超高层建筑风荷载数值模拟和空间风振分析
超高层建筑结构风振响应分析与抑制技术研究
超高层建筑结构风振响应分析与抑制技术研究超高层建筑是现代城市的标志性建筑之一，然而，随着建筑高度的增加，其在强风环境下存在严重的风振问题。
风振现象不仅会导致超高层建筑剧烈的摇摆，甚至可能引发结构破坏和安全隐患。
因此，研究超高层建筑结构风振响应分析与抑制技术具有重要的工程应用价值。
首先，针对超高层建筑结构风振问题的研究，需要进行风洞试验和数值模拟分析。
风洞试验可以通过模拟真实的风场环境，获取结构在风力作用下的响应。
通过风洞试验可以确定结构的风荷载分布及其对结构的力学性能的影响。
同时，数值模拟分析也是研究超高层建筑结构风振响应的重要手段。
基于ANSYS等有限元软件，可以对超高层建筑进行模拟，预测结构的风振响应。
其次，为了减小超高层建筑的风振响应，需采取有效的抑制技术。
目前，常用的抑制技术主要包括被动控制、主动控制和半主动控制。
被动控制技术是通过优化结构的刚度和阻尼特性，减小结构对风荷载的响应。
常见的被动控制技术包括质量调节、增加剪力墙等。
主动控制技术则是通过使用传感器和执行器，对结构进行实时监测和调节，以抑制结构的振动。
而半主动控制技术则是被动和主动控制的结合，兼具两者的优点。
在具体研究超高层建筑结构风振响应分析与抑制技术的过程中，需要考虑多方面的因素。
首先，要充分地了解超高层建筑的结构特点和风动力学特性。
超高层建筑的结构比较复杂，一般由钢结构和混凝土结构组成。
其风动力学特性则受到结构形态和风洞效应的影响。
因此，在进行风振响应分析时，需要综合考虑这些因素，并建立准确的数学模型。
此外，对于超高层建筑的风振响应抑制技术研究，还需考虑经济性和可行性。
抑制技术的实施会增加工程的投资成本，因此，需要权衡抑制效果与成本。
同时，超高层建筑已经建成，抑制技术的实施需要考虑施工的可行性和结构的可操作性。
因此，在研究过程中还需要充分考虑这些实际问题，并提出合理的解决方案。
总结而言，超高层建筑结构风振响应分析与抑制技术研究是一个复杂且具有挑战性的课题。
超高层建筑中的风载荷分析与结构优化
超高层建筑中的风载荷分析与结构优化随着城市发展和人口增长，超高层建筑在现代城市中扮演着举足轻重的角色。
然而，由于超高层建筑的高度和独特的设计，其面临的风载荷及其对结构的影响成为施工和安全的重要考虑因素。
因此，本文将对超高层建筑中的风载荷进行分析，并通过结构优化来提高其稳定性和安全性。
一、风载荷分析1. 风的作用原理风是大气层中空气流动的方式，其速度和方向的变化对超高层建筑的结构产生着重要的影响。
当风吹过建筑物时，会产生压力和吸力，称为静力效应。
此外，高层建筑还需要考虑到风的动力效应，即风速和结构共振引起的振动。
2. 风速分布与建筑尺度效应风速分布是超高层建筑风载荷分析的基础，其中建筑尺度效应被广泛关注。
建筑尺度效应指的是由于建筑物高度对风的流场结构产生的影响。
随着高度的增加，风速逐渐增加，并且在不同高度上可能存在较大的变化。
3. 风洞试验与数值模拟为了准确分析超高层建筑中的风载荷，风洞试验和数值模拟成为常用的研究方法。
风洞试验通过模拟真实风场，测量风对建筑物的压力分布，从而获得准确的风载荷数据。
数值模拟则通过计算流体力学方法，模拟风场，并计算出相应的风载荷。
二、结构优化1. 结构稳定性分析在超高层建筑中，结构的稳定性是确保安全的关键。
由于风载荷的作用，建筑物可能会受到不稳定或振动的影响。
因此，通过结构稳定性分析，我们可以确定合适的结构形式和抵抗风载荷的措施。
2. 结构减震措施为了减小风对超高层建筑结构的影响，需要采取减震措施。
减震措施可以通过减少结构刚度、增加阻尼或安装减震装置来实现。
常见的减震装置包括摇摆装置、阻尼器和减震支座等。
3. 结构材料与构造设计超高层建筑的结构材料和构造设计也对其承受风载荷的能力有着重要影响。
使用高强度的材料可以提高结构的刚度和抗风能力，合理的施工工艺和连接方式能够增强结构的整体性能。
三、案例分析以世界上的几座典型超高层建筑为例，对风载荷分析和结构优化进行案例分析。
通过详细分析建筑的设计参数、风洞试验和数值模拟结果，以及应用的减震措施和结构材料等，深入探讨了如何应对超高层建筑中的风载荷挑战。
高耸结构物中的风振响应分析方法
高耸结构物中的风振响应分析方法近年来，随着城市化的不断发展和人们对高耸结构物的需求增加，高耸结构物的数量也显著增加。
然而，由于高耸结构物所处的空气动力环境非常复杂，其面临的风振问题也日益凸显。
因此，对高耸结构物的风振响应进行准确的分析和预测变得非常重要。
在高耸结构物的风振问题研究中，一种常用的方法是基于CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）模拟的风场数据进行数值分析。
