高层建筑风荷载反演

高层建筑风荷载反演（共4篇）

高层建筑风荷载反演 篇1

塔式建筑物在温度荷载和风荷载作用下会产生来回摆动, 因而需要对建筑物进行动态观测。如美国纽约帝国大厦102层, 观测结果表明, 在风荷载作用下, 最大摆动达7.6cm。

风荷载观测应在高层、超高层建筑物受强风作用时间阶段同步测定建筑物的顶部风速、风向和墙面风压, 以及顶部的水平位移, 以获得风压分布、梯形系数及风振系数。本方案采用GPS差分载波相位法来测定顶部位移。GPS用于高层建筑物的变形监测主要有几项优势。GPS精密测量技术在过去的十几年得到了快速发展和应用。

(1) 易于实现系统的全自动化。

(2) 全天候观测。

(3) 能同时测定点的三维位移。

(4) 测站间无需保持通视。

(5) 精度高。高程精度为2mm~3mm, 相对而言平面位置精度可达1mm~2mm。

系统工作原理:

监控中心和测站现场都可以控制多天线微波开关以分时复用的方式采集多GPS天线接收的信号。测站现场和基站现场的PC104嵌入式计算机同时接收和处理GPS信号, 并通过GPRS无线传送到监控中心。监控计算机接收监测现场发回的GPS信息, 实现基线解算、变形分析和报警。其中, 测站设在变形区域的监测点上即在高层建筑物的顶部GPS观测墩上, 基站设在变形区域外的稳定点上。

首先在建筑物的顶面浇注用于安装GPS的观测墩, 并按照有关的规范来进行检验校正。风荷载及楼顶摆动的监测是通过GPS差分载波相位法来实现的。将一台GPS接收机安置在距待测建筑物一段距离且相对稳定的基准站上, 另一台接收机的天线安装在建筑物楼顶。接收机周围高度以上应无建筑物遮挡或反射物。两台接收机同步记录15~20min数据作为一测段。具体测段数视要求确定。通过专门软件对接收的数据进行动态差分处理后, 根据获得的WGS-84大地坐标即可求得相应的位移量。

最后把各期数据与上期数据对比得出点位坐标与坐标三个分量 (X, Y, Z) 的位移值, 把各期的位移量展绘在图表上 (如图2) 可以研究风荷载的特征, 如风荷载的大小, 方向。

高层建筑物摆动的频率受其结构、使用材料、高度、环境温度变化和风压等外界因素的影响, 一般在0.1Hz~10Hz之间变化高层建筑物的实际运动比较复杂, GPS测量的外部环境一般不是很理想, 因此, 从实际应用角度考虑, 特提出以下几点供参考。 (1) 进一步改善GPS接收机的抗干扰技术及数据处理软件。 (2) 为高层建筑物的设计提供科学依据, 将高层建筑物的动态变形监测与其结构设计结合起来。 (3) 为更好地反映高层建筑物动态变形的细节, 应尽可能采用具有高采样频率的GPS接收机。 (4) 误差在高层建筑物的动态变形监测中较为明显, 研究减小多路径误差的方法和措施。 (5) 除在高层建筑物的顶部安置GPS接收机外, 至少应设置两个GPS固定站 (或基准站) , 它可以提高GPS观测结果的精度和可靠性。

高层仿古塔悬挑构件的风荷载计算 篇2

关键词：风荷载,高层建筑,水平位移

1 工程背景

该塔的各类建筑高度:±0.000以上14层, ±0.000以下2层, 建筑结构总高度为94.67 m。±0.000以下为地下室, 地下室1层、2层层高均为6.750 m, 其中1层地下室为半地下室。地面以上楼层层高见表1。

2 风荷载计算

2.1 风荷载相关系数取值

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该结构体型较为复杂, 为了确定该结构的风荷载体型系数, 计算中参照荷载规范和现有国内对类似体型的塔的风荷载体型系数的研究成果, 由《建筑结构荷载规范》对有关坡屋面的体型系数的取值, 对于明层按照μs=1.3考虑, 暗层即挑檐层按照μs=2.0考虑, 规范中坡屋面的风载体型系数μs随坡度变化。

根据JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程第4.2.2条、JGJ 99—98高层民用建筑钢结构技术规程第4.2.2条对于风荷载较为敏感的高层建筑对其基本风压应乘以1.1倍的放大系数 (0.385 k N/m2) 。组合结构的阻尼比取0.04, 该塔的第1阶自振频率为0.542 9 (1/s) , 其余取值根据规范确定。其中脉动风荷载水平方向相关系数为:

