高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用響應(yīng)問(wèn)題研究

范 佳

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用響應(yīng)問(wèn)題研究

范 佳

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市低層建筑已不能滿足人類的居住需求，高層建筑的出現(xiàn)應(yīng)用滿足了此方面的困難，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，高層建筑相比于低層建筑承受更大的風(fēng)荷載作用，而風(fēng)荷載的不確定性因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的繁瑣，同時(shí)基于低層建筑的荷載分析難以應(yīng)用于高層建筑，因此研究高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)是十分必要的?；诋?dāng)前結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的理論，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)下風(fēng)荷載的研究方法進(jìn)行了進(jìn)一步探討。

高層建筑，風(fēng)荷載，響應(yīng)

0 引言

新材料、新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用必然帶動(dòng)時(shí)代的發(fā)展，高層建筑大量涌現(xiàn)。建筑物的高度不斷攀升，創(chuàng)造一個(gè)又一個(gè)的奇跡，從最初的芝加哥保險(xiǎn)大樓(55 m)，到2016年的上海環(huán)球金融中心(632 m)，不斷刷新著最高建筑的記錄。風(fēng)荷載的作用對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)分析更加的復(fù)雜，甚至風(fēng)荷載在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到主要作用?？癸L(fēng)能力設(shè)計(jì)的缺陷使得高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，容易被破壞。

高層建筑在滿足人類居住需求的同時(shí)，有一定承受風(fēng)荷載的能力，防止因風(fēng)荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)大幅度的震動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。

1 國(guó)內(nèi)外高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用響應(yīng)研究

加拿大教授[1,2]在19世紀(jì)60年代便開始研究結(jié)構(gòu)的抖震理論，提出風(fēng)荷載的方向震動(dòng)響應(yīng)荷載因子法(主要是針對(duì)順風(fēng)向)，同時(shí)提出等效靜力風(fēng)荷載理論，給紊流風(fēng)荷載理論奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)后來(lái)的國(guó)外學(xué)者[3]根據(jù)加拿大教授的理論繼續(xù)研究，用數(shù)值分析的方法進(jìn)行了模擬研究，給出具體的計(jì)算公式計(jì)算風(fēng)荷載，不僅僅局限于順風(fēng)向的荷載研究，而且從不同的角度進(jìn)行理論分析研究，得出更加精準(zhǔn)和適用性寬廣的等效靜力風(fēng)荷載理論。

國(guó)內(nèi)的研究相比于國(guó)外將近推遲了一個(gè)世紀(jì)，而且第一次的提出是在1980年中國(guó)空氣動(dòng)力研究會(huì)工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)第一次會(huì)議，之后北京大學(xué)建成了直流式邊界層風(fēng)洞模擬，開啟了實(shí)驗(yàn)室模擬。之后一些學(xué)術(shù)論文相繼面世，最有名的是張相庭的抗風(fēng)計(jì)算手冊(cè)以及黃本才的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用。近年來(lái)，更多的學(xué)者開始關(guān)注這類型的研究，出現(xiàn)了更多的論文，以及更加精準(zhǔn)的理論數(shù)據(jù)，順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度計(jì)算等相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)國(guó)內(nèi)高校同濟(jì)、浙大等皆成立了相關(guān)的學(xué)術(shù)研究小組，對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)進(jìn)行研究，給出對(duì)應(yīng)于不同的風(fēng)向的計(jì)算公式以及計(jì)算方法，提出了更加簡(jiǎn)便的理論公式，而且適用范圍更加的廣闊。

2 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法

結(jié)構(gòu)風(fēng)工程在學(xué)者們不斷的努力下，形成了一套完整的理論，具體根據(jù)研究的方式不同，有以下三種情況：

1)模擬方法。

模擬方法是將實(shí)地的數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室或者是輸入計(jì)算機(jī)，得出風(fēng)荷載對(duì)于高層建筑的影響，在實(shí)際的研究中存在兩種方法，一種是數(shù)值模擬，一種是風(fēng)洞模擬。

a.數(shù)值模擬：數(shù)值模擬的出現(xiàn)是跟著計(jì)算的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的，主要是將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的分析，得出想要的結(jié)果。這種手段的計(jì)算基礎(chǔ)是計(jì)算流體力學(xué)，涉及到不同學(xué)科的內(nèi)容，包括有限元求解，數(shù)值分析以及計(jì)算機(jī)編程等內(nèi)容，計(jì)算方法一旦形成，應(yīng)用簡(jiǎn)單，不需要較多的人力。但同時(shí)也存在一定的缺陷，參數(shù)的精準(zhǔn)影響最后數(shù)據(jù)的可靠性，因此方法不能單一決定，需要依靠其他方法共同來(lái)確定。

b.風(fēng)洞模擬：這種模擬方法比較古老，是學(xué)者最初的模擬方法，主要是在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際的情況，將現(xiàn)場(chǎng)縮小到實(shí)驗(yàn)室可以承受的范圍內(nèi)，創(chuàng)造跟實(shí)際情況近乎一致的情況，當(dāng)發(fā)生同樣的風(fēng)荷載時(shí)，高層建筑可承受的能力，確定實(shí)際建筑的結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)[4]。動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)的得出在實(shí)驗(yàn)室有三種不同的方法，分別是利用多點(diǎn)瞬時(shí)脈動(dòng)測(cè)壓系統(tǒng)，測(cè)試脈動(dòng)壓力；一種是利用高頻底座天平技術(shù)，最后一種是采用氣動(dòng)彈性模擬實(shí)驗(yàn)直接獲取數(shù)據(jù)。

