基于风洞试验的双塔楼超高层建筑风荷载与风致响应

当超高层建筑的高度和间距都比较接近的时候,相互的干扰效应对结构的表面风荷载与结构的风致响应都会产生较大影响。基于刚性模型表面测压风洞试验,得到了双塔楼超高层建筑表面各测点的风压时程。在此基础上,通过数据处理,得到结构的三维动力风荷载模型,进而分别采用频域法进行结构动力响应分析。最后,通过分析结构表面风荷载与风致响应,研究了塔楼之间的干扰对结构风荷载的影响以及对结构风致响应的影响,结果表明:当双塔连线与来流方向平行时,三维风荷载和风致响应都会明显增大,干扰效应影响十分明显。     

横风向旋涡脱落共振响应分极及在规范上的应用

结构在风作用下,不但顺风向产生风振响应,而且横风向必然产生旋涡脱落风振．当横风向旋涡脱落频率与结构某阶自振频率一致时,结构产生极大的横风向共振,如不注意,结构将产生损坏或破坏,国内外有很多这类指导。本文基于国内外研究和规范资料,对本规范横风向共振依据的原理予以介绍,并对有关条文加以说明。     

大高宽比方形截面高层建筑的横风向风荷载及风致响应研究

基于一栋高层建筑的刚性模型表面压力测量风洞试验数据,分析了高宽比较大且截面为方形的高层建筑横风向风效应的共同特征。得到如下结论:高层建筑横截面为方形时,其横风向风荷载主要由规则性旋涡脱落导致的尾流激励构成,为窄带随机激励;当高层建筑的高宽比较大时,基阶固有频率相对较低;当高层建筑兼具方形截面和大高宽比这两个特征时,其基阶固有频率可能接近其尾流的旋涡脱落频率,从而发生剧烈的横风向涡激共振。建筑结构截面的小幅增大可使这种剧烈的横风向涡激共振得到有效控制。上部外形的适当处理,也可能有效降低高层建筑的横风向等效风荷载。低矮群楼的出现将在一定程度上影响高层建筑的风荷载。     

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。     

矩形超高层建筑归一化横风向脉动风荷载谱模型

为研究超高层建筑横风向脉动风荷载谱特性,在B、D两类紊流风场中开展了不同长宽比矩形刚性模型测压试验。结果表明：横风向脉动风荷载特性主要受紊流风场、气动外形和旋涡脱落等因素影响,矩形柱截面的长宽比变化将影响功率谱幅值及能量分布。当矩形柱截面长宽比小于3时,横风向脉动风荷载谱特性主要受旋涡脱落控制,但当长宽比超过3后,矩形柱侧面分离再附流动的影响逐渐加强,具体表现在：功率谱峰值减小、带宽增大及高频区出现较小谱峰。根据风洞试验结果和矩形柱横风向脉动风荷载谱特性,提出了归一化横风向脉动风荷载谱模型,该经验公式物理意义明确、形式简洁,有一定的工程参考意义。     

超高层建筑的风振响应及等效静风荷载研究

为避免中国现行《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）中所采用的风振系数仅考虑结构的1阶振型,而不考虑周围环境影响对体型不规则超高层建筑结构抗风设计造成的不合理性,采用风洞试验与风振动力响应计算分析相结合的方法,考虑结构不规则的影响以及相邻建筑的气动干扰和横风效应来获得超高层建筑结构抗风设计所需的顺风向和横风向的等效静风荷载和风致动力响应。结果表明：由于周围建筑的干扰,顺风向、横风向的风荷载规律与一般超高层建筑不同,其不利角度也与规范存在差异;所得结论为超高层建筑结构的抗风设计提供了依据和参考。     

矩形截面超高层建筑风致脉动扭矩的基本特征

利用刚性模型的同步测压风洞试验,研究了矩形截面超高层建筑脉动扭矩的基本特征。研究内容包括扭矩系数的根方差、功率谱密度、竖向相关性以及横风向脉动风力-扭矩相干函数,另外还考察了厚宽比和风场类别这两个参数对脉动扭矩的影响。研究结果表明,脉动扭矩系数随高度增加递减,随厚宽比增加而增加;脉动扭矩谱具有两个谱峰,谱峰形状随厚宽比改变发生很大变化;相对横风向风力,扭矩的竖向相关系数随距离衰减更快;脉动扭矩与横风向风力具有较强的相关性。     

