超高层建筑结构横风向风荷载研究
(完整版)高层建筑在风荷载作用下的相关研究
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。
高层建筑钢结构的抗风设计与风荷载分析
高层建筑钢结构的抗风设计与风荷载分析随着城市化进程的加快，高层建筑的建设越来越普遍。
而高层建筑面临的一个重要挑战是抗风设计和风荷载分析。
由于建筑高度和风压的增加，高层建筑的钢结构必须经受住强大的风力，确保建筑的结构安全性和稳定性。
本文将对高层建筑钢结构的抗风设计和风荷载分析进行详细论述。
首先，了解风荷载在进行高层建筑的抗风设计之前，我们必须了解风荷载的概念和特征。
风荷载是指风对建筑结构产生的作用力。
风荷载可以分为静风荷载和动风荷载两种类型。
静风荷载是指风对建筑站立姿态产生的压力，它通常呈正压和负压相间的形式。
动风荷载是指风速和风压随时间变化的载荷。
高层建筑面临的动荷载特别重要，该荷载源于风和建筑之间较大压力差而产生的风力。
其次，风荷载分析风荷载分析是高层建筑抗风设计的核心部分。
它涉及到建筑结构与风场相互作用的复杂过程，需要结合建筑特点以及环境条件来进行分析。
分析过程通常包括以下几个步骤：1. 确定风场特征：根据建筑所处的地理位置、气候条件和设计要求，确定风场的特征，包括风速、风向、风谱特点等。
2. 确定建筑形态：建筑的形态决定了其将承受的风荷载的特点。
建筑的高度、宽度和横截面形状都会对风荷载产生影响。
3. 风荷载计算：根据建筑的形态和风场特征，进行风荷载计算。
这通常包括使用气象数据和数值模拟方法来预测风场，然后根据这些数据计算出建筑上的风压。
4. 结构响应分析：建筑的结构响应分析是确定其在风荷载下的变形和应力分布的过程。
这通常包括使用有限元分析等数值方法来模拟结构的行为，评估其在风荷载下的性能。
最后，高层建筑钢结构的抗风设计抗风设计是确保高层建筑结构安全的关键。
在进行抗风设计时，需要考虑以下因素：1. 钢结构的材料和连接方式：钢结构的材料和连接方式应能有效地传递和抵抗风荷载产生的力。
合适的钢材选择和连接设计可以提高结构的抗风性能。
2. 结构的刚度和稳定性：高层建筑钢结构的刚度和稳定性对于抵抗风荷载非常重要。
超高层建筑的风荷载及风洞试验研究
的重 现期 等 影 响 因 素 的 不 同 而 取值 不 同口 ， 国 ］ 各 规 范 在考 虑这 几个 影 响 因素 的规 定 时不尽 相 同 。 例如 ， 风速 随 时间不 断变 化 ， 因此 如何 取值对 抗 风分 析有很 大 影 响 ， 常取一 个规 定 时间 内 （ 为 时 通 称 距） 的平 均 风速 作 为 计 算 的标 准 。显 然对 于工 程 设 计 来说 最大 风 速值 与时距 的大小 有关 。而 当前世 界
各 国所 采用 的平 均 时 距 标 准并 不 一 致 ， 国时 距 取 中
非规 则 钢筋 混凝 土筒 体与 外侧 钢框 架 的超 高层混 合 结构 ， 计采 用美 国规 范 ， 设 因而 需要 了解 并掌 握美 国 规范 风荷 载 分析 的相 关规定 。另外 对于 这种 体型 复 杂 的结构 ， 有规 范 很 难 确定 建 筑 表 面 的风 压 分 布 既
要 考虑 非标 准条 件 情 况 ， 种 条件 下 的 的风 压 可 以 此
图 １ 科 威 特 中 央 银 行 新 总 部 大 楼
根 据一定 的换算关 系 由标 准风 压换算 得 出 。
第 一 作 者 ： 天 河 ， ，９８年 出 生 ， 士 ， 程 师 。 吴 男 １７ 博 工
Ｅ ｉ ｇ ｌｘ ｃｔ １ ３ ｔ ｍ ｍａｌ ａａ ｙ ａ ＠ ６ ． ｏ ：