通过建立几何模型和边界条件，并利用数值方法求解相关方程，可以模拟风场中的气流运动，进而得到高耸结构物所受到的风荷载。
然而，CFD模拟方法也存在一些不足之处。
首先，CFD模拟需要耗费大量的计算资源，模拟一个高耸结构物的风场可能需要几天甚至几周的时间。
其次，CFD 模拟的结果对参数设置和网格划分非常敏感，不同的参数设置和网格划分可能导致不同的模拟结果。
最后，CFD模拟只能得到某一时刻的风荷载情况，并无法全面考虑不同时间尺度上的风荷载变化。
为了克服CFD模拟方法的不足，研究人员提出了一种基于风洞试验的风振响应分析方法。
风洞试验是通过在实验室内建立一个可以模拟真实风场的风洞来对高耸结构物的风振响应进行测试。
通过在风洞中放置缩比模型，可以使得实际结构物所受到的风荷载与模型所受到的风荷载相似，从而准确测量结构物的风振响应。
风洞试验能够较为准确地模拟高耸结构物在不同气流条件下的风振响应，但其也存在一些限制。
首先，风洞试验需要昂贵的建设和维护成本，对于大型高耸结构物来说可能无法进行风洞试验。
其次，风洞试验的结果往往只能得到特定风速下的风振响应，无法得到整个风速范围内的风振情况。
最后，风洞试验的时间和空间尺度受到限制，无法模拟长时间和大尺度的风荷载作用。
除了CFD模拟和风洞试验之外，还有一种基于结构物响应监测的风振分析方法。
这种方法通过在结构物上设置振动传感器，实时测量结构物的振动响应数据，并通过信号处理和频域分析等手段进行数据处理，得到高耸结构物的风振特性。
超高层模块化建筑施工中的风振响应与控制分析
超高层模块化建筑施工中的风振响应与控制分析随着城市化进程的加快和人口增长，越来越多的超高层建筑被兴建起来。
超高层建筑由于其高度和结构特点，容易受到外界风力的影响。
特别是在施工阶段，模块化建筑在吊装和组装过程中更容易受到风振效应的影响。
因此，在超高层模块化建筑施工中，对于风振响应的分析与控制具有重要意义。
一、风振现象对超高层模块化建筑施工的影响1. 施工期间的安全在超高层模块化建筑的吊装和组装过程中，如果遇到大风天气，在没有采取适当措施之前施工是非常危险的。
大风不仅会影响工人的操作安全，还可能导致吊装设备失稳或者堆放材料被吹散。
2. 结构稳定性超高层数住宅楼房通常采用了较轻量且柔韧性良好的材料进行构造，这样容易在风力的作用下发生振动。
长时间频繁的风振可能导致楼体结构疲劳，甚至引发崩塌事故。
二、风振响应分析方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是目前较为常用的风振响应分析手段之一。
通过建立超高层模块化建筑的有限元或计算流体动力学模型，可以对其在特定风速下的结构响应进行仿真计算。
该方法能够反映建筑结构和环境因素之间的相互影响，从而更好地了解超高层建筑在不同条件下的振动性能。
2. 实测方法实测方法是通过安装传感器和数据采集设备来直接观测超高层模块化建筑在不同条件下的实际振动情况。
通过采集得到的数据，可以对超高层建筑吊装施工中存在的风振问题进行有效评估和分析，并为制定合理控制方案提供依据。
三、风振控制技术1. 动态调整结构刚度通过调整结构刚度，改变超高层模块化建筑受力和振动特性，可以有效减小风振响应。
例如，在施工过程中采用可调节刚度的支撑结构或采用柔性连接方式，可以使建筑更具柔韧性，从而减小振动。
2. 使用风阻板或吸振器在超高层模块化建筑上安装风阻板或吸振器，可以调整细触体的共振频率，从而减小风力对建筑物的作用。
这些辅助设备能够通过吸收或分散风力产生的能量来控制振动。
3. 优化结构设计在超高层模块化建筑设计阶段，采用合理的结构形式和材料选择，能够改善其抗风性能，并降低风力对建筑物的影响。
超高层建筑风荷载
“超高层建筑风荷载”资料合集目录一、超高层建筑风荷载的试验研究二、超高层建筑风荷载和效应控制的研究及应用进展三、多国规范超高层建筑风荷载取值及与风洞试验的对比性研究四、超高层建筑风荷载的试验研究五、典型超高层建筑风荷载频域特性研究超高层建筑风荷载的试验研究随着现代建筑技术的飞速发展，超高层建筑在全球范围内如雨后春笋般涌现。
这些建筑不仅代表着城市的发展水平，也体现了人类对建筑技术的创新和挑战。
然而，随着建筑高度的增加，风荷载成为了一个重要的设计考虑因素。
风荷载是影响超高层建筑稳定性和安全性的重要因素之一，因此，对超高层建筑的风荷载进行试验研究显得尤为重要。
风荷载是空气流动对建筑物产生的压力和剪切力。
在静止的空气中，建筑物会受到一个正面的压力，这是由于空气分子撞击建筑物表面而产生的。
然而，当空气流动时，建筑物受到的压力会发生变化。
当空气分子撞击建筑物时，会产生一个垂直于表面的力，这就是风荷载。
