高层建筑横风向风效应研究综述.docx

1、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)JOURNAL OF T ONGJI UNIV ERSI TY( NATURAL SCI ENCE)Vol. 38 No. 6Jun. 2010文章编号: 0 25 3- 3 74 X( 20 10 ) 0 6- 0 81 0- 09DOI: 1 0. 396 9/ j. issn. 0 25 3- 3 74 x. 20 10 . 06 . 0 06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

2、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 3 0 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,

3、 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ide nti fication of cr oss- wind aer ody namic damping and the cal cul ation me thods of across- wind e

4、 qui val ent stati c wi nd loads. Wi nd tunnel techniq ue, data fi tti ng techniq ue and parame ter i dentifi cation techniq ue are the pr incipal me ans to deter mine the cr oss- wi nd e ffe cts of hig h- r ise bui ldi ng s. Base d on the pr obl ems and defici ency of acr oss- wi nd response resear

5、 ch, some r esear ch emphases are proposed: the effect of comple x buil ding shape to aer odynami c forces, the ide nti fication, mechanisms and influence factor s of cr oss- wi nd aerodynamic dampi ng, cal culati on methods of eq ui val ent static wi nd load and 3 - D coupli ng pr obl ems of comple

6、x high- r isebui ldings.Keywords:hi gh- ri se buil ding;cr oss- wi nd effect;aerodynamic for ce; aer odynami c damping; stati c equiv al entwi nd l oads中图分类号: T U 97 3. 32 ; T U 1 19 . 2 1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( Sears to wer ) 曾以 44 3 m 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 4

7、00 m 以上的结 构有 37 栋, 尤以正在建造且已超过 700 m 的迪拜大 厦( Bu rj Du b ai) 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 Daven po rt 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-wind Ef fect of High-rise Buildings: Stateof A

8、rtQUAN Yon g , CAO Hu i l an , GU Mi n g( State K ey L aboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract: T he mechanisms of cr oss- wi nd e ffe cts of hig h- r ise bui ldings are ver y compl icated, which are associ ated wi th the incide nt t u

9、r bul ence , the wake and the aer odynami c fee dback. Al though consider abl e re sear ch effor ts to assess cr oss- wind effect have under taken worl dwi de for de cade s, no wi del y adopted sophisticated theor y and method are made, fur ther- more , no r el evant g uideli nes ar e made in the l

10、oad standar ds and codes of most countri es. T he se wor ldwide r esear chsubj ects of cr oss- wi nd e ffe ct i ncl ude three i mpor tant par ts, 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deter mination ofcross- wind aerodynamic force, the收稿日期:基金项目:2009- 03- 23国家自然科学基金

11、资助项目( 50878159, 50621062, 90715040) ; 上海市浦江人才计划资助项目( 08P J14095) ; “ 十一五 国家 科技 支撑计划资助项目( 2006BA J03B04) ; 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 : qu any o ng t o ng ji. e du. 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811的侧面非均匀的压力脉动产生. Ch eng 26 把横风向振动归因于尾流剪切层的

12、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

13、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

14、法忽略了气动反馈作用.文献 27, 30- 3 4 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

15、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 ( A IJ) 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( G B 5000 9 2

16、0 01) 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( G BJ 135 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 ( JG J 99 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

17、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 23K w ok 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

18、阻 尼 作 用. 24 35K ar eem 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S olari 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. Is lam 等 25 和 K areem 6认为, 横风向响应由受分离剪切层和尾流脉动影响同 济 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)第 38 卷812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

19、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

20、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

21、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. Rein h old 37 通过 模拟 的 等 效 数 控 程 序 来 实 现 对 风 压 的 积 分. K areem 4, 38 由模型表面同时测

22、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, S tro uh al( 斯特劳哈尔) 频率轻 微 减 小, 气 动 力 谱 带 宽 变 宽、峰 值 降 低.K ar eem 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. K areem 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.

23、R ein h old, T allin 和 Elling w ood 40- 42 测量 了结构 模型上 半部分 的气动 力, Is lam 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. S t eck ley 等 43 、Su zu k i 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 、 Ch en g等 44 、 Yeh等 45 、Is lamN ish imu ra 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

24、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. Chen g 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. Y eh 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 . N ish imu ra 等 46 研究了 亚临界区平滑 流中静止 2 维圆柱脉动气动

25、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 S t rou hal 频率 及 3 倍 S tr ouh al 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 6 时, 用此气动力谱计算得到的响 应明显低于用同一建

26、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

27、阻尼.1. 2. 1 刚性模型与气动弹性模型试验比较法Is yu mo v 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

28、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 Cerm ak 等, 他 们 首 先指 出 了 天 平 的 固 有 频率 必 须 很 高. W h it b read 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 . T s ch anz 等 50