振 的等 效 风压 ； 一 种 为 平 均 风 压 乘 以风 振 系数 。 另
由于在 结构 的风 振计 算 中 ， 常 来说 是 第 一 振 型起 通
２ 对 于柔性 结构 ： ）
Ｐ — ｑＧｆ Ｃ。一 ｑＧ Ｃ ｉ （ ５）
超高层建筑结构抗风性能研究
超高层建筑结构抗风性能研究摘要：高层建筑数量的不断增加更加充分利用土地资源，在结构设计中我们需要考虑高层建筑与多层建筑的区别，且高层建筑由于整体高度，结构内部受力情况也更加复杂。
对于高层建筑而言，风荷载引起的效应在总荷载效应中所占的比重比较大，所以要做好高层建筑结构抗风设计工作，提高建筑结构的科学性和合理性，从而为人们提供一个舒适的居住环境，以此促进高层建筑的发展和进步。
关键词：超高层；建筑结构；抗风；性能1高层建筑结构抗风设计理论高层建筑一般具备较大的高宽比，同时其抗侧刚度较小；并且地震作用和风荷载都是其主要承担的水平荷载。
相比较地震作用，风荷载出现的频率比较高。
所以，在高层建筑结构中，主要设计的荷载是风荷载。
1.1基于性能的结构抗风设计理论基于性能的结构抗风设计理论，主要目标是在不一样强度水平风振的影响下，对建筑结构的安全和舒适度进行有效的控制，从而确定不同性能水准，确保在整个生命周期内的建筑物，在承担可能会出现的风振作用下，其总体成本费用是最小的。
1.2结构风振性能水准1.2.1风振系数作为我国目前使用得荷载规范的一个重要系数，风振系数对风载值的作用比较大。
1.2.2人体舒适度在侧向力的影响下，高层建筑会出现振动的情况，如果振动处于某一个限值时，人们会产生不舒服的感觉。
人体得舒服度可以分为六个不同的等级，分别是无振感、轻微振感、中等振感、烦恼和非常烦恼以及无法忍受。
1.2.3结构风振性能水准性能水准，主要是指所设计的建筑物，在可能会遭受的特定风作用下，所明确的最大容许舒服度，或者所容许的最大破坏度。
主要是从舒适度和变形两个方面确定性能水准的指标。
1.3结构性能目标性能目标，主要指的是所设计的建筑物，在设计风压等级的需求下，满足性能水准的总和。
结构性能目标，要综合考虑建筑物的使用要求、功能要求的重要性等等要素。
1.4结构抗风计算1.4.1理论计算在计算分析的工作中：①要充分的考量结构的线性，同时要充分的考量非线性恢复力特性，从而完成模型分析工作；②选择科学的计算方法，计算模拟风场，同时分析风振的动力时程；③按照不一样的性能目标，选择有效的分析方法；④推广实用性较强和容易掌握的计算方法，降低计算量，重视前后处理软件程序的开发和利用工作。
横风向风效应研究
横风向风效应研究摘要：目前，关于建筑物横风向荷载与响应的相关问题仍较为复杂，风荷载是高层或是超高层建筑物所承受的主要侧向荷载，与尾流、来流紊流和气动反馈密切相关。
此文主要从风效应、横风向气动力的确定方法、横风向气动阻尼的识别方法、横风向等效静力风荷载的计算方法和风效应相关模型几个方面对横风向风效应进行研究探讨。
关键词：横风效应高层建筑荷载1.风效应的定义风效应可分为顺风向结构风效应和横风向结构凤效应，是由于风力产生的结构位移，速度和加速度响应而产生。
对于高层建筑或超高层建筑，横风向风效应对建筑结构产生的影响更大。
2.横风向气动力的确定方法2.1 气动弹性响应反演法气动弹性响应反演法是用单自由度气动弹性模型风洞试验的中得到的动力特性参数从而反演出横风向气动力谱，并且这种方法略去了气动反馈作用。
这个方法的具体做法需要在忽略高阶模态影响的基础前结合模型的动力特性参数反演模态广义横向位移响应谱。
通过这个方法就可以了解紊速度、折算风速、高宽比、截面形状、涡旋共振、非线性及角沿修正对动力气谱的影响。
但是这个方法也有它的缺陷或是不足之处，他的适用范围受到限制，只适用于一定风速作用下具有一定刚度的建筑，这就是他的运用受到了很大的局限性，并且这个方法也存在较大的误差。
