高层建筑结构抗风设计综述.doc

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1、高层钢结构设计作业1高层建筑结构抗风设计理论综述与外形气动优化设计方法介绍[摘要]本文首先综述了目前现有的风荷载计算方法，包括平均风荷载、顺风向的静动力风荷载，并着重介绍了横风向风荷载的作用机理、研究方法与计算理论。并针对高层建筑横风向风振问题介绍了关于几种气动优化设计方法的研究。[关键词]风荷载；横风向风振；气动优化设计1平均风荷载风速观测记录表明风速由两部分组成：第一部分是长周期部分，其周期一般都在10min以上，另一部分是短周期部分，通常被称为脉动风，其周期常常只有几秒或者几十秒。一般情况下，第一部分的周期远离结构物的自振周期，其作用属于静力性质，而第二部分则与结构物的自振周期较为接近

2、，因此设计结构动力学的知识，且属于随机的动荷载。在工程实际应用中，通常将风荷载考虑为静力风与动力风的共同作用。本节主要综述静力风的计算方法，动力风会在下节中提到。1.1基本风速基本风速的确定涉及到以下的几个标准：1）标准地面粗糙度类别：因为近地风在遇到障碍物的时候风速会减小，其减小的程度与障碍物的尺度、密集度和几何布置有密切的联系。我国规范规定标准地面粗糙度类别为比较空旷平坦的地面，如田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区。2）标准高度：由于风速随着高度的变化而变化，我国规定离地10m高为标准高度。由此可见，气象站的风速仪应该放置于空旷平坦的地面且离地10m处来测量风速。3）

3、标准重现期：重现期为T的基本风速，则在一年中只超越该风速一次的概率为1/T。我国规定基本风速的重现期为50年，那么超越概率为1/T=1/50=0.02。因此，不超过该基本风速的概率（即保证率）为由此可见，重现期50年的保证率为。4）平均风的时距：我国规定平均分的时距为10min。20高层钢结构设计作业11）概率分布类型：一般地，我们研究的对象不会出现异常风的气候，称为良态气候。对于这种气候，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，或称为基本风速。我国规定基本风速采用极值I

4、型概率分布函数进行统计分析。1.1基本风压由伯努利方程可得风速与风压之间的关系式：式中的为空气容重，为重力加速度。因此基本风压以当地比较空旷平坦的地面上离地10m高处统计所得的50年一遇的10min平均最大风速为标准，按确定的。基本风压值不得小于。1.2平均风荷载垂直于建筑物表面上的平均风荷载标准值应该按照下式计算：式中，为平均风荷载标准值，为风荷载体型系数，为风压高度变化系数，为基本风压。2结构顺风向的静动力风荷载2.1顺风向的静动力风荷载顺风向的风速由两部分组成，t时刻的风速可写作式中，为z高度处的平均风速，为z高度处的脉动风速。由此可得，t时刻z高度处的风压为20高层钢结构设计作业1式

5、中，表示z高度处的平均风压，表示z高度处的脉动风压。由于脉动风速远小于平均风速，可忽略项。因此，对于平均风压可用前面所述的计算方法计算。对于脉动风压，其作用在结构物上时，同样也与结构物的形状有关，需要考虑体型系数。这时，作用在结构物某面上z高度处的脉动风压为作用于结构物上的脉动风荷载，对结构产生的动力响应与结构物本身的动力特性有关。当结构的刚度很大时，脉动风引起的结构风振惯性力则不明显，可略去，但需考虑脉动风的瞬时阵风荷载。当结构刚度较小时（柔性结构），除静力荷载外，还应该计算风振惯性力的大小，即风振动力荷载。如果风振动力荷载用表示，则柔性结构的总风荷载表达如下：在工程实际应用中，人们最关心

6、的是用于设计的总风荷载是否是能够保证结构安全的最大值。而脉动风是一种随机动力作用，应以概率理论为基础进行分析。因此，作用于柔性结构上的风振动力荷载应该具有某一保证率下的最大值，在工程中常用等效静力风荷载来表达。这时，上式可以改写成式中，是具有某一保证率的总风荷载，是具有某一保证率的风振动力风荷载（静力等效风荷载）。在工程实际中常用集中风荷载，此时上式为1.1顺风向风振位移响应如图所示，在风垂直迎风面上l点和k点的坐标为（x,z）和（x’,z’），则这两点的脉动风压为(2-2)(2-1)20高层钢结构设计作业1图1迎风面上两点的脉动风压示意图1.1.1运动方程由随机振动的振型分解法，任意高度z

7、处的水平动位移可表示为(2-3)假设振型对质量分布和刚度分布正交，阻尼项采用瑞雷阻尼，可得第j振型的运动方程：(2-4)式中，广义脉动风荷载为(2-5)(a)其中为建筑物第j振型的广义质量，表达式如下(2-6)2.2.2位移响应根方差由随机振动理论，在频域内求位移根方差需要先输出位移谱密度。而位移谱密度则由输入的脉动风力谱密度得到。首先，由维纳-辛钦关系式，第j振型和第i振型广义力互谱密度由其互相关函数20高