高层建筑在风荷载作用下的相关研究.doc

高层建筑在强风作用下由于脉动风的影响将产生振动,这种振动有可能使在高层建筑内生活或工作的人在心理上产生不舒适的感觉,从而影响建筑物的正常使用"由于风是一种经常性的荷载作用,因此有必要将风引起的高层建筑的振动限制在人体舒适的感觉范围之内"重现期的选择也最大风速样本的取法影响着平均风速的数值"如果以口最大风速为样本,则一年有365个样本,平时低风速的口子的风速值占有很大的权,而最大风速那一天的风速只占1/365的权,因而最大风速重要性大大降低了,统计出的平均风速必将大大偏低"如果采用月最大风速,则每年最大风速在整个数列中也只占1/12的权,也降低了最大风速所起的重要性,所得结果也是偏低的"对十工程结构应该能承受一年中任何口子的极大风速,因此取年最大风速为样本"最大风速有它的自然周期,每年季节性地重复一次,因而采用年最大风速作为一个样本,较为合适"世界各国基本上是取年最大风速作为统计样本的"

平均风的时距
平均风速的数值与时距的取值有很大的关系"如果时距取得很短,例如3秒钟,
则必定将记录中最大值附近的较大数据都突出反映在计算中,较低风速在平均风速中的作用难以得到反映,因而平均风速值很高"如果取得很长,例如1天,则必定将1天中大量的小风平均进去,较高风速在该长时距中起不到显著作用,其值一般偏低"一般来说,时距愈短,平均风速愈大,时距愈长,平均风速也就愈小"风速记录表明,阵风的卓越周期约为1min,通常认为10min(约10个周期)至1小时(约60个周期,由于阵风有较长的持续性,衰减较慢)其平均值基本上是一个稳定值,因而我国规范规定以10分钟作为取值标准"一般我们所研究的对象不会出现异常风的气候,称为良态气候"对十这种气候,我们可以认为年最大风速的每一个数据都对极值的概率特性起作用,因此,世界上许多国家把年最大风速作为概率统计的样本,由重现期和风速的概率分布获得该地区的设计最大风速,或者称为基本风速"我国规定基本风速采用极值I型概率分布函数进行统计分析"对于多层建筑和高层建筑的风致响应问题,连续体系,采用随机振动理论进行分析。
从结构工程师的角度来看,获取设计风荷载信息的最有效途径就是风荷载规范"在过去的规范制定过程中,尽管表达形式有所不同,但其基本依据均为Davenport提出的阵风荷载因子方法"如前所述,这类方法只适用于顺风向响应及等效风荷载的计算,因此,随着风工程的不断发展,世界上各个主要国家的风荷载规范都开始发展(在初步设计阶段)估算横风向和扭转方向动态响应的经验公式"在目前应用的规范中,只有日本规范包含顺横风向和扭转方向响应的内容;澳大利业规范!加拿大规范则只有顺风向和横风向响应。
美国和欧洲规范只考虑了顺风向响应的计算方法;中国规范则对圆截面高耸结构横风向响应的验算范围做了规定,并给出了简化的横风向等效风荷载表达式"在过去十年中,各国规范基本没有大的变化,因此相关的研究工作主要集中十对现行规范的认识和解释上"在目前的各国规范中,一般都有考虑地形和地貌粗糙度的参数,且地貌通常分为3到5类"所有规范均以平坦地貌的10米高度作为参考高度,但各个规范使用的时距则有所不同:英国和加拿大用小时平均;150标准!欧洲规范!中国规范和日本规范都采用10分钟平均;美国规范则用3秒阵风;澳大利业也是采用3秒阵风,但在澳大利业规范中,将3秒阵风转换成了小时平均风速用十动态压力和阵风因子的计算[#5]"此外,除澳大利亚规范外,其他各国规范在考虑风荷载时,通常忽略了二次项的影响"各国风荷载规范均只适用于线弹性!形状规则的结构,且未考虑不同方向振型的藕合,对于一些重要或体型特别的结构,各规范均明确指出应通过风洞试验来确定结构风荷载和风致效应根据相似性原理的原则,在模拟大气边界层流场的风洞中进行刚性测压试验,获得建筑物各测点处在不同风向角作用下的风压系数"其次采用高频动态天平技术进行测力试验,测出基底气动力系数,接着计算出各层等效风荷载,与顶层最大加速度值"然后利用MATLAB数据处理软件,将风压时程转换为风荷载时程"再而使用大型有限元软件,建立有限元模型并计算等效风荷载作用下的位移响应和进行时程分析动力响应分析"最后通过比较试验结果和软件计算结果,综合的对结构的位移和舒适度进行评价分析