风荷载的大小取决于多个因素，包括风速、建筑物的形状、高度和重量等。
为了研究超高层建筑的风荷载，我们建立了一个模型，模拟真实建筑在风中的受力情况。
我们使用了一个风洞实验室，通过控制风速和调整建筑模型的角度，可以模拟不同情况下的风荷载。
我们使用传感器来测量建筑模型在不同风速下的位移和应力，并记录数据。
通过试验，我们发现风荷载随着风速的增加而增加。
在较高的风速下，风荷载成为影响建筑稳定性的主要因素。
我们还发现，建筑物的形状和结构对风荷载的影响很大。
对于较瘦高、轻质的建筑物，风荷载对其稳定性的影响更加显著。
超高层建筑的风荷载是一个复杂的问题，需要深入的试验研究和理论分析。
通过本项试验研究，我们得到了风荷载与风速、建筑物形状和结构之间的关系的初步结果。
为了进一步研究超高层建筑的风荷载，我们建议：继续开展风洞试验，增加不同类型和高度建筑物的试验样本，以得到更全面的数据。
结合数值模拟方法，如CFD（计算流体动力学）模拟，以更准确地预测风荷载的影响。
超高层建筑设计的风力影响评估
超高层建筑设计的风力影响评估一、引言随着城市化进程的不断加速，超高层建筑在城市中的比重越来越大。
而超高层建筑由于其自身体量巨大、高度较高，受风力影响较为明显。
因此，在超高层建筑设计中，风力影响评估显得尤为重要。
本文将分析超高层建筑设计中风力影响评估的重要性，并介绍相关的评估方法与技术。
二、风力对超高层建筑的影响1. 风压效应超高层建筑受到风力影响会产生较大的风压效应，特别是在建筑顶部和立面上。
合理评估风压效应对建筑结构的合理设计和安全性具有至关重要的意义。
2. 颤振效应风力还会导致超高层建筑产生颤振效应，当风速达到一定程度时，会对超高层建筑结构产生共振和颤振现象，严重影响建筑的使用安全。
3. 破坏效应强风还可能引起建筑物局部破坏，甚至导致倒塌事故。
因此，在设计中需要充分考虑这些影响因素，通过科学方法进行评估。
三、风力影响评估方法1. 数值模拟利用计算流体动力学（CFD）等数值模拟软件对超高层建筑进行风场模拟，分析不同方向不同风速下的风压分布情况，据此评估结构受力情况。
2. 风洞试验通过搭建特制的风洞设备，对超高层建筑进行模型试验，观测并记录各点的压力分布、结构响应等数据，为设计提供实验依据。
3. 结构优化基于以上结果，对超高层建筑结构进行合理优化设计，确保在考虑安全性的前提下尽量降低材料成本。
四、实际案例分析以某市某超高层建筑项目为例，运用以上方法进行了全面的风力影响评估。
经过科学计算和模拟试验，在满足规范要求的前提下，有效地减小了结构材料投入，并提升了抗风能力和结构稳定性。
五、结论超高层建筑设计中的风力影响评估是确保建筑安全稳定运行的重要手段。
通过数值模拟、实验数据采集与分析等手段，可以科学全面地评估超高层建筑在不同强度及方向风场下的受力情况，从而指导结构设计与优化。
有效的风力影响评估方法可以确保超高层建筑在复杂气象条件下的使用安全，并有效避免了自然灾害可能造成的损失。
以上就是本文关于超高层建筑设计中风力影响评估的相关内容，希望能够对您有所帮助。
超高层建筑风载结构分析及风振控制研究
超高层建筑风载结构分析及风振控制研究随着城市化的加速和经济的发展，越来越多的超高层建筑拔地而起。
然而，由于高楼的特殊性质，其面临的风载结构分析和风振控制也是一项复杂的工程。
超高层建筑风载结构分析当设计师设计超高层建筑时，一定要考虑到其中出现的风荷载问题。
因为超高层建筑的层数越高，其受到的风荷载就会越大。
对于这些高楼大厦，需要进行风载分析，并制定相应的风荷载标准。
风荷载标准不仅包括了结构的抵抗力上限，还限定了设计的规范和要求。
设计师在进行风荷载分析时，往往使用数学统计的方法去计算建筑受风荷载的概率，从而找出风荷载与风速的线性关系。
然后根据该线性关系对建筑结构进行选材和设计。
超高层建筑风振控制研究风荷载作为超高层建筑面临的重要问题，不仅需要进行分析，还需要进行风振控制研究。
随着超高层建筑的层数一层层叠加，风荷载造成的振动问题也逐渐加剧。
由于风振的存在，许多人都会在高楼上感受到晕眩和失衡感，这必须尽快得到解决。
除了采用风荷载分析的结果来指导设计建筑的结构与抵抗力之外，还需要采用其它手段来控制超高层建筑的风振现象。
其中比较常见的控制手段有：自适应控制、主动控制和缓冲控制。
自适应控制是一种通过感应风荷载，从而对建筑结构和飘挂物体的运动进行相应的控制的技术。
通过感应到风荷载的方向和强度，可以采取相应的控制手段，从而减小风振造成的影响。
主动控制是一种更具有智能化的方法，其通过计算机控制算法对建筑结构的平衡进行控制。
当建筑结构产生风荷载的振动时，计算机会迅速进行数据处理，对结构进行相应的调整，从而消除振动的影响。
缓冲控制是一种有着长期的实践基础的控制手段，其借助了一些物理学的原理。