2.2 刚性模型表面风压积分法刚性模型表面风压积分法就是对刚性模型表面风压进行空间积分，得到高层建筑的横风向气动力谱。
我们通过同步测压试验分解横风向气动力谱的方法，第一，可以解释高层建筑横风向气动力谱的结构部分；第二，可以计算出结构基阶和高阶广义气动力谱。
当然，这种方法也有它的不足，就是操作过程繁复，也会存在一定的误差。
3.横风向气动阻尼的识别方法3.1 刚性模型与气动弹性模型试验比较法这种方法是通过横风向气动力谱与气动力阻尼相结合，从而能够计算得出与实际测量结构很吻合的横风向响应。
通过实验研究表明：在城市风场的条件之下，其中的方形建筑物横风向响应是启动稳定的；另外，由于质量阻尼系数，开阔地区的横风向响应则可分为气动稳定区、气动非稳定区和气动发散区三个区域。
超高层建筑的结构抗风设计
超高层建筑的结构抗风设计大跨、柔、轻质和低阻尼方向发展，使得结构对风的敏感性大大增强，风荷载正逐渐成为结构设计时的主要侧向荷载之一，甚至是决定性的设计荷载。
因此对于高、长等柔性结构的抗风计算和设计是结构抗风安全的关键，具有重要意义。
合理的进行结构抗风设计，是保证结构安全的重要因素，特别是超限高层建筑，由于它们的结构设计计算己经超出了相关规范及规程的要求。
因此，在设计时应进行专门的研究，对于实际工程具有现实的指导意义。
一、风对建筑结构的作用及结构抗风设计要求风荷载是建筑物的主要荷载之一，虽然其作用幅度比一般地震荷载小，但其作用频度却较地震荷载高得多。
随着结构规模的增加(高度与长度)，风荷载变得越来越重要以至于最后成为结构设计中控制性荷载，即非抗震设计时的荷载效应组合控制结构的设计。
1.1 建筑结构的风致效应建筑结构的风致效应包括静力效应和动力效应。
静力风效应是指由于结构上的静力风荷载所引起的结构的静内力和静位移;动力风效应是指由结构上的脉动风荷载和漩涡干扰力所引起的结构的振动反应，包括振动内力、振动位移和振动加速度。
1.2 风对建筑结构的作用在风力的作用下处在风场中的建筑物承受由风引起的静力荷载与动力荷载。
按风对建筑物作用力的方向不同可分为:1.在建筑物的迎风面上产生的压力(气流流动产生的阻力)，包括静压力和动压力;2.在横风向产生横风向干扰力(气体流动产生的漩涡扰力与湍流脉动压力);3.空气流经建筑物后在建筑物的背后产生的涡流干扰力(包括背风向的吸力)。
1.3 建筑结构抗风设计要求建筑物抗风设计必须保证结构在使用过程中不出现破坏现象，主要涉及以下几个方面：1.结构抗风设计必须满足强度设计的要求，也就是说结构的构件在风荷载和其他荷载的共同作用下内力必须满足强度设计的要求。
确保建筑物在风力的作用下不会产生倒塌、开裂和大的残余变形等破坏和损伤。
2.结构抗风设计必须满足刚度设计的要求，以防止建筑物在风力作用下产生过大的变形，引起隔墙的开裂、建筑装饰和非结构构件损坏。
超高层建筑结构横风向风荷载研究
计算 方法 ， 于其它 截面 高层 结构 ， 没有 任 对 则
何规 定 。 横风 向风振 的定义 为 ，当建 筑物 受 到风 力作 用 时 ， 不但 顺风 向可 能 发生 风振 ， 而且 在 定 条件 下 ， 能发 生横风 向的风振 。 也 横风 向 风振 是 由不稳定 的空气 动力 形成 ，其 性质 远 比顺 风 向复杂 。 当结 构物 上有风 作用 时 ， 就会 在该 结构 物两侧 背 后产 生交 替 的漩 涡 ，且 将
：
Ｃｉ ｗ ｅｎｏｅａ ｏ ｃ ｈａ ｅ Ｔ ｈ ｌｉ ｎＰｄ ｔ ｎＮ ｃ ｏｇｓ ｄｒｕｓ
高 新 技 术
