高层建筑风效用之数值模拟分析及等效静力风荷载核算

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1、高层建筑风效用之数值模拟分析及等效静力风荷载核算第一章绪论1.1高层建筑发展现状进入二十一世纪以来，伴随着社会的进步、城市建设和科学技术的发展，现代高层建筑在我国大、中型城市得到了迅速发展。特别是在沿海经济发达地区，高层建筑如雨后春笋。200米以上的高层建筑在国内已经相当普遍，而超过400米的超高层建筑也逐渐矗立在大中型城市，如上海的金茂大厦（高420米），环球金融中心（高492米）、广州国际经融中心（高432米）、深圳京基金融中心（高439米）、台北101大厦（高508米）以及在建的天津117大厦（高596米）等。国外的高层及超高层建筑在2

2、0世纪就已经有较大的发展，代表性的有纽约帝国大厦（高381米）、世贸中心双子大厦（高417米）、吉隆坡佩重纳斯大厦（高452米）以及目前阿联酋建成的高818米的迪拜大厦，此高度将高层建筑记录一次性提升了将近300米（见图1-1），发达国家甚至提出了千米高空中城市的概念。1.2高层建筑结构风效应基本概念1.2.1风的基本特性自然风是空气从高气压的地方向低气压的地方经流动而形成的。由于自然界本身的高度复杂性，自然风的随机性很强，一般采用数理统计的方法得到其统计规律。在离地表某一高度范围内，由于受到地表面摩阻力的影响，风速的平均值将随高度的增加而增

3、大，达到一定高度（300-600米）的时候，摩阻力的影响将逐渐消失，风速将趋近于常数，将此高度称为梯度风高度，该高度以下的范围则称为大气边界层。大部分工程结构都在大气边界层这一范围内，因而结构风工程通常关注的也只是这个范围内的自然风的基本特性。通过大量的风速实测记录可以看出：大气边界层中的风可分为长周期（一般在10min以上）的平均风（静力风）和短周期（几秒至几十秒）的脉动风（动力风）。其中平均风是定常的，而脉动风则反映大气边界层的紊流特征，可以通过零均值的具有各态历经性的平稳随机过程进行模拟。1.2.2风对高层建筑的作用强（台）风不仅可能造

4、成人民财产的巨大损失，同时也可能引起工程建筑结构的损坏和坍塌。于高层建筑而言，尽管到目前为止并没有发现（超）高层建筑在大风的作用下倒塌的事故，然而，强阵风荷载可能会引起高层建筑主要承重结构的超荷进而产生较大的塑性变形及损伤积累，同时也会造成栏杆及围护结构的严重破坏，从而影响结构的安全性。如1926年的一次飓风袭击，使美国佛罗里达州一座17层高大楼钢框架结构发生0.6m和0.8m的水平塑性变形，大楼围护结构受到严重破坏，整个结构发生剧烈摇晃[12]。1971年建成的高241m的美国波士顿约翰•汉考克大楼在1972年至1973年的大风作

5、用中，上百块玻璃开裂及严重损坏。2002年10月1日，日本21号台风造成茨城县10基高压输电塔连续倒塌的严重事故[13]。1.3高层建筑结构风工程研究方法结构风工程研究经过近几十年的发展，尤其是针对（超）高层建筑风效应研究方面，研究手段越来越成熟，归纳起来主要有以下四种：1、基于随机振动理论的理论分析方法，最终得到设计可用的等效静力风荷载；2、现场实测；3、边界层风洞试验；4、以流体动力学为基础的数值模拟计算方法计算风工程，分析得出工程师及设计者所需要的风压系数。本文主要进行第一和第四方面的工作。1.3.1理论分析脉动风通常被当作一种随机荷载

6、处理。因此，需要采用随机振动理论来分析风的特性。按照确定性结构系统属线性还是非线性划分，随机振动理论可分为线性随机振动理论和非线性随机振动理论。到目前为止，线性随机振动理论的发展已经相当成熟。一个线性系统受到随机荷载激励时，系统的响应（包括位移、速度、加速度和应力等）也将会是随机过程。线性随机振动理论的核心是：以随机激励的数值特征为出发点，利用结构系统的脉冲响应函数或者频率响应函数，通过计算分析得到结构随机响应的统计特征，如均值、方差、相关函数和功率谱密度等，在此基础上进一步得到结构的响应以及结构的等效静力风荷载。目前常用的线性随机振动计算方

7、法有：振型叠加法、传递矩阵法、虚拟激励法（PEM）。近年来，谢壮宁提出一种新的快速算法谐波激励法[15]也得到了较为广泛的应用。第二章CFD数值模拟理论基础2.1计算流体动力学及其控制方程计算风工程（C].上海:同济大学出版社,1998.[7]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.[8]KaimalJ.C.,et.al.Spectralcharacteristicsofsurfacelayerturbulence[J]J.RoyalMeteorol.Soc.,1972,98:563~589.[9]陆锋.大跨度平

8、屋面结构的风振响应和风振系数研究[D].浙江大学,2001.[10]黄本才.随高度变化的脉动风速谱及风振计算.力学与应用论文集,上海：同济大学出版社,1988.(责