常用的缓冲控制手段包括振动消除器、缓冲器、减震器等。
总结一下，超高层建筑在设计之初就必须考虑到其风荷载问题。
而各种风荷载分析和控制手段也不断在进步。
然而，新型建筑经常会采用混合或组合的设计方法，对于这种情况，需要设计师们集思广益，共同解决超高层建筑的风荷载问题，确保人居安全和建筑的可持续发展。
高层建筑风效应及风振控制分析
高层建筑风效应及风振控制分析摘要：科技的发展与应用，使高层建筑被普遍应用，在设计高层建筑的时候，需要注意风效应对其的影响。
既要满足居住需求，又要满足减少振动的要求，一般高层建筑风振控制有耗能减振系统、吸振减振系统、锚索控制、主动控制与混合控制系统等。
关键词：高层建筑；风效应；风振控制随着经济的飞速发展与科学技术的广泛应用，高强度材料在高层建筑行业被普遍应用，使高层建筑与高耸结构不断出现，为建筑行业带来新的革命，也为城市居民生产生活带来了新形式。
高层建筑师在设计过程中，注意力多集中于建筑的平面功能布置、外观合理与空间的有效利用上，很少考虑到高层建筑间气流的影响问题。
如果高层建筑群之间的布局不合理，会为业主带来极大的不便。
高层建筑的主要荷载为水平风荷载，相比于地震等振动作用，风力作用频繁且持续时间长，影响力要大得多，为防止高层建筑在风力作用下出现倒塌、结构开裂等问题，必然要对高层建筑的风效应及风振控制进行合理的分析，使高层建筑结构抗风设计满足实际生活使用需求、安全需求、舒适度需求等。
一、高层建筑风效应的数值分析以高层建筑小区风效应进行分析，常见高层建筑小区的布局有三种形式：行列式、错列式和周边式，针对这三种布局的高层建筑，利用计算机进行模拟数值分析，得出高层建筑群内气流流动速度，并分析其影响度。
数据举例：行列式为4排每排4栋，共计16栋；错列式为五排交错排列，共计18栋；周边式为4排，呈口字形排列，共计12栋。
行列式错列式周边式拟定风向为正北和正西北两种，风速5m/s。
按人在1.8米位置进行计算。
其数值结果对比分析如下：（一）正北风向时：行列式第三、四排的风速达最高；错列式在第一、二列的第四排侧；周边式在第一、三列第四排。
其涡流形式，除错列式中间位置出现涡流外，其他二种不出现或很少出现。
通过对风速的变化趋势进行对比发现：三种布局风速会沿建筑高速而增大，行列式排末高层的高速区可达5.8m/s；错列式高层高速区达7.7m/s；周边区则达6.8m/s。
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2010年 9月郑州大学学报(工学版)Sep 1 2010第31卷 第5期Journal of Zhengzhou University (Engineering Science )Vol 131 No 15 收稿日期:2010-04-14;修订日期:2010-06-13 基金项目:上海市重点学科建设项目资助(B302) 作者简介:陈玮(1987-),男,上海人,同济大学硕士研究生,主要从事结构风工程研究;通迅作者:黄本才(1947-),男,同济大学教授,博士生导师. 文章编号:1671-6833(2010)05-0060-05超高层建筑风荷载数值模拟和空间风振分析陈 玮1,黄本才1,赵劲松1,包 佐2(1.同济大学航空航天与力学学院,上海200092;2.上海建筑设计研究院有限公司,上海200041)摘 要:某沿海超高层建筑高度达350m,高宽比达7.6,又处于浙江沿海地区,风荷载是其结构设计的控制荷载.数值模拟了不同风向下超高层建筑底部平均风合力和合力矩,与风洞试验结果相近,一般情况两者差别不大于15%;同时拟合了该建筑表面的脉动风压自谱密度和相干函数经验表达式,采用空间随机风振的C QC 方法对塔楼进行了风致动力响应分析,并通过塔楼顶层峰值加速度响应和底部静力等效风荷载合力和合力矩的比较与分析,表明高层建筑专用风振分析方法在实际工程中应用的可行性.关键词:超高层建筑;数值风洞模拟;风洞试验;风振分析;频域CQC 方法中图分类号:X703.1 文献标识码:A0 引言近年来,国内外高层建筑的高度不断增高,例如我国已建成“上海环球金融中心”高度为490m ,“台北101大厦”508m ,建设中的“上海中心”高度为632m ,阿联酋迪拜“哈里发大楼”160层高度达828m.高层建筑向更高更柔的方向发展,要求我们更加准确地确定静动力风荷载.国内外对高层建筑风工程研究的已不少,例如文献[1-2]分别采用风洞试验和现场自然风模型试验方法进行了基础研究.目前大多数风振计算方法是利用刚性模型同步测压实验数据,再结合随机风振的频域方法做理论分析.文献[3]给出了一种三维风致响应的分析方法,并通过3个例子说明了进行三维风振计算的必要性.