超高层建筑结构横风 向风荷载研 黑龙江 哈 尔滨 １０ ０ ２ 哈 尔滨工业大学建筑设计研 究院 ， ５００ 、 黑龙江 哈 尔滨 １０ ０ ） ５ ０ ０
２２计算 工程 － 为便 于 比较 ，本文 选择 了三个典 型 工程 来 进行 比较 ， 别 为 高层 Ａ， 分 高层 Ｂ， 层 Ｃ 高 ， 结 构信 息如表 １ 示 。 所 结构 阻尼 比为 ００ ， ． 峰 ５ 值 因子统 一取 为 ３ 。 ． 三个 高层 结构 的风洞 试 ０ 验如 图 １３ 示 。其 中高层 Ａ的模 型 比例 为 —所 １０， ： ０ 高层 Ｂ的模 型 比例 为 １ ５ ， 层 Ｃ的 ４ ： ０高 ２
一
有一 侧然后 向另一侧 交 替脱 落 ，形 成所 谓 的 卡 门涡列 。卡 门涡列 的发 生会 使建 筑 物表 面 的压 力呈周 期性 变 化 ，其 结果 是 使结 构物 上
作用 有周 期性变 化 的力 ，作用 方 向与 风 向垂 直 ，称 为横 风 向作用 ，也 可 以称之 为 涡激振 动。 当发生漩 涡脱 落 时 ， 若漩 涡脱 落频 率与 结 构 自振频率 相符 ， 出现共 振 。 般 大家认 为 将 一 对于 圆形截 面高 层结 构更 容 易出 现这种 涡激 振动 ， 因而 横风 向振动 问题较 为 突出 。 而实 际 上随着 结构 高度 的增 加 ，常规 截面 高层 建筑 的横 风 向振 动 同样 比较剧 烈 ，有 时可能 会远 大于顺 风 向风振 ， 成为 控制 荷载 。 而我 国规范 则欠缺 该部 分的 内容 。这种 内容上 的欠 缺会 使得设 计人 员认 为对 于常规 截 面高 层建 筑结 构不存 在横 风 向风振 问题 ， 即使 存在 ， 风 向 横 风 荷 载也远 小于顺 风 向风 荷 载 ，顺 风 向风荷
高层建筑横风向风效应研究综述
ｏ ｔ ｐ ｏ ｌｍｓ ｎ ｄ ｆ ｉ ｎ ｙ ｆ ｃ ｏ ｓｗｉ ｄ ｅ ｐ ｎ ｅ ｎ ｈｅ ｒ ｂｅ ａ ｄ ｅ ｉ ｅ ｃ ｏ ａ ｒ ｓ － ｎ ｒ ｓ ｏ ｓ ｃ ｒ ｓ ａ ｃ ｓ ｍｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｍｐ ｓ ｓ ａ ｅ ｐ ｏ ｓ ｄ ｔ ｅ ｅ ｆ ｃ ｆ ｅ ｅ ｒ ｈ，ｏ ｅ ｅ ｒ ｈ ｅ ｈ ｅ ｒ ｒ ｐ ｅ ： ｆ ｔｏ ａ ｏ ｈ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｂ ｉ ｉ ｇ ｓ ａ ｅ ｔ ａ ｒ ｙ ａ ｃ ｆ ｒ ｅ ， ｔ ｅ ｏ ｌｘ ｕｌ ｎ ｈ ｐ ｏ ｄ ｅ ｏ ｎ ｍｉ ｏ ｃ ｓ ｈ ｄ ｉｅ ｔ ｉａ ｉ ｎ。 ｃ ａ ｉｍｓ ａ ｄ ｉｆｕ ｎ ｅ ｆ ｃ ｒ ｆｃ ｏ ｓ ｗ ｎ ｄ ｎ ｉ ｃ ｔｏ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｎ ｎ ｌ ｅ ｃ ａ ｔ ｓｏ ｒ ｓ － ｆ ｏ ｉ ｄ
ａ ｒ ｙ ａ ｃｄ ｍｐｎ ｃ ｌｕａｉｎ ｍｅ ｏ ｓｏ ｑ ｉａｅ ｔｓ ｔ ｅ ｏ ｎ ｍｉ ａ ｉｇ，ａｃ ｌｔ ｔｄ ｆｅ ｕｖ ｌｎ ｔ ｉ ｄ ｏ ｈ ａ ｃ
ｉ ｄ ｌ ｎ —Ｄ ｏ ｐ ｉ ｇ ｐ ｏ ｌｍｓ ｏ ｍｐ ｅ ｉ ｈ ｒｓ ｗ ｎ ｄ ａｄ３— ａ ｏ ｃ ｕ ｌ ｒｂｅ ｆｃ ｎ ｏ ｌｘ ｈ ｇ ・ ｉ ｅ
ｂ ｉ ｉｇ ． ｕ ｌ ｎ ｓ ｄ
关注 的重点 ： 高层建 筑外形 的复杂 变化对 气 动力 的影 响 、 高
层建筑横风 向气动 阻尼 的识 别方法 以及形成 机理 和影 响因
素、 等效静力风荷载计算方法和复杂形体 超高层建 筑顺 、 、 横 扭 ３种风荷载分量 的耦合 问题 ．