取值根据该塔各层建筑宽度取值;各层风压高度变化系数μz和振型系数1 (z) 根据规范表格采用内插取得, 脉动风荷载背景分量因子为:

风荷载施加到该塔各层处风振系数:

其中峰值因子g=0.2;I10=0.14 (对于B类地面粗糙度) , 脉动风荷载共振分量因子为:

脉动风荷载竖直方向相关系数为:

2.2 风荷载标准值计算

根据上述计算和分析得到的风振系数、风压高度变化系数、风载体型系数和标准风压进行风荷载的计算。计算各明层和暗层的风荷载标准值为:

风荷载标准值计算结果见表2。

2.3 风荷载作用下的最大位移值

《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定高层建筑物应当具有足够的刚度, 以避免结构产生过大的变形而影响结构本身的安全。本次计算主要对在X (Y) 方向风荷载+恒荷载+活荷载作用下该结构侧向变形, 得出了该结构在两种工况下各标高处的最大位移值, 见表3。

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3 结语

1) 风荷载对高层建筑物中悬挑结构的水平方向位移影响较大。

2) 根据JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程第3.7.2条的规定, 在弹性方法计算的风荷载标准值作用下的楼层层间最大水平位移在风荷载作用下均满足规范要求。

参考文献

[1]GB 50009—2012, 建筑结构荷载规范[S].

[2]JGJ 3—2010, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

高层建筑风荷载反演 篇3

现代高层建筑, 由于材料与设计理念的创新, 施工技术的进步, 正朝越来越高、越来越柔的方向发展, 伴随而来的是结构基本自振周期变长、自身阻尼变小, 结构风敏感性也变大, 风荷载成为高层建筑设计控制荷载之一。

某高层建筑位于台风多发区的广州市, 该建筑共63层, 其中地面以上58层, 屋顶标高为256.9 m, 建筑平面呈正方形, 尺寸为48.00 m×48.00 m, 最大高宽比为5.20。由于本建筑位置周边500 m内存在着多栋已建或待建的超高层建筑, 该楼在强风作用下的风效应比较复杂。为了确保该楼建成使用后的抗风安全性, 在结构初始设计阶段, 首先在广东省建筑科学研究院进行了风洞试验[5], 评估了结构所受的风力作用。后来由于该高层周边建筑物的调整、流场的改变, 又在湖南大学风洞试验室进行了动态同步测压风洞试验以获取更加可靠、更为全面的结构风荷载及风致振动响应。

本文以空气动力学及结构动力可靠度[2,3]为基础, 结合湖南大学风洞试验数据[6]分析了该典型高层建筑的基础等效风荷载及结构顶部加速度响应, 同时与广东省建筑科学研究院 (简称广东省建科院) 的试验结果进行了对比, 获得了一些有意义的结论。

1试验简介

该建筑结构模型风洞试验在湖南大学风工程试验研究中心的HD-2号大气边界层风洞试验室进行。

本次风洞试验大气边界层是基于GB 50009-2001建筑结构荷载规范[3]中规定的C类地貌所对应的风场, 地貌粗糙度系数 (指数律) α=0.22。试验时, 利用挡板、尖塔等模拟装置形成规定的风剖面 (见图1) 。

试验模型是用ABS板制成的刚体模型, 具有足够的强度和刚度。模型与实物在外形上保持几何相似, 缩尺比为1∶300, 高度约为83.6 cm, 周边环境模型比例也为1∶300, 如图2所示。在幕墙表面共设有438个风压孔, 试验进行24个风向 (0°～360°, 间隔15°) 的结构表面风压的测量。试验时, 对每个测点, 采样时间为60 s, 采样频率为325 Hz。试验风向按24个罗盘方向设置, 定义风向与北向的夹角 (风向角) β=0°, 风向角示意图如图3所示。

2试验结果分析

本文基于湖南大学多点同步测压数据[6]计算了该高层建筑的基础等效静力风荷载 (100年重现期) 和结构顶部峰值加速度响应 (10年重现期) , 并与广东省建科院[5]试验结果以及现行规范计算结果进行了对比, 评估了该典型高层建筑的风荷载特性及居住者舒适度问题。本文中结构等效风荷载计算阻尼比取5%, 峰值加速度响应计算时对应的阻尼比为2%。

2.1 基础等效静力风荷载

图4给出了基于湖南大学风洞试验数据[6]获得的基础等效静风荷载 (100年重现期) 随风向的变化关系。由图4可见, 由于该高层建筑不同来流方向地面粗糙条件存在较大的差异性, 建筑周边风场异常复杂, 两个方向的基底剪力与基底弯矩随风向变化明显。其中Fx (包括My) 较大值主要集中在风向角为60°和255°附近, Fy (包括Mx) 的较大值出现在45°和300°附近。