文献[4]提出了一种新的方法,综合考虑了3个方向外加风荷载的相关性和振型耦合.笔者选用的某超高层建筑高度达350m ,又处于台风频繁出现的沿海地区,静动力风荷载是该建筑的控制荷载.首先采用数值风洞模拟方法模拟不同风向下底部平均风合力和合力矩,与风洞试验结果很接近;并在风洞测压试验和风洞高频天平测力试验的基础上,采用频域CQC 方法对塔楼进行了风振动力分析,将计算所得塔楼顶层峰值加速度响应和底部静力等效风荷载合力和合力矩与风洞试验结果做了对比分析,表明本文的空间风振分析方法具有一定的精度,在实际工程应用中具有可行性.1 数值风洞和风洞试验某超高层塔楼高度达350m ,塔楼截面为46m ×46m 的正方形,周围还有低一些的高层建筑.1.1 风洞试验[5]该超高层塔楼和周围直径500m 范围建筑风洞测压试验模型为刚体模型,用有机玻璃板和ABS 板制成,具有足够的强度和刚度.同时还做了高频天平测力试验,模型外围框架结构由质地较轻的航空层板制作,内填泡沫塑料并部分挖空,两种模型的缩尺比均为1/400.刚性模型测压试验和高频天平测力试验均在低速风洞中进行,见图1.试验的大气边界层流场模拟为B 类地面风场,试验参考点均选在高度为0.875m 处,参考风速为13.0m /s .1.2 数值风洞模拟[6-7]数值风洞大体上与一般的实验室风洞类似,有入口、出口、地面和3个壁面,建筑物数值模拟模型建立于风洞中,所建立的数值风洞模型见图2.数值风洞的边界条件为:入口输入平均风速剖面和湍流强度,采用B 类地面粗糙度类别模拟 第5期陈玮,等:超高层建筑风荷载数值模拟和空间风振分析61 来流地面.用于主体结构设计时重现期取100年,按照我国荷载规范,入口平均风速剖面取为:10m 及以下,平均风速为33.5m /s;10～350m ,平均风速为33.5×(z /10)0.16m /s,z 表示距地面高度,平均风速剖面与实验室风洞相同.图1 试验室风洞及模型Fi g .1 Tunnel exper i m en t m odel 入口湍流强度参照国内外有关国家的规定.对于B 类地面,5m 以下取为0.23;5～350m 取为0.094×(z /350)-0.21,湍流强度与实验室风洞接近.出口:采用充分发展湍流.计算区域上表面、侧面:采用自由滑移壁面.地面:采用无滑移壁面.建筑物壁面:采用无滑移光滑壁面.数值风洞模型按原型尺度1∶1建模,属刚性模型,建模、计算和后处理由计算流体动力学软件CFX5完成.数值模型包括该高层建筑以及周围直径500m 范围内风干扰的其它主要建筑物.数值模拟计算离散网格约260万四面体和棱柱体单元,47万计算节点.图2 超高层塔楼的数值风洞及模型F i g .2 Nu m er i ca l tunnel and m odel of the bu ild i n g1.3 数值模拟与风洞试验结果比较笔者主要进行平均风底部合力(剪力)和合力矩结果比较.风向及整体坐标轴定义示意图见图3.通过高频天平测力试验可测得平均风底部合力系数C Fx ,C Fy 和合力矩系数C M x ,C M y ,而由刚体测压试验数据通过积分方法亦可得到平均风底部合力系数和合力矩系数,例如由风洞试验所得底部合力系数C Fx 见图4[5],其余结果因篇幅关系不一一列出.图3 风向及整体坐标轴定义示意图F i g .3 W i n d d i recti on def i n iti on通过下式将其转换为底部合力和合力矩.C Fx =V x /12ρV H HD ,C Fy =V y /12ρV H HD ,C M x =M x /12ρV H H 2D ,C M y =M y /12ρV 2H 2D .其中,H =350m ;D =46m ;V H =59.1m /s ;ρ为空气密度;V x ,V y 表示x 方向和y 方向楼层底部合力;M x ,M y 分别表示x 方向和y 方向楼层底部合力矩.图4 风洞试验所得底部合力系数C F xF i g .4 Result an t force coeff i c i en t C F xfro m tunnel exper i m en t通过数值风洞数值模拟分别得到0°、90°、180°、270°等4个与塔楼立面垂直方向的底部合力V 与合力矩M (绝对值),并与风洞试验相应结果(绝对值)作比较,见表1.风洞测压试验和风洞测力试验分别指刚性模型测压试验和高频天平测力试验.表1中的偏差是与风洞测力试验结果相比较而言.(1)数值模拟方法与刚体测压试验通过积分法所得出的结果比较接近,尤其是180°、270°的结果偏差小于3%,而90°风向的合力很接近(偏差-3.4%),弯矩稍大一点.0°风向下底部合力62 郑州大学学报(工学版)2010年结果差别大一些,风洞测压试验和数值模拟方法要比风洞测力试验结果分别小15%和29%,其原因是风洞测压试验在裙楼建筑物上没有布测点,即忽略了这一部分风力.