应用高层建筑结构在风荷载作用下的振动分析1Word文档下载推荐.docx
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中图分类号
TU312.1
0 引言
高层建筑上作用的水平荷载包括风荷载和水平地震作用。
风的作用是不规则的
风压随着风速、风向的紊乱变化而不断的
变化。
风荷载是随时间波动的动力荷载
。
对高层建筑而言,动力荷载
是引起结构毁灭性破坏的主要原因,因此,在高层建筑结构设计
和安全性评价时,进行结构的动力反应分析是非常必要的。
为简
对高度大且较柔的高层
建筑
必须考虑其动力效应影响
[1]
化起见
某些结构设计规范或结构动力反应分析中的抗风分析采
用一些拟静力计算方法
[2],如风压采用等效静力形式
但仍必须
进行结构的动力分析。
对于高层和超高层建筑的风振动力反应主要有以下
3方面
的考虑
1）由风振产生的惯性力在结构中引起附加应力
;
2）建筑结构振动加速度会使生活和工作在其中的人产生不
舒适感
[3];
3）由于风振反应发生的频度较高
有可能使结构产生疲劳效
应[2]。
文中通过介绍我国高层建筑结构风荷载设计方法、风荷载的
作用形式及由风荷载引起的结构振动
详细论述了结构在顺风
向、横风向脉动风荷载作用下和二者共同作用下产生的扭转作用
的处理过程和引起结构振动反应分析的最新研究。
1 风荷载在高层建筑结构上的作用
通常把风速的平均值看成稳定风速或
平均风速
使建筑物产生静侧移
实际风速在平均值附近波动
风
压也在平均风压附近波动
称为波动风压
因此实际上建筑物在
平均侧移附近摇摆
见图
1[1]。
来风在建筑物周围形成湍流风场
引起建筑物一定幅度平面
内弯曲振动的同时也产生其他形式的振动
2[4]。
在来风的风压脉动等因素的影响下
高层建筑结构会诱发风
收稿日期
2008203203
文献标识码
A
2 高层建筑结构风荷载的确定方法
我国《建筑结构荷载规范》规定
对多数高层建筑按垂直作用
于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值确定风荷载。
《混凝土
高规》规定有下列情况之一的建筑物
宜按风洞试验确定风荷载
[1]:
1）高度大于
200m,且平面形状不规则、立面形状复杂
或立
面开洞、连体建筑等
2）规范或规程中没有给出风荷载体型系数的建筑物
3）周围地形和环境复杂
邻近有高层建筑时
宜考虑相互干
扰的群体效应
可将单个建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系
数
缺乏该系数时宜通过风洞试验得出。
3 高层建筑结构风振反应计算
作用在高层建筑与高耸结构上的脉动风荷载分为横向与顺
向两种类型
分别由横风力和顺风力引起
在风振反应分析中采
用的方法不同。
目前国内外对高层建筑结构风振问题的简化方法基本上是
一致的
都是将高层与超高层建筑简化为等效悬臂梁
采用广义
坐标法解决这一问题。
1）横风向脉动风荷载作用的计算。
横风向脉动风荷载是一种动力荷载
由于空气的粘性和流
速
在结构的尾部会产生流体旋涡脱落。
它的产生与结构的截面
形状和雷诺数有关
[5]。
不同的雷诺数范围
会出现不同形式的流
体旋涡脱落和结构的风致振动。
一般认为由横风向脉动风荷载引
起的横风向振动有涡激振动、涡激随机振动、湍流、驰振、颤振、抖
振等几种形式。
在高层建筑结构中
主要出现前三种形式的振动。
对于横风向荷载
我国的设计规范只对烟囱、电视塔等高柔
构筑物有相应的规定
而对高层建筑结构还没有考虑其影响
但
是相关的研究已经受到重视。
目前解决的方法一般是采用风洞
作者简介
秦 力
（19702）,男
博士
副教授
东北电力大学建筑工程学院
吉林吉林
132012
张学礼
（19812）,男
东北电力大学建筑工程学院硕士研究生
吉林吉林
徐德永
（19722）,男
工程师
大连圣北房地产有限公司
辽宁大连
116024
24期
2008年
8月 秦 力等
高层建筑结构在风荷载作用下的振动分析·
87·
试验与原型观测
风洞试验主要采用高频测力天平、气动弹性模力风荷载和风振反应求解方法。
最新研究得到的横向脉动风压
型和刚性模型多点测压风洞试验来分析、建立高层建筑横风向动互谱密度函数如下
22
2πqHC′LB2H2FL（ω）coh（r,ω）
Zi
H
2α
HZj
2α
S（2+3）p′
j（xi,xj,zi,zj,ω）=
ip′
Z1
Z2
ωΦ1（Z1）Φ2（Z2）
coh（r,ω）dx1dx2dz1dz2
∫（H）∫（H）∫（D）∫（D）
H
0000
其中
各参数含义详见文献
2）顺风向脉动风荷载作用的计算。
根据脉动风压与脉动风速之间的关系
距地面
z高度处顺风
向点脉动风压互谱密度函数的计算公式如下
Sp（n,z）=ρ2μ2
sU2（z）Sv（n,z）。
其中
3）二者联合作用下的扭转振动计算。
由于作用在建筑物外表面上的风荷载不是同步达到最大或
最小值
所以其合力存在着偏心矩。
因此从理论上说单一的顺风
向脉动风压或横风向脉动风压都会引起结构的扭转振动
根据结构动力学理论,并采用振型分解法,同时利用主振型
的正交性进行处理后得到扭转振动方程如下式,式中各参数含义
详见文献[4]。
此式是不考虑建筑物的质心、
二者联
合作用产生扭转振动更是理所当然。
a.高层建筑扭转振动运动方程。
刚心、几何形心偏心
及平扭耦合振动的影响
而只考虑脉动风压对结构风振扭转的影
响
且将悬臂梁看成是均匀截面。
η¨
j（t）+2ξηj（t）+w2ηjj（t）=Mj。
j
.