关键词 ：高层建筑 ；横风 向风效应 ； 气动力 ； 气动 阻尼 ； 等效 静力风荷载
ｗｉｄ ｌ ｄ ｎ ｏ ｓ ａ
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中国新技术新产品
- 25 -
程中的超高层建筑，有时横风向风荷载远大于顺风项，为控制荷载，因此目前我国荷载规范在超结构的横风向抗风设计部分的规定
是不完善的，需要补充该部分内容，本文则通过几个典型工程实例来说明该问题。 关 键 词 ：结构抗风；高层建筑；横风向振动；风致响应
1 前言
的风致响应，并采用等效惯性力的方法得到
随着我国经济的快速发展，在我国沿海 了结构横风向和顺风向的等效静风荷载，包
动。当发生漩涡脱落时，若漩涡脱落频率与结
构自振频率相符，将出现共振。一般大家认为
对于圆形截面高层结构更容易出现这种涡激
振动，因而横风向振动问题较为突出。而实际
上随着结构高度的增加，常规截面高层建筑
的横风向振动同样比较剧烈，有时可能会远
大于顺风向风振，成为控制荷载。而我国规范
则欠缺该部分的内容。这种内容上的欠缺会
地区兴建了大量的超高层建筑。在超高层建 括基底弯矩、基底剪力和各层等效风荷载。
筑结构抗侧力体系设计中，风荷载往往是控
制荷载。因而高层建筑抗风研究是结构工程
领域中当前的热点。目前在这些高层建筑的
设计中，设计人员主要根据我国荷载规范中
高层结构风荷载规定来进行结构体系的抗风
设计。在我国荷载规范中，对于顺风向荷载，
使得设计人员认为对于常规截面高层建筑结
构不存在横风向风振问题，即使存在，横风向
风荷载也远小于顺风向风荷载，顺风向风荷
载始终为控制风荷载。为此本文结合风洞试
图 3 工程 C 风洞试验图片
验对几个典型高层建筑工程的顺风
向和横风向结构风振响应及风荷载
进行了比较，对上述问题进行了说
明。
Hale Waihona Puke 2 结构风振响应分析2．1 计算方法
图 6 0°风向角下 X 方向(横风向)及 Y 方向 (顺风向)顶点位移功率谱密度
图 7 0°风向角下 X 方向(横风向)及 Y 方向 (顺风向)各振型应变能比例
3 顺风向与横风向风荷载比较 本文统一比较了三个典型高层工程 A,B 和 C 的等效静风荷载,限于篇幅，下文中的风 表 4 顺风向和横风向风荷载比较
荷载比较只给出了基底弯矩。本文还计算了 采用规范方法计算得到的顺风向基底弯矩， 其中平均风荷载按照风洞试验取值，风振系 数按照荷载规范取值。表 4 给出了采用等效 静风荷载得到的最大横风向与顺风向基底弯 矩，以及采用荷载规范方法得到的顺风向基 底弯矩。
从表中可以看到，三个高层建筑的横风 向基底弯矩明显大于顺风向基底弯矩。且根 据风洞试验风压时程计算得到的基底弯矩明 显大于按照荷载规范计算得到的基底弯矩。 这说明对于矩形截面的超高层建筑结构，有 些时候，涡激振动产生的横风向荷载要大于 顺风向荷载，为控制荷载。此时按照荷载规范 进行结构抗风设计时，并不能保证结构的安 全性。为此需要在荷载规范中给出矩形截面 高层结构的横风向抗风设计方法，以保证高 层建筑结构的安全。同时需要纠正一个认识 误区，即对于超高层建筑结构，不是只考虑顺 风向风振就可以保证结构安全了，需要更多 的考虑结构的横风向作用。
风力。采用插值的方法得到了作用
在结构各层上的顺风向与横风向风
力时程。以此为基础采用随机振动
图 4 0°风向角下 30 层高度处 X 方向
的方法计算了结构顺风向和横风向
（横风向）脉动风力时程及功率谱密度
- 24 - 中国新技术新产品
高新技术
0.32Hz 之间，在 0.21-0.23Hz 附近达到峰值， 而结构的前两阶振动频率都在其附近，因而 结构的共振响应明显，脉动风的动力放大作 用显著。所以结构横风向的风振响应(包括顶 点位移，层间位移和层高比，顶部加速度和基 地倾覆力矩)反而大于顺风向的风振响应。