而数值模拟结果显示在0°风向下裙楼的表面风压为负压,要抵消一部分风力,故在0°风向下的数值模拟结果要小一些.表1 3种方法平均风荷载底部合力和合力矩Tab .1 The result an t force and the result an t m o m en tunder m ean w i n d loads i n the botto m风向方法V /(107N )ΔV /%M /(109N ・m )ΔM /%数值模拟2.09-296.66-10°风洞测压试验2.51-155.71-14风洞测力试验2.96—6.65—数值模拟3.29-95.86-15180°风洞测压试验3.20-125.97-15风洞测力试验3.62—7.00—数值模拟3.68-116.22-1490°风洞测压试验3.8126.91-4风洞测力试验3.72—7.21—数值模拟3.31-76.10-10270°风洞测压试验3.33-66.20-9风洞测力试验3.56—6.79— 注:ΔV 表示底部合力和风洞测力试验的偏差,ΔM 表示合力矩和风洞测力试验的偏差.(2)在大多数风向下,数值模拟和风洞测压试验积分法结果均比风洞高频天平测力试验的结果小,约小10%左右.这也说明本高层建筑的数值风洞模拟与风洞试验结果总体上是吻合的,表明稳态数值模拟方法在实际工程中应用的可行性.2 高层建筑结构空间风振分析方法2.1 风振分析基本公式由多自由度体系的随机振动方法,动位移响应方差[D yy ]的表达式如式(1),其中包含了所有振型交叉项,是精确的完全二次型结合方法(CQC 法).其第j 阶频率响应函数为:H j (i n )=1((2πn j )2-(2πn )2)+i (8π2ξj n j n )[D yy ]=∫∞[<][H3(i n )][<]T[Q ][S pp (n )]・[Q ]T[<][H (i n )][<]Td n (1)而[H (i n )]=diag (H 1(i n ),H 2(i n ),…,H m (i n ))为频响函数矩阵或传递函数,式中:[Q ]为荷载分布指示矩阵,将s 维脉动风向量{p (t )}扩容为N维(s ≤N ),N 代表自由度总数;[<]或[<]T为模态矩阵,取m 维,在本文的分析中,笔者采用正则化模态,其模态质量为1;n 为脉动风频率,n j 和ξj 为第j 阶自振频率和阻尼比.式(1)中,[S pp (n )]为脉动风随机激励的功率谱矩阵(s ×s 阶),可进一步用式(2)表达:[S pp (n )]=1n[diag A ]・[diag σw ]・nS w 1(n )σ2w 1…nS w 1w r (n )σw 1σw r…ω…nS w r w 1(n )σw r σw 1…nS w r (n )σ2w r[diag σw ][diag A ](2)式中:[diag A ]为受风荷载作用的结点相关面积,为s ×s 阶,diag 表示对角阵;[diagσw ]为受荷载作用的结点脉动风压均方根差,为s ×s 阶对角阵;nS w i w j (n )σw i σw j为归一化脉动压力互谱密度,取自风洞试验同步测量脉动压力的统计值或统计公式.一般地,任意i,j 点之间的脉动风压互谱可通过自谱与相干函数相乘得到,即nS w i w j (n )σw i σw j=coh (n,r )ij nS w i (n )σ2w i(3)式中:coh (n,r )为脉动风压相干函数.2.2 静力等效风荷载高层建筑空间结点的加速度响应均方值σ2x 如下式,其中σ2q i q j 为广义位移响应均方值.σ2x =[<][diag (ω2)]σ2q 1…σ2q 1q m…ω…σ2q m q 1…σ2q m・[diag (ω2)][<]T(4)结点的最大加速度响应σx max =gσx ,其中g 为加速度响应峰因子.由式(4)可得高层建筑空间结点的惯性力均方值σ2p ,见式(5),其均方根值乘以峰值因子g 后,得到设计风振力P dk ;对有风力直接作用的结点,需再加上结点平均风荷载P ck ,即可以得到任一空间结点k 上的静力等效风荷载P k ,见式(6).