超高层建筑风致响应及等效静力风荷载研究

以重庆宾馆为工程背景,制作了缩尺比为1∶300的试验模型,并进行了刚性模型同步测压风洞试验,采集了重庆宾馆建筑表面的脉动风压时程。风洞试验包括有周边建筑和无周边建筑两类工况。采用风洞试验的脉动风压时程数据,考虑该高层建筑2个主轴方向的前4阶弯曲模态,进行了其风致响应研究,得到了建筑顶部的位移响应和加速度响应,并进行了人体舒适度验算。采用惯性风荷载法,研究了建筑主轴方向的等效静力风荷载。结果表明:对于高度为300m的混凝土高层建筑,仅考虑1阶模态进行风致响应分析,位移响应能满足工程精度的要求,但加速度响应误差较大,至少应考虑前4阶模态;重庆宾馆10年重现期下建筑顶部的峰值加速度为0.144m/s2,满足舒适度限制要求;横风向平均风荷载较小,但惯性风荷载较大。     

杭州国际中心超高层结构抗风设计

杭州国际中心项目包括两栋超高层塔楼(主塔、副塔)及相连裙房，两栋塔楼采用钢筋混凝土核心筒-钢梁-钢管混凝土柱结构体系。塔楼平面为短边凹入的近矩形，立面为竹节造型，结构侧向刚度较柔、横风向响应较大。通过风洞试验，研究了各风向角下有周边建筑、最不利风向角下无周边建筑工况下的风荷载。结构风振舒适度分析采用根据当地风气候分析所得的折减后10年重现期风速值，并补充验算了1年重现期风振舒适度。针对风致加速度响应较大的副塔进行了敏感性分析，对结构构件进行了适当的加大。结果表明：风洞试验结果大部分略大于规范风荷载，但是二者相差不大，风荷载沿竖向分布较均匀，未由于体型特殊而产生不合理的较大风致响应。两栋塔楼风振加速度均能满足正常使用要求。     

深圳京基金融中心横风向气动阻尼试验研究

针对439 m的深圳京基金融中心（KFT）工程,采用气动弹性模型技术研究其横风向气动阻尼特性。根据工程地址的100 a重现期风速、缩尺比例以及前期刚体模型同步测压所得到结构风敏感风向（东西向）的广义力功率谱密度特征确定气弹模型试验的风速范围,通过风洞试验获取不同风速下气动弹性模型敏感风向的顶部加速度响应数据,应用随机减量技术计算分析横风向气动阻尼随折算风速的变化规律,试验考虑结构模态阻尼对气动阻尼的影响。结果表明：在折算风速为4~14的范围内,结构气动阻尼值均大于0且随风速的增大而增大,上游地王大厦(DWT)的干扰效应对气动阻尼未产生不利影响,KFT的基本频率和DWT脱落在尾流中的漩涡频率一致的100 a重现期风速时的气动阻尼比为1.25%,表明前期采用刚性模型试验对KFT进行抗风设计时,不考虑气动阻尼影响计算得到的结构风致荷载和风致响应偏于保守和安全。     

长宽比2∶1矩形截面高层建筑全风向气动阻尼试验研究

由于高层建筑阻尼小、频率低,易在风荷载作用下发生明显的气动弹性效应,出现不可忽略的气动负阻尼比。为此,考虑高层建筑的一阶线性弯曲模态,制作了长宽比2∶1的矩形截面高层建筑的单自由度气动弹性模型,模型比例1/600。进行了全风向下气弹模型风洞试验,每个风向测量了10个试验风速下的建筑顶部加速度响应,并采用随机减量方法,对矩形截面高层建筑气动阻尼比进行识别。研究结果表明:对于长宽比2∶1的矩形截面高层建筑,强轴方向的风致加速度响应远大于弱轴方向;两个主轴方向的顺风向气动阻尼比均为正值,但强轴方向的横风向气动阻尼比为负值,无量纲临界风速约为5.5;仅采用横风向气动阻尼比结果,可以很好地反映全风向的气动阻尼特性。     