表1列出了两次风洞试验[5,6]条件下各风向最大的基础等效静风荷载, 作为对比, 表中同时给出了基于现行规范的等效风荷载计算结果。由表中分析结果可知, 文献[5] (广东省建科院) 获得的等效静力风荷载均大于文献[6] (湖南大学) 的相应结果, 与文献[6]相比, 两个方向的基底等效静力弯矩 (Mx和My) 分别约大13.4%和18.4%。究其原因有:1) 风洞试验的正常试验误差。风洞试验本身存在着一定的误差, 即使针对同一个建筑物在相同的条件下分别进行试验, 获得的结果都可能存在着差异性;2) 不同风洞试验条件的影响。文献[5] (广东省建科院) 和文献[6] (湖南大学) 的试验是在两个完全不同的边界层风洞中进行的, 风洞试验条件的不同可能会对风荷载评估结果有一定影响。尽管两次风洞试验结果存在着一定的差别, 但都远远大于基于规范的相应计算结果。这表明由于周边建筑的存在, 风力相互干扰的群体效应较大, 这一影响在结构设计阶段应予以重视。

2.2 结构顶部峰值加速度响应

结构顶部峰值加速度响应是当前判断居住者舒适度的主要指标之一。图5给出了文献[6] (湖南大学) 关于x向与y向结构顶部峰值加速度随风向角变化曲线。由图可见, 结构顶部加速度随风向变化明显, 这再次证明了该高层建筑周边风场的复杂性。同时还发现横风向的顶层加速度峰值要大于顺风向的相应分析结果, 这说明该结构横风向涡激振动效应比较明显。

表2列出了两次风洞试验得到全风向结构顶部峰值加速度响应的最大值。由计算结果可知, 文献[6]的加速度值均小于与文献[6] (广东省建科院) 的试验结果。但二者的最大加速度都小于规范限值。这说明该结构满足我国规范关于办公、旅馆的人体舒适度要求。

3结语

本文以某典型高层建筑风洞试验结果为基础, 分析了基础等效风荷载及结构顶部峰值加速度响应, 并与前期本项目的风洞试验结果[5]相对比, 获得以下几点结论:

1) 由于该高层建筑周边存在着大量的已建或待建建筑, 从而导致不同来流方向地面粗糙条件存在较大的差异性, 两个方向的基底剪力与基底弯矩随风向变化明显。2) 两次风洞试验的风力评估结果存在着一定的差异性, 但均大于基于规范的计算数值。这表明由于周边建筑的存在, 风力相互干扰的群体效应较大。3) 试验表明横风向的顶层加速度峰值要大于顺风向的相应分析结果, 这意味着该结构横风向涡激振动效应比较明显。4) 两次风洞试验获得的全风向最大顶部峰值加速度均小于规范限值, 表明该结构满足我国规范人体舒适度的要求。

摘要：基于某典型高层建筑详细的风洞试验结果, 计算分析了该结构的基础等效静风荷载及结构顶部峰值加速度响应, 与前期的风洞试验结果相对比, 评估了不同风洞试验条件和周边建筑对试验结果的影响, 获得的结果可以用于此结构的抗风设计以及居住者舒适度评估。

关键词：高层建筑,风洞试验,等效静风荷载,风振响应

参考文献

[1]GB 50009-2001, 建筑结构荷载规范[S].

[2]埃米尔.希缪, 罗伯特.H.斯坎伦.风对结构的作用——风工程导论[M].刘尚培, 项海帆, 译.上海:同济大学出版社, 1992.

[3]李桂青, 李秋胜.工程结构时变可靠度理论及其应用[M].北京:科学出版社, 2001.

[4]JGJ 3-2002, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5]广州市珠江新城B2-7地块风洞试验和风振分析报告[R].广东省建筑科学研究院风洞试验室, 2007.