σ2P =[M ][<][diag (ω2)]σ2q 1…σ2q 1q m…ω…σ2q m q 1…σ2q m・[diag (ω2)][<]T[M ](5)P k =P ck +P dk =P ck +gσPk (6)由以上空间模型风振计算方法,专门编制了高层建筑静动力风载分析程序,可直接输出空间 第5期陈玮,等:超高层建筑风荷载数值模拟和空间风振分析63 结点的静力等效风荷载(含风振系数)、各楼层三分力、各结点峰值加速度响应、底部静力等效风荷载的合力及合力矩等.3 超高层建筑塔楼空间风振分析比较3.1 塔楼自振频率和振型由设计院提供的空间结构分析模型,将其转换为Ansys格式的动力分析模型后,经结构动力分析,可得到所需要的前若干阶自振频率和振型,其中第1、第2阶自振频率分别为0.148Hz和0.150Hz,振型分别为沿两个对角振动的一阶水平振动,第3阶自振频率为0.304Hz,振型为绕竖轴的扭转振动.3.2 塔楼归一化脉动风压自谱和相干函数将建筑物分为4个立面,分别用符号A,B,C和D表示(见图3),分别对应建筑结构的东、南、西、北4个立面.可首先绘出不同风向各个立面的脉动风压归一化自谱曲线,然后拟合得到脉动风压自谱公式,例如0°风向下4个立面的脉动风压自谱公式如下:nS w(n)σ2w =2.76n31.26π6.58(15.19n3+1)2+1+1.12(2.47n3-1)2+1,(A面)nS w(n)σ2w =3.41n31.26π5.49(6.55n3+1)2+1-0.51(2.41n3-1)2+1,(B面)nS w(n)σ2w =2.12n31.27π1.61(3.21n3+1)2+1+1.27(2.40n3-1)2+1,(C面)nS w(n)σ2w =2.27n30.86π3.24(2.18n3+1)2+1+0.21(2.67n3-1)2+1,(D面)(7)经拟合后的脉动风压相干函数Rw1w2(Δξ, n3)如下:R w1w2(Δξ,n3)=exp(-αn3Δξ/v H)(8)其中:α为系数,迎风面时α=0.08,背风面时α= 0.023,侧面时α=0.015;Δξ为结构表面上任意两点之间的距离;n3=nH/vH为归一化频率,H=350m,vH=59.11m/s;因篇幅关系,其余风向的脉动风压归一化自谱曲线和脉动风压相干函数略.3.3 顶部楼层的最大加速度计算顶部楼层的最大加速度采用10年重现期,基本风压为0.35k N/m2,结构阻尼比取0.04.位置取顶部楼层(标高为347m)中心处,本文计算结果和高频天平测力风洞试验[5]结果的顶部楼层峰值加速度响应见表2.由表2看出,该超高层建筑都是在横风向的加速度响应最大,人体舒适度都是由横风向加速度响应控制,且顶部楼层坐标中心处的最大加速度值均小于我国规程[8]规定的限值0.25m/s2 (办公楼),人体舒适度是满足的.同时也看出用本文的空间模型风振计算方法得到横风向、顺风向0°和180°的顶部楼层最大加速度值与高频天平测力法的结果很相近,顺风向90°和270°的结果有一些差别,但其结果不是控制值.表2 顶部楼层最大加速度Tab.2 The max accelera ti on on the top floor m/s2风向x向(横风向)y向(顺风向)0°0.13(0.12)0.06(0.05)180°0.13(0.10)0.06(0.05)90°0.10(0.04)0.12(0.11)270°0.09(0.04)0.11(0.12) 注:表中()内数据为风洞报告[5]的数据.3.4 底部静力等效风荷载合力和合力矩静力等效风荷载为平均风荷载加上动力风荷载,其中平均风荷载按风洞试验数据计算,动力风荷载按笔者前面所述频域CQC方法采用空间结构模型计算,将所得各楼层中各结点静力等效风荷载进一步计算塔楼底部静力等效风荷载合力和合力矩,见表3.表中一并给出了风洞试验报告[5]用层刚片结构动力模型计算所得相应结果,与笔者的方法相比较,两者都采用同一同步风洞测压数据,包括平均和脉动风压,仅结构模型不同.表中只给出了顺风向的结果,同时表中底部合力(剪力)和合力矩风振系数的含义是塔楼底部静力等效风荷载合力(剪力)和合力矩与其底部平均风荷载合力(剪力)和合力矩的比值.表3 塔楼底部静力等效风荷载合力和合力矩Tab.3 The result an t force and the result an t m o m en t under equ i va len t w i n d loads i n the botto m 风向V/(107N)比值剪力风振系数M/(1010N・m)比值合力矩风振系数0°4.59(5.01)0.92(1.00)1.83(1.69)1.04(1.15)0.90(1.00)1.83(1.73) 180°5.25(5.90)0.89(1.00)1.64(1.63)1.06(1.20)0.88(1.00)1.78(1.71) 90°6.21(7.06)0.88(1.00)1.63(1.90)1.22(1.47)0.83(1.00)1.76(2.04) 270°5.50(6.04)0.92(1.00)1.66(1.70)1.10(1.27)0.87(1.00)1.77(1.87) 注:表中()内数据为风洞报告[5]的数据.64 郑州大学学报(工学版)2010年 从表3可以看出,本文的结果都比风洞报告结果要小一点,小8%～13%,从规律上是相符的,因为笔者采用的是空间结构模型,而风洞报告采用的是层刚片模型,说明本文的空间模型所得结果是可信的.