考虑参数随机性的高层建筑风振舒适度的非线性黏滞阻尼器优化布设

以顶层加速度作为概率特征量，建立目标函数，分别采用基于随机等效线性化系统的频域方法和基于概率密度演化理论的非线性系统时域方法，进行了考虑结构参数随机性的高层建筑风振舒适度控制的黏滞阻尼器优化布设研究。结果表明：在总黏滞阻尼器系数相同的条件下，以顶层加速度标准差和失效概率为目标函数的黏滞阻尼器优化布设方案，在确定性激励作用下均能显著降低结构的风振响应，且相对于未优化的阻尼器均匀满布方案更经济、更有效。以加速度标准差为目标函数的传统阻尼器优化布设本质上是确定性分析方法，对结构可靠度的提高作用有限，而以加速度失效概率为目标函数的阻尼器优化布设，以结构响应的概率密度函数为优化对象，能显著地提高结构的可靠度，有利于改善高层建筑结构的风振舒适度性能。     

基于风洞试验的高层建筑钢结构风致加速度研究

对钢结构高层建筑群中的典型狭长形建筑进行了表面风压的风洞模型试验,分别考虑了建筑为单体和群体的情况。利用试验获得的风荷载时程对该高层结构进行风振响应的动力时程分析,并着重对得到的与风致舒适度关联的加速度响应进行分析和讨论,对比群体效应对顺风向、横风向和扭转向峰值加速度的不同影响。结果表明,对于平面为狭长形的住宅钢结构高层建筑,扭转效应引起的风致峰值加速度不容忽略;而群体效应一般对结构的加速度呈增大趋势,而且对横风向及扭转向的增大程度通常大于对顺风向的程度。     

结构系统风致疲劳寿命可靠性分析

工程结构一般是由很多构件组成的超静定结构。在风荷载作用下,一个或者几个构件发生风致疲劳破坏不一定导致结构系统失效。首先,结合风速风向联合分布等风荷载特征,给出计算结构系统风致疲劳寿命失效概率的计算流程。其次,由风洞试验结果对目前世界最高的电视塔——610m的广州新电视塔的天线结构进行风振响应分析,风振响应计算中考虑塔身结构的振动对天线结构响应的影响。最后,在以上两步分析的基础上,对该天线结构系统的风致疲劳寿命可靠性进行计算。计算结果表明:用阶段疲劳寿命分枝-约界法识别出17个主要失效模式;S-N曲线中随机变量的参数对主要失效模式的失效概率影响较大;用蒙特卡罗方法计算的100年设计寿命相应的这一实际天线结构的风致疲劳失效概率为4.2%左右。     

广州西塔风效应研究

广州西塔高432m,是目前华南地区的最高建筑,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。采用同步多压力扫描系统(SM-PSS)对其进行多点同步瞬态测压试验,并结合完全二次型组合(CQC)方法和扩展的荷载响应相关(ELRC)方法对其进行风振响应分析和等效静风荷载(ESWL)计算。分析了不同风剖面取值方式、结构模态阻尼比、峰值因子等参数对西塔风致响应的影响,同时也分析了待建的东塔对西塔的干扰效应。结果显示:采用不同风速分布模型计算得到的风荷载可能会产生38%的差异;由于横风向效应,结构在控制性风向的风致响应、荷载和结构模态阻尼比的均方根成反比;待建东塔的干扰影响会使西塔的100年重现期基底弯矩、50年重现期结构位移和10年重现期峰值加速度分别增加9%,37%和75%。     

深圳平安国际金融大厦风致响应大涡模拟分析

运用一种新的湍流脉动流场产生方法模拟了三种风场的湍流边界条件,采用一种新的大涡模拟的亚格子模型,基于Linux系统下软件平台Fluent 6.3的并行计算技术,对深圳平安国际金融大厦进行了全尺寸、高雷诺数（高达10×10⁸量级）的数值风洞模拟。计算了三种风场下建筑表面平均、脉动风压及风荷载时程数据。利用惯性风荷载（IWL）法得到三种风场下深圳平安金融大厦的基底等效静风荷载以及结构顶部峰值加速度响应。分析了不同的湍流来流对结构风压系数、风荷载及加速度响应的影响。分析结果表明：三种来流风场条件下,深圳平安金融大厦周围风场相差较大,来流的湍流强度越高,建筑物前方的脉动风速越高;顺风向等效风荷载主要受平均风速控制,横风向等效风荷载主要受脉动风控制;湍流强度越大,横风向等效风荷载越大;中国规范建议的湍流流场下,深圳平安金融大厦10年重现期顺风向、横风向峰值加速度响应满足居住者舒适度要求。     

