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)

隨著社會經(jīng)濟的高速發(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)計的繁瑣，同時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，對高層建筑結(jié)構(gòu)下風(fēng)荷載的研究方法進行了進一步探討。

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)用必然帶動時代的發(fā)展，高層建筑大量涌現(xiàn)。建筑物的高度不斷攀升，創(chuàng)造一個又一個的奇跡，從最初的芝加哥保險大樓(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)計中起到主要作用。抗風(fēng)能力設(shè)計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，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，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。

1 國內(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)荷載的方向震動響應(yīng)荷載因子法(主要是針對順風(fēng)向)，同時提出等效靜力風(fēng)荷載理論，給紊流風(fēng)荷載理論奠定了基礎(chǔ)，同時后來的國外學(xué)者[3]根據(jù)加拿大教授的理論繼續(xù)研究，用數(shù)值分析的方法進行了模擬研究，給出具體的計算公式計算風(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。

國內(nèi)的研究相比于國外將近推遲了一個世紀(jì)，而且第一次的提出是在1980年中國空氣動力研究會工業(yè)空氣動力學(xué)專業(yè)委員會第一次會議，之后北京大學(xué)建成了直流式邊界層風(fēng)洞模擬，開啟了實驗室模擬。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)計算手冊以及黃本才的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用。近年來，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)向加速度計算等相關(guān)內(nèi)容。同時國內(nèi)高校同濟、浙大等皆成立了相關(guān)的學(xué)術(shù)研究小組，對結(jié)構(gòu)風(fēng)進行研究，給出對應(yīng)于不同的風(fēng)向的計算公式以及計算方法，提出了更加簡便的理論公式，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。

模擬方法是將實地的數(shù)據(jù)通過實驗室或者是輸入計算機，得出風(fēng)荷載對于高層建筑的影響，在實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)是跟著計算的發(fā)展應(yīng)運而生的，主要是將數(shù)據(jù)輸入計算機，通過計算機的分析，得出想要的結(jié)果。這種手段的計算基礎(chǔ)是計算流體力學(xué)，涉及到不同學(xué)科的內(nèi)容，包括有限元求解，數(shù)值分析以及計算機編程等內(nèi)容，計算方法一旦形成，應(yīng)用簡單，不需要較多的人力。但同時也存在一定的缺陷，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，主要是在實驗室模擬實際的情況，將現(xiàn)場縮小到實驗室可以承受的范圍內(nèi)，創(chuàng)造跟實際情況近乎一致的情況，當(dāng)發(fā)生同樣的風(fēng)荷載時，高層建筑可承受的能力，確定實際建筑的結(jié)構(gòu)風(fēng)效應(yīng)[4]。動力響應(yīng)數(shù)據(jù)的得出在實驗室有三種不同的方法，分別是利用多點瞬時脈動測壓系統(tǒng)，測試脈動壓力；一種是利用高頻底座天平技術(shù)，最后一種是采用氣動彈性模擬實驗直接獲取數(shù)據(jù)。

2)理論計算。

理論進展一直是學(xué)術(shù)研究的重點，理論帶動實際，理論研究方法主要有時域法和頻域法兩種。時域法是直接動力法，通過直接輸入風(fēng)壓時程得出結(jié)構(gòu)的一系列參數(shù)，進而得出想要的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)。頻域法根據(jù)隨機振動理論，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)，通過傅里葉變化轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓譜，一般過程為輸入，輸出，求解三步驟，輸入的數(shù)據(jù)主要是脈動風(fēng)力譜密度，輸出響應(yīng)譜密度，最后求解響應(yīng)根方差。

3)實地考察。

實地考察主要是實驗人員將相關(guān)的設(shè)備儀器帶入現(xiàn)場，通過風(fēng)速儀測定工地的風(fēng)速，加速度計測量風(fēng)荷載的加速度，風(fēng)壓測試系統(tǒng)測試風(fēng)壓，最后將數(shù)據(jù)進行收集歸納，獲取風(fēng)荷載振動響應(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]的不同會有出入，要想獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)需要較長的時間，加拿大教授曾經(jīng)的實測記錄高達(dá)70多次，最后得出了風(fēng)振響應(yīng)的測試記錄，彌補他理論的不足，同時校驗其在實驗室得出的理論是否可以滿足實際的需求。

3 高層結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究方法

近地面空氣流動形成的風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的震動響應(yīng)，這種活動規(guī)律性不是很強，需要具體分析。高層建筑接受到風(fēng)荷載的震動響應(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)向是研究的主要問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計分析中起到主導(dǎo)作用，同時順風(fēng)向的風(fēng)還可以進行具體劃分，分為平均風(fēng)和脈動風(fēng)，皆屬于近地風(fēng)，平均風(fēng)的周期10 min以上，超過了結(jié)構(gòu)的自振周期[7]，對于建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜力荷載，隨著高層建筑的高度方向進行變化，會引起結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和靜內(nèi)力。而脈動風(fēng)相比于平均風(fēng)，屬于動力性風(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、位移以及振動內(nèi)力。橫向風(fēng)的機理比順風(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，這種風(fēng)向主要來源于氣動反饋、尾流激勵和來流湍流。而扭轉(zhuǎn)風(fēng)向產(chǎn)生的風(fēng)荷載由于不對稱導(dǎo)致此類的研究目前較少。

4 結(jié)語

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)計中增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計師的工作量，同時也增加了挑戰(zhàn)性，所以在實際設(shè)計中要結(jié)合相關(guān)的實際經(jīng)驗，以及各種理論依據(jù)同時應(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。

[1] Nicholas Isyumov. Alan G. Davenport’s mark on wind engineering Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics,2012(104-106):12-24.

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[5] 黃本才.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)原理分析及應(yīng)用[M].上海：同濟大學(xué)出版社,2008.

[6] 彭 剛.時域分析法風(fēng)載時程模擬[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2010.

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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

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