另外从表中风振系数看,对于0°和180°风向,本文的结果大一点,但比较接近;而对于90°和270°风向,本文的结果要小一点,差别稍大一些.因为两种方法的平均风荷载的计算结果相近,其差别在动力风荷载结果,可看出两种方法的动力风荷载计算结果互有大小,其中0°和180°风向的动力风荷载计算结果更接近.4 结论(1)采用数值风洞模拟的方法,计算和分析了某超高层塔楼在不同风向下底部平均风合力和合力矩,通过与风洞试验的结果比较与分析,表明数值风洞模拟的方法是可行的;(2)取风洞测压试验的测量数据为脉动风压时程,拟合了该超高层建筑的脉动风压功率谱自谱密度和相干函数经验表达式;(3)采用空间结构随机风振理论的频域CQC 方法对该高层建筑结构进行空间风振动力分析,计算出该结构顶部楼层的峰值加速度值和底部静力等效风荷载合力及合力矩,并将计算结果与风洞试验的结果作了比较和分析,表明了本文方法结果可信.参考文献:[1] L I N N,LETCHF ORD C.Characteristics of wind f orcesacting on tall buildings[J].Journal ofW ind Engineer2ing and I ndustrial Aer odyna m 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of Aer os pace Engineering and App lied Mechanic,Tongji University,Shanghai200092,China;2.Shanghai I nstitute of A rchitectural Design&Research Co,L td,Shanghai200041,China)Abstract:A coastal super high2rise building is350meters high.It l ocates in Zhejiang Pr ovince and its rati o of high t o width is7.6.W ind l oad is one of the contr ol l oads in its structure design.The resultant f orce and the resultant moment under mean wind l oads in the bott om of the building in the different wind directi on are car2 ried out by nu merical wind tunnel si m ulati on in this paper.The calculati on results are cl ose t o the results of tunnel experi m ent and the difference is less than15%.Then by fitting the fluctuating wind power s pectrum density and coherence functi ons,the wind2induced res ponses of the building are analyzed by CQC method. The maxi m u m accelerati on of the t op fl oor and the resultant f orce and the resultant moment under equivalent wind l oads are compared with the test results of wind tunnel experi m ent,which illustrates that the analysis method of wind2induced res ponses in this paper is feasible in the app licati on of actual engineering.Key words:super high-rise building,numerical wind tunnel si m ulati on,wind tunnel experi m ent,analysis of wind2induced res ponses,CQC method。