2)理論計(jì)算。

理論進(jìn)展一直是學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)，理論帶動(dòng)實(shí)際，理論研究方法主要有時(shí)域法和頻域法兩種。時(shí)域法是直接動(dòng)力法，通過(guò)直接輸入風(fēng)壓時(shí)程得出結(jié)構(gòu)的一系列參數(shù)，進(jìn)而得出想要的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。頻域法根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論，建立直接關(guān)系(主要是輸出結(jié)構(gòu)響應(yīng)和風(fēng)荷載頻譜特性之間的關(guān)系)，通過(guò)傅里葉變化轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓譜，一般過(guò)程為輸入，輸出，求解三步驟，輸入的數(shù)據(jù)主要是脈動(dòng)風(fēng)力譜密度，輸出響應(yīng)譜密度，最后求解響應(yīng)根方差。

3)實(shí)地考察。

實(shí)地考察主要是實(shí)驗(yàn)人員將相關(guān)的設(shè)備儀器帶入現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)風(fēng)速儀測(cè)定工地的風(fēng)速，加速度計(jì)測(cè)量風(fēng)荷載的加速度，風(fēng)壓測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試風(fēng)壓，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行收集歸納，獲取風(fēng)荷載振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。這種方法最具有效性，但是工作量較大，而且數(shù)據(jù)根據(jù)天氣[5]的不同會(huì)有出入，要想獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，加拿大教授曾經(jīng)的實(shí)測(cè)記錄高達(dá)70多次，最后得出了風(fēng)振響應(yīng)的測(cè)試記錄，彌補(bǔ)他理論的不足，同時(shí)校驗(yàn)其在實(shí)驗(yàn)室得出的理論是否可以滿足實(shí)際的需求。

3 高層結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究方法

近地面空氣流動(dòng)形成的風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的震動(dòng)響應(yīng)，這種活動(dòng)規(guī)律性不是很強(qiáng)，需要具體分析。高層建筑接受到風(fēng)荷載的震動(dòng)響應(yīng)[6]按照風(fēng)向的不同可以分為順風(fēng)向、逆風(fēng)向以及扭轉(zhuǎn)風(fēng)向三種。

其中第一種順風(fēng)向是研究的主要問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中起到主導(dǎo)作用，同時(shí)順風(fēng)向的風(fēng)還可以進(jìn)行具體劃分，分為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，皆屬于近地風(fēng)，平均風(fēng)的周期10 min以上，超過(guò)了結(jié)構(gòu)的自振周期[7]，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜力荷載，隨著高層建筑的高度方向進(jìn)行變化，會(huì)引起結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和靜內(nèi)力。而脈動(dòng)風(fēng)相比于平均風(fēng)，屬于動(dòng)力性風(fēng)，其周期跟結(jié)構(gòu)的自振周期相近，重要的參數(shù)是加速度、位移以及振動(dòng)內(nèi)力。橫向風(fēng)的機(jī)理比順風(fēng)向更加復(fù)雜，目前常應(yīng)用研究橫向風(fēng)的理論[8]有抖振、顫振、弛振以及渦激振動(dòng)，這種風(fēng)向主要來(lái)源于氣動(dòng)反饋、尾流激勵(lì)和來(lái)流湍流。而扭轉(zhuǎn)風(fēng)向產(chǎn)生的風(fēng)荷載由于不對(duì)稱導(dǎo)致此類的研究目前較少。

4 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)荷載的復(fù)雜性在高層建筑中尤為突出，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的工作量，同時(shí)也增加了挑戰(zhàn)性，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中要結(jié)合相關(guān)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，以及各種理論依據(jù)同時(shí)應(yīng)用，才能保證高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性以及使用舒適性。

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Researchonresponseoftallbuildingstructureunderwindload

FanJia

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

With the rapid development of social economy, city low buildings cannot meet the human living needs, the emergence of the high-rise building to meet the application difficulties in structural design of high-rise building. Compared to the low rise buildings, wind load is larger. The uncertain factors lead to structural design at the same time complicated and load analysis of low rise buildings is difficult to be applied to high-rise buildings. So the research of high-rise building structure in response to wind load is very necessary. Based on the current wind engineering theory, the research methods of wind load on high-rise buildings are further discussed.

high-rise buildings, wind load, response

1009-6825(2017)32-0033-02

2017-09-07

范 佳(1985- )，男，工程師

TU311

A