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高层建筑横风向风效应研究综述

第38卷第6期

2010年6月

同济大学学报（自然科学版）

JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY（NATURALSCIENCE）

Vol.38No.6

Jun.2010

文章编号:

0253-374X（2010）06-0810-09

DOI:

10.3969/j.issn.0253-374x.2010.06.006

高层建筑横风向风效应研究综述

全

涌,曹会兰,顾

明

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092）

摘要:

高层建筑的横风向荷载及响应问题非常复杂,它与来

流紊流、尾流和气动反馈3个方面的激励有关.虽然研究人员关注这一问题已有30多年,但迄今为止还没有形成被广泛采用的成熟的分析理论和方法,许多国家的规范中尚无相关的规定.国内外高层建筑横风向风效应研究成果主要分为

3部分:

横风向气动力的确定,横风向气动阻尼的识别和横风向等效静力风荷载的计算方法.风洞试验技术、数据拟合技术、参数识别技术是确定高层建筑横风向风效应的主要手段.通过分析国内外研究手段和方法的现状及优缺点,针对高层建筑横风向响应研究中存在的问题和不足,提出了应该关注的重点:

高层建筑外形的复杂变化对气动力的影响、高层建筑横风向气动阻尼的识别方法以及形成机理和影响因素、等效静力风荷载计算方法和复杂形体超高层建筑顺、横、扭3种风荷载分量的耦合问题.

关键词:

高层建筑;横风向风效应;气动力;气动阻尼;等效静力风荷载

identificationofcross-windaerodynamicdampingandthecalculationmethodsofacross-windequivalentstaticwindloads.Windtunneltechnique,datafittingtechniqueandparameteridentificationtechniquearetheprincipalmeanstodeterminethecross-windeffectsofhigh-risebuildings.Basedontheproblemsanddeficiencyofacross-windresponseresearch,someresearchemphasesareproposed:

theeffectofcomplexbuildingshapetoaerodynamicforces,theidentification,mechanismsandinfluencefactorsofcross-windaerodynamicdamping,calculationmethodsofequivalentstaticwindloadand3-Dcouplingproblemsofcomplexhigh-rise

buildings.

Key

words:

high-risebuilding;

cross-windeffect;

aerodynamicforce;aerodynamicdamping;staticequivalent

windloads

中图分类号:

TU973.32;TU119.21

文献标识码:

A

目前世界上正在经历着史无前例的高层、超高

层建筑建设高峰.芝加哥西尔斯大厦（Searstower）曾以443m的高度稳坐世界最高建筑物宝座26年.而现在世界上,拟建、在建和已建的400m以上的结构有37栋,尤以正在建造且已超过700m的迪拜大厦（BurjDubai）为首.发达国家甚至提出了千米高度量级的“空中城市"的概念.随着结构高度的增加和高强材料的使用,低阻尼、高柔结构的风振响应更加显著,使得强风作用下的结构风荷载成为结构安全性和舒适性设计的控制荷载.

从Davenport[1-3]最早将随机概念和方法引入建筑结构的抗风研究30多年以来,在建筑结构的顺风向荷载及响应的研究方面,已逐渐形成比较完善

Cross-windEffectofHigh-riseBuildings:

State

ofArt

QUANYong,CAOHuilan,GUMing

（StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China）

Abstract:

Themechanismsofcross-windeffectsofhigh-risebuildingsareverycomplicated,whichareassociatedwiththeincidentturbulence,thewakeandtheaerodynamicfeedback.Althoughconsiderableresearcheffortstoassesscross-windeffecthaveundertakenworldwidefordecades,nowidelyadoptedsophisticatedtheoryandmethodaremade,further-more,norelevantguidelinesaremadeintheloadstandardsandcodesofmostcountries.Theseworldwideresearch

subjectsofcross-windeffectincludethreeimportantparts,the

[4-16]

的计算理论和方法,主要成果也反映在多数国

家的建筑结构荷载规范中[17-18].

在现代超高层建筑设计中,横风向荷载及其响

determinationof

cross-windaerodynamicforce,the

收稿日期:

基金项目:

2009-03-23

国家自然科学基金资助项目（50878159,50621062,90715040）;上海市浦江人才计划资助项目（08PJ14095）;“十一五"国家科技支撑计划资助项目（2006BAJ03B04）;教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（200802471005）

全涌（1971—）,男,副教授,工学博士,主要研究方向为结构抗风.E-mail:

quanyong@tongji.edu.cn

作者简介:

第6期

全涌,等:

高层建筑横风向风效应研究综述

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的侧面非均匀的压力脉动产生.Cheng[26]把横风向

振动归因于尾流剪切层的分离与漩涡脱落过程.现

有的被广泛接受的横风向激励机制为:

高层建筑横风向风荷载主要来源于来流紊流激励、尾流激励和气动弹性激励3个方面[27-29].来流激励和尾流激励反映在外加气动力上,气动弹性激励反映在气动阻尼上.因此横风向风荷载不再符合准定常假定,横风向风荷载谱不能根据来流脉动风速谱直接给出.风洞试验是研究高层建筑横风向特性的主要手段,目前采用的风洞试验方法主要有气动弹性模型试验、高频测力天平试验和刚性模型多点测压试验.研究人员通常采用试验手段得到的横风向外加气动力和横风向气动阻尼数据,利用随机振动理论分析建筑结构的横风向响应,最后再反演出设计人员惯用的等效静力风荷载形式.研究的相关内容主要包括:

横风向气动力的确定,横风向气动阻尼的识别和横风向等效静力风荷载的计算方法.

1.1横风向气动力的确定

横风向气动力的确定基本上包括以下几种方法:

从气动弹性模型风洞试验得到的结构响应反演横风向气动力谱;对刚性模型表面风压进行空间积分得到高层建筑的横风向气动力谱;利用高频天平直接测量模型的基底弯矩来获得广义气动力.

1.1.1气动弹性响应反演法气动弹性模型响应反演法即用单自由度气动弹

性模型的横风向位移或其高阶导数的功率谱结合模

型的动力特性参数反演出横风向气动力谱.这种方法忽略了气动反馈作用.

文献[27,30-34]对一系列圆形、方形、六角形、八角形及带凹角及圆角的方形以及截面沿高收缩的

高层或柱状结构进行了气动弹性模型风洞试验.假定建筑结构的基阶模态形状与高度成正比,且忽略

高阶模态的影响,用弹性支撑的刚性模型模拟高层

建筑的单自由度气动弹性模型,利用应变平衡系统测得模型顶部横风向位移响应谱,结合模型的动力特性参数反演模态广义横风向气动力谱.运用这种方法,研究人员研究了高宽比、紊流度、折算风速、截面形状、涡激共振、非线性及角沿修正对气动力谱的影响.

应经常会超越顺风向,成为结构抗风设计的控制性

因素.然而,由于机理复杂,影响因素多,虽然研究人

员关注这一课题已有30多年,但迄今为止仍未形成被广泛接受的成熟的分析理论和方法,很多国家的规范中也还没有相关的内容和规定.日本建筑协会的建筑荷载建议（AIJ）[17]中推荐的高层建筑横风向风荷载及响应的计算方法是目前各国规范中对这一问题最详细的规定,但其公式只适用于高宽比<6的高层建筑在折算风速<10的情形,且它把横风向基阶模态的惯性荷载当成横风向等效静力风荷载,这种方法计算共振分量部分是正确的,但背景分量也用这种方法计算是没有理论依据的.同时,它没有考虑气动阻尼的作用.在我国建筑结构荷载规范

（GB50009—2001）[19]中仅给出类似于烟囱的细长圆形结构按涡激共振估算的简单方法,这一方法并不能用于一般高层建筑的抗风设计.高耸结构设计规范（GBJ135—90）中考虑了圆形截面塔桅结构横向风荷载的作用;在高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99—98）规定了顺风向与横风向最大风振加速度的计算方法,主要是用来验算钢结构高层建筑的舒适度,而对具体的横风向风荷载则没有做出规定.上海高层建筑钢结构设计规程[20]纳入了作者的相关研究成果[21-22],给出了折算横风向气动力谱及气动力系数随建筑高宽比、宽厚比和风场类型变

化的经验公式,但这一方法仅适用于高宽比为4~9、宽厚比为0.5~2.0的矩形截面高层建筑的抗风设计.该规范也给出了高层建筑气动阻尼的简约计算公式,但也仅仅是针对方形建筑的情况.

开展超高层建筑横风向风致振动和等效静力风荷载研究,具有重要的理论意义,对指导超高层建筑的结构设计具有重大的工程应用价值.本文在总结国内外30多年来的高层建筑横风向风效应的研究进展的基础上,对今后的相关研究方向提出了一些有益的建议.

国内外研究现状

1

[23]

Kwok认为横风向激励包括:

尾流激励、来流

湍流和结构横风向位移及其高阶时间导数引发的激

励,后者是风与结构相互耦合的气动阻尼作用.

[24]

[35]

Kareem的研究表明,代表气动反馈的气动阻

尼力常常是不能忽略的,用气动弹性模型的风致响应反演出来的气动力中包含了外加气动力和气动阻尼力2种成分,而气动阻尼力是随结构的振动幅度

Solari将引起横风向风振的原因归纳为:

横风向湍

流和尾流激励（宽度和厚度接近,不考虑分离再附）,

其中尾流激励是主要原因.Islam等[25]和Kareem[6]

认为,横风向响应由受分离剪切层和尾流脉动影响

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及折算风速的变化而变化的,这使得利用这种方法

得到的气动力谱只适用于相应风速作用下具有相应

刚度的建筑,对其他风速下刚度不同的建筑是不适用的,这大大限制了试验得到的气动力谱的通用性.另外,由气动弹性模型特性引起的误差无法避免,特别是阻尼估计时误差较大.由于精度不够及适用范围的局限性,现在基本不再使用这种方法.