与顺风向风荷载相比，横风向
ÁÁÁÁÁÁ2．2计算工程
为便于比较，本文选择了三个典型工程 来进行比较，分别为高层 A，高层 B，高层 C， 结构信息如表 1 所示。结构阻尼比为 0.05，峰 值因子统一取为 3.0。三个高层结构的风洞试 验如图 1-3 所示。其中高层 A 的模型比例为 1:400，高层 B 的模型比例为 1:250，高层 C 的 模型比例为 1:250。
中国新技术新产品 2010 NO.15 China New Technologies and Products
高新技术
超高层建筑结构横风向风荷载研究
张 伟 1 戴大志 2 （1、哈尔滨学院，黑龙江 哈尔滨 150000 2、哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150000）
摘 要：对于超高层建筑结构，我国荷载规范只给出了顺风向的抗风设计方法，对于横风向风荷载则并没有给出规定。而在实际工
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风荷载的形成机理要复杂得多，准
定常理论不适用。为此本文首先在
风洞试验中采用同步测压技术同步
测量了模型的表面风压, 获得了测
量点的平均风压和脉动风压, 进一
步得到了测量层的平均风力和脉动
振型为线性的。由于超高建筑的高度
大、频率低，不仅线性振型假定会带来
中国新技术新产品 2010 NO.15
China New Technologies and Products
较大误差，忽略二阶以上振型的贡献也会使 该方法的分析精度满足不了超高建筑抗风设 计的要求。因此本文建议采用计算结果更为 精确的基于风荷载同步测压技术的随机振动 计算方法来代替传统的高频测力天平方法计 算高层结构的风振响应。
振型以 Y 方向振动为主，因此可以说，在 0°
风向角下，结构顶点振动位移中，X 方向以第
一阶振型为主，Y 方向以第二阶振型为主。上
述是结构的顶点位移动力响应分析，那么结
构整体是不是也是如此振动那？图 7 给出了
各阶模态应变能的比例。从图中可以清楚地
看到，脉动风荷载下，结构整体振动中，X 方
向以第一阶振型为主，占 0.91%，但第三振型
参考文献 [1]中华人民共和国建设部. 建筑结构荷载规 范 GB50009-2006. [2]Architectural Institute of Japen. AIJ Rec－ ommendations for Loads on Buildings [Z]. Tokyo, Japan: Architectural Institute of Japan. 2004. [3]顾明，叶丰，高层建筑风致响应和等效静力 风荷载的特征，工程力学，2006；(7)：93-98 [4]Emil Simu, Rober H.Scanlan， Wind Ef－ fects on Structures [M] 3rd edition. New York: John Wiley &Sons Inc, 1996. [5]MarukawaH, Ohkuma T, Momomura T. Across -wind and torsional acceleration of Prismatic High Rise Buildings[ J ]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynam－ ics, 1992, 41-44: 1139-1150.
