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高层建筑风荷载及风致响应研究

杨明  
【摘要】:随着轻质、高强度材料的应用,现代高层建筑朝着更高、更柔的方向发展,致使结构基本频率降低,逐渐接近风的卓越频率。而超高层建筑自身阻尼变小也使得结构对风荷载越来越敏感,风荷载已成为超高层建筑结构的主要控制荷载之一。此外,城市中有些高层建筑玻璃幕墙在强风作用下发生破坏,危害到公众安全。因此,很有必要对高层建筑的风荷载及风致响应进行更深入的研究。 本文基于某超高层建筑刚性模型测压风洞试验,深入分析了该高层建筑表面风压分布。发现周边建筑在下游串列布置时,顺风向风荷载增大了许多,横风向和扭转向变化不大;而并列布置时,在峡谷风作用下,局部测点平均负压最多可增大4倍左右,但对整体结构而言,脉动风产生的惯性风荷载有所减小。同时研究了各层顺风向、横风向和扭转向气动力谱,发现影响旋涡脱落的原因主要有风速、湍流强度和迎风面积等。风速越大,旋涡脱落频率越高,高频能量也越大;湍流强度越大,频谱带宽越宽,旋涡脱落频率对应的能量峰值降低;迎风面积越大,旋涡脱落特征越强。 通过计算高层建筑结构高阶振型的风致响应,发现位移响应主要是第1阶振型占主导作用,可忽略高阶振型影响,但加速度响应则要考虑多阶振型。计算表明,若仅考虑第1阶振型,峰值加速度最多可被低估24%。对于风敏感的超高层建筑,其加速度响应最好计算到第2阶振型,必要时应计算到3阶或4阶。本文分析了中国荷载规范中风振系数的计算公式,对比了新旧规范中取值不同引起的差别。同时对比研究了风洞试验得到的风振系数结果,由于风洞试验中最大层间剪力既包含顺风向力,也包含横风向力,而规范仅仅是顺风向的,所以其风振系数比规范要大一些。 分别用中国2001荷载规范、2012荷载规范和日本2004荷载规范计算了高层建筑玻璃幕墙的设计风压,并与风洞试验结果进行对比,发现规范计算得到的结果不太合理。针对该项目截面形状,本文结合风洞试验数据和日本规范对建筑幕墙负压区进行分区,对每一区域取极小值作为玻璃幕墙的设计值,相比每层只取一个极小值,本文方法比较科学合理。同时分析了各控制测点的概率分布,拟合了各测点的概率密度函数,发现各层极大值测点的概率分布接近高斯分布,而极小值则大部分与威布尔分布比较接近。最后利用概率论方法修正了峰值因子,使玻璃幕墙的设计风压更准确。 本文以风洞试验研究为主,结合理论分析与各国规范详细探讨了超高层建筑的风荷载及风致响应,旨在将现有抗风理论更好的运用于工程实践当中。


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