不同断面宽度群体高层建筑的动力干扰效应(第2部分 横风向响应)

采用本文第1部分所介绍的试验技术和软件分析工具,研究了不同宽度比(Br)的两个和三个建筑物间的横风向动力干扰效应。和顺风向响应分析一样,处于斜列的上游施扰建筑的尾流同样是引起受扰建筑横风向响应增大的主要原因,但试验结果同时也显示,当施扰建筑和受扰建筑处于并列和串列时,也会使受扰结构的横风向响应显著加大。在B、D两类地貌下,和受扰建筑大小一样的两个施扰建筑的干扰因子(IF)会比单个施扰建筑情况分别高出80%和25%。小宽度的上游建筑在低风速时就会产生涡激共振而产生较大的IF值,尤其要指出的是位于(3.1b,0)上的Br=0.5的施扰建筑物在B类地貌下和较低的风速下会产生高达7.09的IF值。粗糙化地貌的高湍流度会对上游施扰建筑尾流的旋涡形成产生一定的抑制作用,故在D类地貌下的IF值要远小于B类地貌情况,但在D类地貌下观察到的IF值仍有1.83。     

国内外规范自立式高耸结构等效风荷载及响应比较

针对GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》(2006年版)和GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、美国规范ASME STS-1-2006、欧洲规范BS EN 1993-3-2:2006和CICIND模式规范(Revision 1-1999)等规范关于自立式高耸结构的风振响应计算方法进行了比较研究。对比了各规范中基本风速、风速高度变化系数、湍流强度等基本风特性和结构动力特性的简化计算方法,以及自立式高耸结构顺风向和横风向的风振响应计算方法。选用高度50m和90m的两座自立式钢烟囱作为算例,开展了顺风向和横风向风振响应计算方法的数值模拟对比分析。研究表明:在设计小阻尼、高柔的自立式高耸结构时,顺风向风振响应计算方法相对较为成熟,但气动阻尼的影响不可忽略;对于横风向风振响应,我国规范和欧洲规范(方法1)得到的结果相对偏小,同时,所有方法所得结果与实际观测均有一定的差距,设计时应谨慎选择横风向风振响应计算方法。     

典型截面超高层建筑风洞试验与荷载规范计算的等效静力风荷载比较分析

对椭圆形截面和矩形截面的两栋超高层建筑进行了风洞试验,获得了作用在结构上的气动力。在此基础上计算得到了用于结构设计的顺风向、横风向的等效静力风荷载及风振位移和加速度响应。基于《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)给出的方法计算了两栋高层建筑的等效静力风荷载,与风洞试验的结果进行了对比,并进一步讨论了振型的阶数对等效静力风荷载、风振位移和加速度响应的影响。     

索的风振响应分析

本文对索的静力分析方程做了讨论,建立了索的动力分析模型,明确了索的动力分析实质是索上各集中质量点的空间位移和相应索段轴向张力在各时间点上迭带平衡的过程;研究了随机风荷载作用下,不同初张力索的时域动力响应,对计算结果在频域内做了统计分析,得到了初张力对索动力特性影响的统计规律。     

某带消能伸臂桁架超高层结构抗震性能分析

以某220 m超高层框架-核心筒结构的消能减震效果为研究对象。采用NosaCAD结构分析程序对该结构进行弹塑性时程分析,对比分析了该结构在6度多遇和所选取的罕遇地震作用下普通伸臂桁架与耗能伸臂桁架对结构地震作用下的消能减震效果。分析结果表明:消能伸臂桁架能在一定程度上改善该结构的抗震性能,结构顶层峰值加速度响应平均降幅约为10%,层间位移角平均降幅约为15%;该结构在罕遇地震作用下的损坏情况有所减轻,伸臂桁架位置布置的黏滞阻尼器对降低结构在地震作用下的响应发挥了一定的作用。     

超高层建筑风荷载的试验研究

超高层建筑的风致振动是结构设计的主要控制因素之一。但目前对横风向风荷载的研究远不能满足工程应用和规范制定的需要。本文应用高频动态测力天平技术,对常见的１３种典型断面的超高层建筑模型进行了不同风场条件下的风洞试验,研究了其风荷载,特别是横风向风荷载。结果表明,外形和风场对风荷载有很大的影响,而长细比对无量纲风荷载的影响甚微。本文最后给出的一阶横风向广义风力系数谱的拟合公式,可供规范修订参考。     