高层建筑风荷载反演 篇4

关键词：高层建筑结构,脉动风压,结构振动

0引言

高层建筑上作用的水平荷载包括风荷载和水平地震作用。风的作用是不规则的,风压随着风速、风向的紊乱变化而不断的变化。风荷载是随时间波动的动力荷载,对高度大且较柔的高层建筑,必须考虑其动力效应影响[1]。对高层建筑而言,动力荷载是引起结构毁灭性破坏的主要原因,因此,在高层建筑结构设计和安全性评价时,进行结构的动力反应分析是非常必要的。为简化起见,某些结构设计规范或结构动力反应分析中的抗风分析采用一些拟静力计算方法[2],如风压采用等效静力形式,但仍必须进行结构的动力分析。

对于高层和超高层建筑的风振动力反应主要有以下3方面的考虑:

1)由风振产生的惯性力在结构中引起附加应力;

2)建筑结构振动加速度会使生活和工作在其中的人产生不舒适感[3];

3)由于风振反应发生的频度较高,有可能使结构产生疲劳效应[2]。

文中通过介绍我国高层建筑结构风荷载设计方法、风荷载的作用形式及由风荷载引起的结构振动,详细论述了结构在顺风向、横风向脉动风荷载作用下和二者共同作用下产生的扭转作用的处理过程和引起结构振动反应分析的最新研究。

1风荷载在高层建筑结构上的作用

风的作用是不规则的,通常把风速的平均值看成稳定风速或平均风速,使建筑物产生静侧移;实际风速在平均值附近波动,风压也在平均风压附近波动,称为波动风压,因此实际上建筑物在平均侧移附近摇摆,见图1[1]。

来风在建筑物周围形成湍流风场,引起建筑物一定幅度平面内弯曲振动的同时也产生其他形式的振动,见图2[4]。

在来风的风压脉动等因素的影响下,高层建筑结构会诱发风致振动。脉动风压是由于大气的湍流运动形成的动荷载。建筑物周围脉动风压作用见图3[4]。

2高层建筑结构风荷载的确定方法

我国《建筑结构荷载规范》规定,对多数高层建筑按垂直作用于建筑物表面单位面积上的风荷载标准值确定风荷载。《混凝土高规》规定有下列情况之一的建筑物,宜按风洞试验确定风荷载[1]:

1)高度大于200 m,且平面形状不规则、立面形状复杂,或立面开洞、连体建筑等;

2)规范或规程中没有给出风荷载体型系数的建筑物;

3)周围地形和环境复杂,邻近有高层建筑时,宜考虑相互干扰的群体效应,可将单个建筑物的体型系数乘以相互干扰增大系数,缺乏该系数时宜通过风洞试验得出。

3高层建筑结构风振反应计算

作用在高层建筑与高耸结构上的脉动风荷载分为横向与顺向两种类型,分别由横风力和顺风力引起,在风振反应分析中采用的方法不同。

目前国内外对高层建筑结构风振问题的简化方法基本上是一致的,都是将高层与超高层建筑简化为等效悬臂梁,采用广义坐标法解决这一问题。

1)横风向脉动风荷载作用的计算。

横风向脉动风荷载是一种动力荷载,由于空气的粘性和流速,在结构的尾部会产生流体旋涡脱落。它的产生与结构的截面形状和雷诺数有关[5]。不同的雷诺数范围,会出现不同形式的流体旋涡脱落和结构的风致振动。一般认为由横风向脉动风荷载引起的横风向振动有涡激振动、涡激随机振动、湍流、驰振、颤振、抖振等几种形式。在高层建筑结构中,主要出现前三种形式的振动。

对于横风向荷载,我国的设计规范只对烟囱、电视塔等高柔构筑物有相应的规定,而对高层建筑结构还没有考虑其影响,但是相关的研究已经受到重视。目前解决的方法一般是采用风洞试验与原型观测,风洞试验主要采用高频测力天平、气动弹性模型和刚性模型多点测压风洞试验来分析、建立高层建筑横风向动力风荷载和风振反应求解方法。最新研究得到的横向脉动风压互谱密度函数如下:

$S{}_{(2+3)}{p}^{\prime }{}_i{p}^{\prime }{}_j(x{}_i,x{}_j,z{}_i,z{}_j‚\omega )=\frac{2\text{π}q{}_{{\rm H}}^2{C}^{\prime }{}_L^{2}B{}^2{\rm H}{}^{2}F{}_L(\omega )\text{c}\text{o}\text{h}(r,\omega )}{\omega {\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}{\displaystyle {\int }_0^{{\rm H}}{\displaystyle {\int }_0^D{\displaystyle {\int }_0^D\Phi }}}}{}_1({\rm Z}{}_1)\Phi {}_2({\rm Z}{}_2)\left[\frac{{\rm Z}{}_1}{{\rm H}}\right]{}^{2\alpha }\left[\frac{{\rm Z}{}_2}{{\rm H}}\right]{}^{2\alpha }\text{c}\text{o}\text{h}(r,\omega )\text{d}x{}_1\text{d}x{}_2\text{d}z{}_1\text{d}z{}_2}\left[\frac{{\rm Z}{}_i}{{\rm H}}\right]{}^{2\alpha }\left[\frac{{\rm Z}{}_j}{{\rm H}}\right]{}^{2\alpha }$。

