振风响应对应的静力等效风荷载。上面已经讨论了用LRC法表达平均风和背景响应对应的静力等效风荷载，而背景分量与共振分量的组合法是结合LRC法一起考虑共振分量对应的等效风荷载。澳大利亚Holmes提出了采用LRC法与等效风振惯性力相结合的方法来表示平均风响应、背景和共振响应对应的静力等效风荷载，给出了平均风荷载、背景风荷载和代表多阶共振分量的惯性风荷载一起组合的静力等效风荷载。相应的等效静力风荷载为：式中，、分别为平均风荷载、背景等效风荷载和第j阶振型对应的等效惯性风荷载， 、分别为背景风荷载和第j振型惯性风荷载的权系数。从Davenport首先建立顺风
22、向响应和等效风荷载的计算方法以来，在过去的几十年中，一直认为顺风向的风荷载占主要地位，是大部分结构的控制荷载，世界各个国家的规范也主要规定顺风向静动力风荷载的计算方法，该方法对结构风工程及其应用起到了非常重要的作用。但对高柔的竖向悬臂结构，例如200300m以上的高层建筑等，除顺风向的静动力风荷载作用外，横风向的动力风荷载作用增大，不能不略，如果结构外形复杂且周围环境干扰明显，其扭转动力风荷载也需要同时考虑。因而对于高耸结构这种方法更具合理性。7.若干值得进一步研究问题高层建筑的抗风研究,已有很多年的历史。虽然已经取得了不小进展,但总的来说它还是一门不够成熟的新兴学科,还有很多重要问题有待进一
23、步研究解决。1) 结构非线性风振理论的进一步研究。基于线性叠加的频域分析方法及结构变形后状态的风振理论用于计算大跨高耸柔性结构将会产生很大误差, 需要进一步发展考虑各种非线性因素的时域风振理论, 直接来分析风振响应的时程。2) 群体结构相互干扰的风振理论研究。建筑群体结构干扰问题, 过去主要从静力风载角度考虑。随着大城市建筑物的高耸柔性化和密集化, 群体间复杂的动力风载效应可能成为结构控制设计的重要因素。3) 计算风工程( 数值风洞) 。数值风洞模型基于虚拟现实( VR) 技术, 集流体动力学计算、可视化及三维交互功能为一体。随着计算机硬件的迅猛发展和计算流体力学、计算结构力学等学科的深入研究
24、, 很多学者特别是流体力学学者致力于计算机风洞仿真研究, 以期更精确地描述风与结构的相互作用。4) 基于结构抗风可靠性分析的优化技术与实用方法研究。5) 结构风振机理与响应计算方法的研究。如高耸结构的二维风荷载模型与二维或三维风振响应计算方法的研究。参考文献：1 毛风华，张喆，武可娟，高层建筑抗风综述，20092 顾明，高层建筑抗风研究的理论和应用，20023 甘凤林, 潘兹勇，高层建筑和高耸结构的抗风设计探讨，20074 顾明, 周毅，大跨度屋盖结构等效静力风荷载方法及应用，20075 黄本才，汪从军，结构抗风分析原理及应用第二版，同济大学出版社，20086 建筑结构荷载规范，GB5009-2012