楔形超高层建筑风效应的大涡模拟研究

风荷载往往是超高层建筑结构安全性和舒适性的控制性荷载。本文通过大涡模拟技术并结合作者建议的一种新的湍流入口生成方法(NSRFG方法),对四种不同锥度的楔形建筑模型进行了风效应的数值模拟对比研究,以比较不同锥度对结构风荷载和风振响应的影响,及检验本文数值模拟方法的适用性。数值模拟结果表明,虽然不同锥度的建筑模型平均风压和脉动风压分布规律相似,但在结构响应方面,结构横风向峰值基底弯矩响应随模型锥度增大显著减少,表明采用适当锥度的体形可以有效地减小结构横风向气动荷载。本文数值模拟结果和风洞试验结果整体规律相符,表明结合改进的入流湍流生成技术的大涡模拟具有一定的精度,可以给超高层建筑气动外形优化研究提供有价值的参考。     

风场中高层建筑结构风压及动力响应的数值模拟研究

采用计算流体动力学软件CFX对CAARC高层建筑刚性模型的风荷载进行了数值模拟,采用多场求解器MFX联合ANSYS与CFX对风场中的CAARC弹性模型进行了数值模拟,最终得出该模型在风场中的位移时程曲线。该方法对于考虑流固耦合的工程问题有普遍借鉴意义。     

全自动激光垂准仪在超高层建筑施工中的应用

广州市维多利广场超高层塔楼结构施工中,采用全自动激光垂准仪进行控制轴线的垂直投测工作。在测量过程中,对仪器进行了精密的调校,优化了测量方法,建立了高精度的测量控制网,最终使整个塔楼的垂直度偏差<5mm,取得良好的效果。     

对超高层建筑竣工规划测量方法的探讨

以济南绿地普利中心超高层建筑项目为例,提出利用三维激光扫描技术与对边测量方法结合完成超高层建筑竣工规划测量的思路,利用三维激光扫描技术测量建筑每层大小不同的弧线三角形轮廓,用于建筑面积的校核计算,利用对边测量方法对建筑高度进行测量,从而解决超高层建筑竣工规划测量的难题。     

深圳地王商业大厦结构风荷载效应分析

根据在深圳地王商业大厦 3 47 5m高程处对风速和结构风振动的多次测试数据 ,按现行《建筑结构荷载规范》(GB5 0 0 0 9— 2 0 0 1 )、《日本建筑学会对建筑物荷载建议》以及笔者提出的风速剖面模型确定的风荷载 ,采用SAP2 0 0 0的空间有限元程序对该高层建筑结构进行了风反应计算分析。计算结果与实测结果对比得出以下结论 :在 3 0 0m以上高程 ,风速剖面不再按指数或对数规律分布 ,而呈抛物线或多项式曲线规律分布。因此 ,在对高度超过 3 0 0m的超高层建筑结构进行风反应分析时 ,我国现行《建筑结构荷载规范》的风荷载取值可能偏高 ,建议进行调整     

矩形高层建筑结构横向风振反应的分析计算

本文根据结构随机振动理论,考虑到国外有关规范中根据风洞试验数据提出的横风向脉动风压谱与足尺观测数据有差异的现象[1],根据已经得出的横向湍流脉动风压谱密度函数[2],提出了一个湍流脉动风压作用下结构横风向风振反应的计算方法供参考。采用本文中提出的风振反应计算方法可能不至于漏失结构在非共振风速时较大的风振反应值,从而不至于低估设计基准期内最大风速下的横风向风振加速度反应值。用本文提出的方法针对一个具体的工程实例计算了风振反应值,并与采用国外规范中现行方法的计算结果作了对比。计算结果表明,在出现设计基准期内最大风速时,结构湍流脉动风压诱发的横风向风振可能大于由国外现行规范中公式计算的风振反应值。     

超高层三塔连体结构模型振动台试验研究

本文介绍了1∶40缩尺比例的南京市金鹰天地广场整体模型振动台试验,结构模型由三塔高位连体超高层塔楼组成。研究了高位连体结构在地震作用下的响应特点,评价了其整体抗震性能,并对结构设计提出了改进建议。试验结果表明:该连体结构设计合理,满足三水准的抗震设防目标要求,具有足够的抗震安全储备。