b.脉动风压扭转力矩。
如图
4所示
矩形建筑的迎风面宽度是
B,顺风向的深度是
D。
在如图
4所示的坐标系下
力对转动中心
（轴）的合力矩为
M0（t）dz=x,y,z,t）rLdldz
∮p′（
=（y-）p′
1（0,y,z,t）dydz+∫（x
∫（B）B
20
D
0
D
DD
）p′
2（x,0,z,t）dxdz+∫（x-）p′
3（x,B,
202
B
z,t）dxdz+∫（y-
B）p′
4（D,y,z,t）dydz。
02
4 算例分析
某高层钢结构办公楼
高度
68m,宽度
48m,长度
35.7m,单
位容积重
0.18t/m3,单位长度质量
308.45t/m,自振频率
0.604Hz,阻尼比
0.0074,地面粗糙度指数
（B类）0.16。
为了便于分析比较
设该建筑物基阶振型近似按直线分布
并取
10m高处的来风速度
用
Newmark法计算建筑物的扭转风
振反应时程。
计算结果见表
1。
表
1 建筑物顶部扭转风振动力反应均方根值
风速
U10
m/s
位移
×
106
rad
速度
rad/s
加速度
rad/s2
103.266.5924.85
2020.1555.57207.8
3061.85198.7744.6
40141.84851820
50271.9958.63601
6046316616243
5 结语
1）风对高层建筑结构的作用形式复杂多变
且极其不规则。
目前
风对结构的静力作用研究基本上已经成熟
但对高柔结构
考虑风的动力效应的研究还是初级阶段
研究方法主要是风洞试
验和湍流风场。
2）风荷载对建筑物的作用是紊乱的。
只对一些特大型
结构和重要的建筑物进行风洞试验
但风洞试验成本较高
试验
复杂。
因此
风荷载对高层建筑结构的简化计算工作还需要进一
步的研究。
3）目前
对高层建筑结构顺风向脉动风荷载研究的比较多
但对横向风荷载的研究还比较少
我国的设计规范只对烟囱、电
视塔等高柔构筑物有相应的规定
在高层建筑设计规范中尚未涉
及横风向的风振影响和扭转风振反应。
因此对高层建筑结构的
横风向的风振影响和扭转风振的研究还有很长的路要走。
参考文献
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.高层建筑结构设计
[M].北京
中国建工出版社
2003.
[2] 王光远
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科学出版社
1978.
[3] T.Ohkum,H.Marukawa.Fullscalemeasurementofwindpres2
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gineeringandIndustryAerodynamics,1991（3）:
31233.
[4] 葛 楠
侯爱波
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时程的分析计算
[J].建筑科学
2007,23（5）:
30231.
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.结构抗风分析原理及应用
[M].上海
同济大学出
版社
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[6] 木建强
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[J].山西建筑
2007,33
（3）:
68269.
[7] 徐 亮
汪振双
.数值模拟法在索膜结构风振响应研究中的
应用
2007,33（31）:
74275.
Vibrationanalysisofhigh2risestructureunderwindload
QINLi ZHANGXue2li XUDe2yong
Abstract:
Throughtheintroductionofthedesigningmethod,functioningway,andthestructuralvibrationofthewindloadofhigh2risestruc2
ture,itcalculatesthestructuralvibrationcombinedwithprojects,whichisareferenceforthesamekindofvibrationanalysisunderwindload.
Keywords:
high2risestructure,fluctuatingwindpressure,structuralvibration
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