针对较大的风致响应，超高层风振控制方法主要有机械控制和流动控制。其中，机械控制是从结构角度入手通过增大结构阻尼或适当增加结构质量来降低高层建筑的风振响应，包括主动控制、被动控制和混合控制。流动控制是从流场角度入手，利用流体之间的相互作用对建筑结构边界层分离和旋涡的形成及运动进行控制，从而改善结构绕流场，降低建筑结构的风荷载，提高其抗风能力。流动控制一般可以分为两大类：被动控制方式和主动控制方式。被动方式主要通过改变建筑结构的外形，如截面形状或添加辅助结构等来改善流场结构进而实现优化物体绕流的目的。主动流动控制方式需要以外界供能的方式，在流动环境中注入合理的扰动，从而改善结构绕流场特性进而降低结构气动力。一直以来，被动流动控制被认为是最经济的方式，然而被动流动控制方式依然存在许多缺点，例如控制效果尚不容易令人满意,控制效果仅在有限的范围内良好，倘若现实状态和所设计得控制状态有出入时，有控制状态甚至不如无控制状态。主动流动控制方式需要外部供能，对物体绕流流场控制具有控制目标针对性更强，综合控制效果好等优点。

2000 年，顾明等通过刚性模型风洞实验得到了不同横截面形状的超高层
建筑模型的顺风向和横风向风荷载，试验表明：方形截面的脉动气动力最大，
而凹角、削角和三角形截面的模型气动力都比较小，尤其是三角形截面模型的
风荷载最小。2003 年，李椿萱等采用数值计算方法探索了在圆柱尾流区域
布置小圆柱的方位、个数、直径以及雷诺数变化等对圆柱绕流场的影响，发现
当小雷诺数且小圆柱布置在一定控制方位时，涡街可以被完全控制住并且与圆
柱个数无关，流场表现为准定常状态，并伴随着阻力系数的下降，随着雷诺数
的增大，控制效果最好布置区域越小，圆柱尺寸对于流场也有一定影响，此外，
两个小圆柱和一个相比能将控制涡脱的雷诺数范围扩大。

2004 年，秦云通过刚性模型风洞测压试验和数值计算方法探讨对超高层建筑模型开洞率、布置位置和开洞形状对其等效静风荷载的影响，通过分析得到：开洞率越大建筑模型所受风载面积越小对于抗超高层模型风能力的提高就越明显，在受风比较大的位置开洞更有利于减小建筑风荷载。2006 年，邵传平等研究了在圆柱尾流设置小窄条对圆柱气动力的控制效果，发现将小窄条置于尾流某个区域内时，可以明显抑制圆柱尾流的涡脱，显著降低尾流的湍流度，最后给出了不同雷诺数下有效抑制旋涡脱落的窄条位置区域。2009 年，徐枫利用 CFD 手段对二维静止刚性方柱和弹性方柱尾流中注入角动量进行控制，探讨了不同方式输入角动量与不同大小的输入角动量的控制效果，并从流场角度进行分析验证了这种主动控制方法的有效性。吸气是一种有效的主动流动控制手段，最早的研究是在航空领域，学者们利用吸气方法对机翼进行减阻增升，获得了较好的效果。2008 年，辛大波等首先将吸气方法引入到土木工程领域，采用定常吸气的方式有效地抑制了桥梁主梁断面边界层的分离，改善桥梁主梁的颤振稳定性。之后，郑朝荣等采用数值模拟的方法探讨了在均匀吸气时后台阶和高层建筑的绕流场特性，验证了定常吸气的控制效果。
直接建模方法就是在建模时直接定义每个节点的位置以及每个单元的大小形状和连通性来创建模型，直接建模的方法适用于较为简单的有规则几何结构的小模型,如果形状复杂则需要处理大量的坐标数据"在实际工作中,线性单元如杆!梁和平面单元的建模可以采用这种方法,对于多种单元的组合体则要三种方法综合考虑"但对于要从现有的模型数据库中提取有限元模型,直接建模法却必不可少。
结构表面风荷载