风速风向对风机塔筒结构动力响应和疲劳寿命的影响

基于气象站的观测数据,推导得到某1.25MW风机位置处的风速风向联合分布函数,对风机塔筒结构的风致响应和疲劳寿命进行计算,将计算结果与现场实测结果进行对比,系统研究了风速风向对风机塔筒结构动力响应和疲劳寿命的影响。结果表明:风向对顺风向和横风向位移响应的影响规律不一致,且风向对塔筒结构的疲劳累积损伤影响较大,在风向出现概率较大的区间产生的疲劳累积损伤较大。与考虑风向角下得到的疲劳寿命相比,不考虑风向角影响的疲劳寿命偏小。为了兼顾风机结构设计的可靠性和经济性要求,需考虑风向对风机塔筒结构疲劳寿命的影响。     

深圳京基金融中心气动抗风措施试验研究

深圳京基金融中心高439m,风荷载是该超高层建筑的控制荷载。采用高频底座力天平方法对该建筑模型进行了风洞试验,考察了利用其顶部设备和避难层进行开敞形成不同的风走廊(气动措施)对结构风荷载和风致响应的影响。试验结果表明：在重现期100a敏感风向作用下结构漩涡脱落频率明显低于结构基阶固有频率;气动措施可显著抑制和削弱脱落漩涡的强度,当没有受到明显干扰影响时,气动措施显示出良好的抗风效果。不同气动措施可使重现期100a结构基底弯矩减少8.2%~21.2%,使重现期10a峰值加速度减少5.3%~16.0%;受到来自于地王大厦的干扰效应的影响,在所关注重现期风速范围内的结构风振响应为上游地王大厦的尾流所控制,影响了气动措施的控制效果,但在发生涡激共振的临界风速时气动控制措施效果显著。     

影响不对称支撑圆形钢天线风致疲劳寿命的因素

在求得结构不同风向、风速下风致响应以及结构所在位置处的风速风向联合分布函数的基础上,基于经典的疲劳累积损伤理论,对一实际不对称支撑圆形截面钢结构进行风致疲劳寿命估计。通过实例分析的结果,讨论了风向、结构表面粗糙度、涡激共振以及平均风速等重要因素对结构风致疲劳寿命的影响。计算结果表明:1)风向对结构的风致疲劳累积损伤影响较大,在出现概率大的风向区间内造成的疲劳累积损伤较大;2)结构表面粗糙度对结构的风致疲劳寿命影响也较大,疲劳寿命随着表面粗糙度的增加而减小;3)涡激共振对结构的疲劳寿命有一定的影响,在计算结构的风致疲劳寿命时,不应该忽略涡激共振的影响;4)平均风荷载对结构的风致疲劳寿命影响较小。     

超高层建筑气动弹性效应双向受迫振动风洞试验研究

通过双向受迫振动风洞试验对高347m的长沙世茂广场模型的气动弹性效应进行研究,模拟结构平面两个轴向的一阶振动,同步测量了振动模型上的表面风压和模型顶部位移。在对振动模型横风向和顺风向的气动弹性力分析基础上,识别了该模型气动阻尼比和气动刚度比,计算并分析了气动弹性效应对结构风致响应和等效风荷载的影响。分析结果表明,在100年重现期风速作用下,该模型气动阻尼比为正值,气动刚度为负,气动刚度相对于结构刚度较小,对结构自振频率影响不大。考虑气动弹性参数后,顶部最大位移响应可减小5%,最高居住层最大加速度响应可减小10%,由等效风荷载计算得到的基底总剪力和基底总弯矩减小1.1%左右。分析表明,双向受迫振动风洞试验是一种有效且有实用前景的超高建筑气动弹性参数识别方法。     

基于Beta分布的改进的一次可靠度法研究

为了提高一次可靠度方法的计算精度和计算效率,文章利用Beta分布拟合了功能函数中的随机变量的概率分布,利用VBA语言给出了将Beta分布和对数正态分布转化为标准正态分布的方法,采用蒙特卡洛模拟法比较了采用不同概率分布的一次可靠度计算精度。算例分析表明:当功能函数中随机变量服从对数正态分布时,失效概率被高估;当随机变量服从正态分布时失效概率被低估。利用本文提出的Beta分布拟合随机变量的概率不仅大大提高了计算精度,而且在保证迭代收敛的前提下提高了计算效率。     

