大型复杂建筑结构风致效应及等效静力风荷载研究

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1、大型复杂建筑结构风致效应及等效静力风荷载研究第1章绪论1.1大型复杂建筑结构发展概述及风致效应研究意义随着现代社会经济、技术的快速发展，各类建筑结构如雨后春务般地出现在世界各地。现代建筑不仅要满足基本的安全性和使用性要求，其在建筑外观上还往往需要具有突出的艺术美感和鲜明的代表性。建筑材料、结构体系及施工工艺的快速发展使得各类大体量复杂外型建筑结构的设计和施工得以实现。根据大型建筑结构在发展维度上的区别可以将其简单的划分为超高层建筑结构体系和大跨度屋盖结构体系两大类。由于结构体系及建筑选材等因素影响使得该两类建筑结构往往具有质量轻、柔性大、阻尼小等特点，其自振频率的低频特性使

2、得在随机脉动风荷载作用下易激发出明显的共振响应，并使风荷载成为了主要的设计控制荷载。1.1.1复杂体型超高层建筑结构的发展现状自二十一世纪以来，世界第一高楼不断被刷新，代表性超高层建筑结构的建造不仅能够反映出一个国家或地区的经济、技术发展水平，甚至能从一定程度上体现出政治需求。图1-1给出了当今世界前8大超高层建筑结构，其中从左到右分别为阿联酋迪拜哈利法塔（2010），美国纽约世界贸易中心一号大楼自由塔（2013），美国芝加哥西尔斯大厦（1974），中国台北环球金融中心（2004），中国上海环球金融中心（2008），中国香港国际金融中心（2003），马来西亚吉隆坡石油双塔（

3、1998）；美国纽约帝国大厦（1931）。其中现今世界第一高楼为阿联酋迪拜的哈利法塔，其高度达到了828m，为162层综合用途办公楼，该建筑由世界著名设计结构一SOM建筑设计事务所负责设计，历时6年并于2010年1月4日竣工。哈利法塔作为世界磨天大楼的突出代表，集中展现了21世纪中东经济发展热门地区一海湾地区的成功和活力。从世界前几大超高层建筑结构的地区分布和竣工时间可以看到，除了以美国为代表的发达国家外，自二十一世纪以来，以中国为代表的发展中国家及地区超高层建筑结构也快速发展。这一方面是由于随着经济社会的发展，城市化进程的快速推进使得城市人口急速增加，土地供应紧张，发展超

4、高层建筑结构成为了拓展生存空间，解决供需矛盾的有效方法之一另一方面，不容否认，中国各地区代表性超高层建筑的拔地而起也与当地政府的形象工程有着密切联系。1.2超高层建筑结构抗风研究进展1.2.1超高层建筑结构风荷载研究现状作用于超高层建筑结构上的三维风荷载根据作用方向及机理可以简单的划分为顺风向风荷载、横风向风荷载及扭转向风荷载。对于具有规则外型的单体超高层建筑结构，其顺风向风荷载基本符合准定常假定，功率谱密度曲线随频率的分布与来流风速的脉动特性具有一定的一致性.一般认为作用于超高层建筑结构上的横风向风荷载则主要由顺风向瑞流、横风向满流以及尾流激励产生，其中尾流激励是其中最为

5、主要的因素。所谓的尾流激励机制及分离流中的游祸形成和脫落机制则与建筑横截面形状密切相关。对横风向激励的研究方法经历了从气弹模型到高频动态测力天平再到刚性模型同步测压试验的发展过程。由气弹模型加速度反演横风向气动力谱的方法由于气动阻尼的影响，使得其只能适用于相应风场风速条件下具有特定刚度的建筑结构，。在振型线性假定的基础上，高频动态测力天平可以建立起一阶广义气动力和基底弯矩之间的对应关系，但无法得到建筑结构不同高度处的风荷载空间分布情况。现阶段，随着测量设备的不断发展进步，刚性模型同步测压试验成为了研究风对结构作用及其分布规律的主要方法和手段。横风向风荷载及其功率谱特性受流场

6、的紊流度、建筑高宽比、断面厚宽比、截面形状等多个参数的影响。。整体而言，对于典型的矩形截面，建筑截面顺风向厚度与迎风宽度的比值关系即断面厚宽比是影响横风向风荷载功率谱分布特性最为重要的因素。当建筑截面长边迎风，断面厚宽比较小时，横风向风荷载功率谱曲线由于游祸脱落而存在一个明显的峰值，峰值所对应的无量纲频率即数；当建筑截面短边迎风时，荷载谱的带宽增大，峰值降低，并可能导致尾流在截面侧边再次附着从而在高频区出现第二个峰值，而两个谱峰间的能量分配则与风场的瑞流度、结构的高宽比以及截面厚宽比等因素有关，当瑞流度、高宽比增加，截面厚宽比减小时，横风向风荷载功率谱中的初级峰值增加而次级

7、峰值降低。结构在相应风速和截面尺寸下的数是影响游祸脱落特性的核心因素，也是横风向风荷载功率谱曲线拟合过程中的重要参数，其取值与断面厚宽比密切相关二。第2章单体及群体超高层建筑结构三维风荷载研究随着城市建筑的快速发展，造就了许多具有独特外型的超高层建筑结构，而城市土地供应的紧缺则导致多塔楼建筑群体密布于国内外各大城市中，其中又以紧临道路线性一字排布的建筑群体为代表。于是，建筑结构外型的复杂性及周边建筑群体间相互干扰效应的存在使得对超高层建筑风荷载的研究从对规则、单体建筑顺风向风荷载的计算逐渐发展到复杂体型或多建筑体干