其中,各参数含义详见文献[5]。

2)顺风向脉动风荷载作用的计算。

根据脉动风压与脉动风速之间的关系,距地面z高度处顺风向点脉动风压互谱密度函数的计算公式如下:

$S{}_p(n,z)=\rho {}^2\mu {}_s^2\overline{U}{}^2(z)S{}_v(n,z)$。

其中,各参数含义详见文献[5]。

3)二者联合作用下的扭转振动计算。

由于作用在建筑物外表面上的风荷载不是同步达到最大或最小值,所以其合力存在着偏心矩。因此从理论上说单一的顺风向脉动风压或横风向脉动风压都会引起结构的扭转振动,二者联合作用产生扭转振动更是理所当然。

a.高层建筑扭转振动运动方程。

根据结构动力学理论,并采用振型分解法,同时利用主振型的正交性进行处理后得到扭转振动方程如下式,式中各参数含义详见文献[4]。此式是不考虑建筑物的质心、刚心、几何形心偏心及平扭耦合振动的影响,而只考虑脉动风压对结构风振扭转的影响,且将悬臂梁看成是均匀截面。

$\ddot{\eta }{}_j(t)+2\xi {}_j\dot{\eta }{}_j(t)+w{}_j^2\eta {}_j(t)={\rm M}{}_j$。

b.脉动风压扭转力矩。

如图4所示,矩形建筑的迎风面宽度是B,顺风向的深度是D。在如图4所示的坐标系下,力对转动中心(轴) 的合力矩为:

$\begin{array}{l}{\rm M}{}_0(t)\text{d}z={\displaystyle \oint p^{\prime }}(x,y,z,t)r{}_L\text{d}l\text{d}z\\ ={\displaystyle {\int }_0^B(}y-\frac{B}{2})p^{\prime }{}_1(0,y,z,t)\text{d}y\text{d}z+{\displaystyle {\int }_0^D(}x-\frac{D}{2})p^{\prime }{}_2(x,0,z,t)\text{d}x\text{d}z+{\displaystyle {\int }_0^D(}x-\frac{D}{2})p^{\prime }{}_3(x,B,z,t)\text{d}x\text{d}z+{\displaystyle {\int }_0^B(}y-\frac{B}{2})p^{\prime }{}_4(D,y,z,t)\text{d}y\text{d}z。\end{array}$

4算例分析

某高层钢结构办公楼,高度68 m,宽度48 m,长度35.7 m,单位容积重0.18 t/m3,单位长度质量308.45 t/m,自振频率0.604 Hz,阻尼比0.007 4,地面粗糙度指数(B类)0.16。

为了便于分析比较,设该建筑物基阶振型近似按直线分布,并取10 m高处的来风速度,用Newmark法计算建筑物的扭转风振反应时程。

计算结果见表1。

5结语

1)风对高层建筑结构的作用形式复杂多变,且极其不规则。目前,风对结构的静力作用研究基本上已经成熟,但对高柔结构考虑风的动力效应的研究还是初级阶段,研究方法主要是风洞试验和湍流风场。

2)风荷载对建筑物的作用是紊乱的。目前,只对一些特大型结构和重要的建筑物进行风洞试验,但风洞试验成本较高,试验复杂。因此,风荷载对高层建筑结构的简化计算工作还需要进一步的研究。

3)目前,对高层建筑结构顺风向脉动风荷载研究的比较多,但对横向风荷载的研究还比较少,我国的设计规范只对烟囱、电视塔等高柔构筑物有相应的规定,在高层建筑设计规范中尚未涉及横风向的风振影响和扭转风振反应。因此对高层建筑结构的横风向的风振影响和扭转风振的研究还有很长的路要走。

参考文献

[1]方鄂华.高层建筑结构设计[M].北京:中国建工出版社,2003.

[2]王光远.建筑结构的振动[M].北京:科学出版社,1978.

[3]T.Ohkum,H.Marukawa.Full scale measurement of wind pres-sure and response acceleration of a high building[J].Wind En-gineering and Industry Aerodynamics,1991(3):31-33.

[4]葛楠,侯爱波,周锡元.矩形高层建筑结构扭转风振反应时程的分析计算[J].建筑科学,2007,23(5):30-31.

[5]黄本才.结构抗风分析原理及应用[M].上海:同济大学出版社,2001.

[6]木建强.高层建筑结构的振动控制[J].山西建筑,2007,33(3):68-69.