某观光塔风致振动调谐质量阻尼控制分析

高耸柔性结构在风荷载作用下易产生较大的振动加速度和变形,随着其在工程中的广泛应用,对高耸结构进行结构风致振动控制以提高其舒适度显得极其重要。针对某旅游观光塔进行风振响应分析,并以塔中的消防水箱作为调谐质量阻尼器系统(TMD)的惯性质量,进行了TMD风致振动控制设计及其振动控制分析。研究结果表明,所设计的悬挂式TMD控制系统可以有效减小顺风向结构风致响应,从而显著提高观光塔的舒适度,并对结构的基底剪力、倾覆力矩、顶部位移等均有较好的控制效果;同时对观光塔横风向风振进行初步验算,判定其不会发生大幅值的涡激振动现象。     

外伸板对高层建筑横风向风致响应影响研究

高层建筑风荷载与风致振动是高层建筑抗风设计中的两个控制性因素。已有研究表明,外伸板可以有效降低结构风荷载,但其对结构风致振动的影响并未得到系统研究。选取6种不同的外伸板布置方案,分别开展刚性模型测压试验与气弹模型测振试验,针对布局不同的外伸板对高层建筑横风向风致响应的影响开展对比分析。结果表明：当折减风速不大于11时,外伸长度为7.5%B(B为建筑迎风面宽度)的竖直外伸板可使建筑的横风向位移标准差最多减小26%,外伸长度为12.5%B、相邻两层外伸板间距为8%H(H为建筑高度)的水平外伸板,能够使建筑横风向位移标准差最多减小37%;而当折减风速大于13时,外伸板反而会增大建筑结构的横风向风致响应,从而对建筑结构安全产生不利影响。对于采用外伸板的降载减振设计,当折减风速低于6时,气弹效应对建筑结构横风向风致响应基本没有影响;当折减风速介于6～11之间时,气弹效应能够进一步抑制横风向风致响应;而当折减风速大于13时,气弹效应会引起明显的气动负阻尼,加剧横风向风致响应。     

高层建筑等效风荷载风洞试验研究

分析了某高层建筑的多通道同步测压风洞试验。利用随机振动理论计算了结构等效静力风荷载,分析了风荷载随风向的变化关系,计算了结构顶部峰值加速度响应,对居住者舒适度进行了评价。     

超高层建筑三维风致响应时程分析

进行了某复杂体形超高层建筑顺风向、横风向及扭转风致振动时程分析,用每层质量集中于楼板并视之为刚片的高层建筑层间结构模型代替精细有限元模型。计算结果显示结构位移响应以1阶模态响应为主,该模型代替精确有限元模型能够满足工程计算需要;对于质量中心和刚度中心重合的结构,扭转加速度响应在合加速度响应中占有的比例较小。     

基于短期观测记录的重现期风速预测

在偏僻地区或山区建设重要建筑物、构筑物或桥梁时,通常在附近安装风速观测仪器,获得至少1年的短期风速记录。提出了根据短期风速记录预测指定重现期风速极值及风压方法,为结构抗风设计提供了科学依据。提出独立风暴法提取短期风速记录的最大值,建立极值I型概率分布模型,采用最好线性无偏估计方法确定概率分布参数。依据短期风速最大值概率与年风速最大值概率的变换关系,建立年发生最大值的概率分布及重现期风速、风压的表达式。算例结果表明,重现期风速预测值的离散性与风速阈值有关,在预测值离散系数较小的情况下可确定重现期风速及其置信区间。     

不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构风致响应数值模拟

国内对冷弯薄壁型钢结构风载特性研究已有部分成果,但是风致响应研究较少,特别是不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构的风致响应研究。本文基于AR法原理,在MATLAB中模拟脉动风速时程,通过转化生成结构各高度处的风压时程,并在ANSYS中建立多层冷弯薄壁型钢结构有限元模型,计算不同风向角下多层冷弯薄壁型钢结构的风致动力响应,得到结构顶层的位移、加速度时程,并进行分析。结果表明:1通过模态分析和功率谱对比验证了建模及模拟风速时程的正确性;2五个风向的最大层间位移均满足规范限值,22.5°、45°、67.5°三个风向角的位移响应依次增大,最大位移出现在90°风向角;3在修建冷弯薄壁型钢结构时,应考虑风向带来的影响,据此进行合理布局。