图 5 0°风向角下 30 层高度处 Y 方向 （顺风向）脉动风力时程及功率谱密度
下面对 0°风向角结构的响应进行谱密度 分析，分析结构各阶振型所占的比例。本文根 据结构不同模态对整个结构在脉动风作用下 应变能的贡献多少来定义模态对结构风振响 应的贡献。系统总体的应变能可表示为式(1)。
(1)
其中
为第 j 阶模态的应变能，kpj 和
σ2j 分别为第 j 阶模态的广义刚度和位移均方
差，下面采用应变能来定义结构各阶振型对
结构风致振动的影响。
0°风向角下结构顶点位移峰值的谱密度
如下图 6 所示。从图可见，结构顶部位移振动
的能量主要集中在 0.2Hz-0.25Hz 之间，而这
处于结构的前两阶振型的频率附近。考虑到
结构第一阶振型以 X 方向振动为主，第二阶
风振是由不稳定的空气动力形成，其性质远
比顺风向复杂。当结构物上有风作用时，就会
在该结构物两侧背后产生交替的漩涡，且将
有一侧然后向另一侧交替脱落，形成所谓的
卡门涡列。卡门涡列的发生会使建筑物表面
的压力呈周期性变化，其结果是使结构物上
作用有周期性变化的力，作用方向与风向垂
图 2 工程 B 风洞试验图片
直，称为横风向作用，也可以称之为涡激振
4 结论 本文通过对几个典型高层建筑结构的顺 风向与横风向风致反应分析和等效静风荷载 比较，得到了如下结论： 4.1 对于普通截面超高层结构，和圆形 截面结构相同，同样存在横风向涡激振动。 4.2 对于矩形截面的超高层结构，横风 向载荷和顺风向荷载为同一数量级，而且很 多时候，其大于顺风向风荷载，为控制荷载， 都应该考虑。 4.3 现行荷载规范只规定了圆形截面高 层和高耸结构的横风向涡激振动验算方法， 没有给出普通截面高层结构的横向风荷载计 算方法，这显然是非常欠缺的。 4.4 对于超高层结构的风振响应，有时 候不能够仅考虑结构第一振型的影响，高阶 振型的影响需要考虑。
也不可忽略，比例为 8%。Y 方向以第二阶振
型为主，比例在 95%以上。所以，在结构分析
时，结构X 方向风致振动需要至少考虑
第一阶和第三阶振型影响，而 Y 方向只
考虑第二阶振型即可满足精度要求。
目前的高频测力天平风洞试验方
法只能考虑结构的一阶振型，考虑不了
结构的高阶振型作用。且得不到风荷载
的空间分布信息，只能假定结构的一阶
2．3 结构风振响应分析 本部分以高层 B 为例进行了结构风振响 应分析，来说明结构风振特点。经过分析，选 择 0°风向角(迎风向)作为典型风向角来进行 分析，0°风向角下结构响应表 2 所示，结构的 自振频率如表 3 所示。从表 2 中可见，横风向 的结构响应大于顺风向结构响应。 下面给出了高层 B 0°风向角下第 30 层 处 X（横风向）和 Y（顺风向）向结构的风荷载 时程及频谱特性，如图 4-5 所示。对于 0°风向 角，从表 2 可见，Y 为顺风向，平均风荷载较 大，平均风基地倾覆力矩较大为 1.071E9N.m； X 为横风向，平均风荷载很小，平均风基地倾 覆力矩也很小，为 1.543E8N.m，二者相差近 7 倍。这说明平均风荷载在顺风向占绝对优势。 由顺风向 Y 方向力的功率谱可以看到，脉动 风荷 载的 主 要能 量都 分 布 在 低 频 部 分 ，在 0.1Hz 以下部分。而结构的第一阶振型频率为 0.2137Hz，高于 0.1Hz，因此结构顺风向的共 振响应较小，脉动风动力放大作用较小。而由 横风向 X 方向力的功率谱可以看到，脉动风 荷载的主要能量也在低频部分，但都在 0.05-