1.1.2刚性模型表面风压积分法为了更准确地计算结构风荷载及风致振动,风

工程研究者于上世纪80年代初开始把高层建筑的横风向气动力分成外加气动力和气动阻尼力分别进行研究.气动阻尼力与结构运动有关,受结构外形、

结构运动幅度、风速大小、风场特性等多个因素影

响.外加气动力只是风作用在静止模型上的力,多数高层建筑是对雷诺数不敏感的钝体结构,折算外加气动力谱只受结构外形和风场环境的影响,与试验风速和结构的响应无关,因此可以直接对刚性模型表面风压进行空间积分得到,并且可以适用于不同动力特性的建筑在不同来流风速的情况.

刚性模型表面风压积分法假定测点代表的面积范围内的压力完全相关,为了减少由于这一假定带来的误差,测点数应当尽量多;另一方面,由于测压

设备的限制,同时测压的点数又不可能太多.测压设

备发展过程中遇到了2个主要问题:

（1）测压管道系统的频响特性会使脉动压力测量结果的幅值和相位失真.目前解决这个问题的常用方法有———一种是在测压管中采用扼流措施,以提高管道系统的幅频特性的平直段和相频特性的线性度[36];另一种是采用计算机进行数据处理,直接根据系统的频响特性进行修正[28].

（2）测压通道数有限.对这个问题曾经提出3种

解决方法———一是加权气压平均法,这种方法可以减少测压的通道数,但对于建筑体型比较复杂、高阶振动、非理想模态等问题,测压点的布置及测试都比较困难.二是用有限测点合成广义力,这些方法都利用风是平稳随机过程的假定,需要重复多次采样,而且数据处理也会增加测试的误差.Reinhold[37]通过模拟的等效数控程序来实现对风压的积分.Kareem[4,38]由模型表面同时测压积分结合风压脉动的局部时空变化确定风荷载.同时这种方法还可以为围护结构设计提供输入数据,给出了模型表面同一高度水平的功率谱密度和互谱变化.利用这种方法,他给出了城市和效区风场下横风向力函数的横风向功率谱密度矩阵.研究表明:

来流湍流的增加可

以使横风向气动力减小,Strouhal（斯特劳哈尔）频率

轻微减小,气动力谱带宽变宽、峰值降低.

Kareem[6,39]通过时空平均技术获得时空随机压力场的局部平均数据.Kareem使用具有一致加权离散矩阵的压力接口的测压管道系统测量了多个高度水平的顺风向、横风向和扭转荷载.Reinhold,Tallin和Ellingwood[40-42]测量了结构模型上半部分的气动力,Islam等[25]利用传递函数模拟技术合成了结构模型下部的气动力.三是发展大量测点的多通道测压设备.Steckley等[43]、Suzuki等分别介绍了他们开发的设备,这些设备都利用了新的测试技术.

等[25]、Cheng

等[44]、Yeh

等[45]、

Islam

Nishimura等[46]、梁枢果[47-48]和张建国[49]等对模拟

风场中刚性模型表面风压进行空间积分,给出了高层建筑的横风向气动力谱,分别研究了相关性、紊流度、紊流尺度、旋涡脱落、驻点及分离点、长宽比、高宽比等对横风向气动力的影响.Cheng等[44]研究了

27种流场条件,推导了用紊流强度和紊流尺度表示的横风向气动力谱的经验公式,认为紊流强度使横风向气动力谱的带宽变宽,峰值降低,但总能量不变化;紊流尺度使总能量减小,但不影响谱线形状.Yeh等[45]从理论上推导出并从试验中证实了矩形截面高层建筑的横风向气动力谱中频率大于旋涡脱落频率的部分可以表达为折算频率的指数函数形式,指数为-10/3.Nishimura等[46]研究了亚临界区平滑流中静止2维圆柱脉动气动力的形成机理,给出了顺风向及横风向气动力谱以及圆柱上不同位置的压力谱.得到结论:

驻点及分离点的脉动与横风向气动力的脉动同步,脉动横风向气动力在Strouhal频率及3倍Strouhal频率处有峰值.梁枢果[47-48]研究不同长宽比、高宽比的矩形棱柱体在边界层风洞中典型迎角下的横风力,提出了矩形高层建筑横风向气动力谱的经验公式,建立了完整的横风向动力风荷载解析模型.这一模型包括了横风向动力风荷载沿高度变化信息和空间相关信息.将横风向功率谱分为2部分:

1/4“长宽比<3时,横风向功率谱只有1个峰值,由旋涡脱落引起,功率谱曲线带宽与高宽比有关;3“长宽比“4时,横风向功率谱有2个谱峰,分别由初级旋涡和分离流再附引起的次级旋涡脱落产生.两谱峰的能量分配与风场湍流度、结构高宽比和截面厚宽比有关.张建国[49]从7种典型超高层建筑刚性模型的同步测压试验数据中分解出各层横风向荷载的横向紊流作用及旋涡脱落激励作用,进而求得各自对应的横风向1阶广义力谱,分析结果表

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全涌,等:

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形状变宽.Kareem[6]测量了各种截面形状的中高层

建筑在市区和郊区风场中的横风向气动力谱,研究

表明:

由于横风向气动力谱较陡、平均风速不确定和谱的离散性较大,造成横风向响应的易变性;但感兴趣的频率范围内高宽比确实会影响谱的幅值和形状,但其试验中高宽比在4~6时其变化对横风向气动力谱的影响不大;通过气动力谱分析,进一步证实顺风向和横风向或扭转向力的相关是可以忽略的,但横风向与扭转向力分量的相关很明显.Xu等[53]测得线性模态形状的广义气动力谱.假定脉动顺风向、横风向和扭转向激励互谱可以用同一表达式近似表示（不考虑与幅值相关的横风向激励,如锁住和驰振激励）,考虑相关系数的2种极限情况———风荷载随高度的低相关和高相关,将广义气动力谱修正到适用于任意振型,并给出了一些实用的公式.全涌和顾明[21-22,29]拟合得到了折算横风向气动力谱及气动力系数的经验公式,这些公式已被纳入我国地方性设计规程.

虽然高频动态天平试验法可以简单高效地得到广义气动力,但以上研究均是在线性振型假定的基础上得到的结果,即使使用各种方法将其修正到任意振型,但终究都是对基阶振型进行修正,没有考虑任意高阶振型的影响.

1.2横风向气动阻尼的识别

Kareem[35]对刚性模型测压风洞试验中测得的表面压力进行空间积分,导出横风向外加气动力谱,发现在折算风速>6时,用此气动力谱计算得到的响应明显低于用同一建筑气动弹性模型试验测得的响应.这使得人们认识到横风向负气动阻尼的存在及其可能造成的危险.

气动阻尼的影响因素很多,包括结构外形、风速

大小、风场条件及结构振动强度等等,使得结构响应计算时气动阻尼的取值成为一个难题.这使得气动阻尼的识别成为人们一直关注的重要问题之一.经过30多年的探索,人们发现很多识别气动阻尼的方法.这些方法大体上可以分为3类:

用刚性模型与气动弹性模型比较试验计算出气动阻尼;从模拟风场中做强迫振动的建筑模型所受气动力中分离出气动阻尼力,从而得到气动阻尼;用系统参数识别的随机方法从模拟风场中气动弹性模型的随机响应输出信息中识别出气动阻尼.

1.2.1刚性模型与气动弹性模型试验比较法

Isyumov等[54]总结了2种得到气动阻尼的方法:

一种是对比已知结构阻尼的高频天平测力模型

明:

横向紊流对横风向气动力谱的贡献较小,而旋涡

脱落激励对总横风向气动力谱的贡献较大;在不同

风场中这些贡献会发生改变.根据同步测压试验分解横风向气动力谱的方法可以清楚地解释超高层建筑横风向气动力谱的构成部分.

利用刚性模型表面压力测量风洞试验可以计算

出结构基阶以及高阶广义气动力谱.但由于这种方法需要在模型表面布置大量测压孔并用大量管道将测压孔与测量设备连接起来,实验过程比较复杂,特别是在进行系统性研究而需要对大量模型进行测压试验时显得非常麻烦.并且,对于表面变化复杂的结构,很难用这种方法准确地测量出外加气动力.

1.1.3高频动态天平测力法

测压扫描阀在风工程界得以广泛应用的同时,高频天平也渐渐被风洞试验广泛采用.当高层建筑的模态振型被简化为高度的线性函数时,其模态广义气动力与气动基底弯距存在简单的线性关系.当高层建筑的模态振型偏离理想的线性函数时,也可以通过一些修正方法将广义气动力修正成气动基底弯矩的线性函数.因此,只要把高频天平安装在高层建筑刚性模型基底就可以轻松测得它的基阶广义气动力.

高频动态天平是20世纪70年代逐步发展起来

的.最早试图利用这种设备测基底弯矩的是Cermak等,他们首先指出了天平的固有频率必须很高.Whitbread首先设计出了两分量天平,考虑了系统刚度与灵敏度的折衷[22].Tschanz等[50]