偏心超高层建筑的风振研究
第３８卷第２期 ２０１０年２月 同济大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＯＮＧＪＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ） Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１０ 文章编号：０２５３—３７４Ｘ（２０１０）０２—０１７８—０５ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—３７４ｘ．２０１０．０２．ＯＯ５ 偏心超高层建筑的风振研究 唐 意 。，顾 明 ，金新阳 （１．同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海２０００９２；２．中国建筑科学研究院，北京１０００１３） 摘要：基于结构随机振动理论，考虑了结构振型耦合以及风 力相关性的影响，推导了偏心超高层建筑弯扭耦合风振计算 公式．利用风洞试验获得的脉动风力数据计算了矩形截面偏 心结构的风振响应，从舒适性角度研究偏心位置和截面厚宽 比对结构风致振动加速度的影响．研究结果表明，当建筑短 边迎风且刚心和质心在顺风向偏离时，风振响应显著增大． 关键词：偏心超高层建筑；弯扭耦合；风致振动 中图分类号：ＴＵ ３１２．１ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗｉｎｄ－Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌｙ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｔａｌｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ＴＡＮＧ Ｙｉ 一，ＧＵＭｉｎｇ ，Ｊ１ＮＸｉｎ￣ｎｇ。 （１．Ｓａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ ＤｊＳａｓｔｅｒ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｔｏｎ￣ｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒａｎｄｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｌａｔｅｒａｌ—ｔｏｒｓｉｏｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌｙ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍｏｄｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｗｉｎｄ ｆｏｒｃｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ｄａｔａ ｏｎ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｗｉｎｄ ｔｕｎｎｅｌ ｔｅｓｔ， ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｅｃｃｅｎ￣ｉｄｔｙ】ｏｃａｆｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｄｅ ｒａｔｉｏ ａｒｅ ａｌｓｏ ｅｘａｍｉｎｅｄ ｆｏｒ ｓｅｒｖｉｃｅａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｏｎｇｗｉｎｄ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｅｎｔｅｒｓ ｏｆ ｍａｓｓ ａｎｄ ｒｉｇｉｄｉｔｙ｛ｏｒ ａ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｈｏｓｅ ｗｉｎｄｗａｒｄ ｂｒｅａｄｔｈ ｉｓ ｓｈｏｒｔｅｒ ｔｈａｎ ｉｔｓ ｄｅｐｔｈ ｍａｙ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ａ ｇｒｅａｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｗｉｎｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｕｃｔｕｒａｌｌｙ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｌａｔｅｒａｌ— ｔｏｒｓｉｏｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｗｉｎｄ—ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ 风致振动影响高层建筑的安全性和使用性，是 结构设计中需要考虑的一个重要因素．一般认为，当 高层建筑达到２５～３０层以上或高宽比大于４～５ 时，舒适性是控制设计的主要因素之一＿１］，也即高层 建筑的上部楼层的加速度响应要求控制在一定的人 体舒适度标准范围内［２］． 在脉动风荷载作用下，高层建筑在顺风向、横风 向和扭转方向产生振动．这样划分主要是由于这三 种运动的机理不相同．顺风向动态响应主要由于顺 风向紊流激励产生；横风向响应主要作用机理是尾 流和横风向紊流激励及气动弹性效应；而扭转响应 是由于迎风和背风面及侧面风压的不对称所致，与 紊流及尾流激励有关．当结构质心和刚度中心偏离 时，弯曲振型与扭转振型出现耦合，结构响应与单一 方向的响应有很大差别，表现为复杂的空间运动 形式． 自１９２６年迈阿密迈耶一基塞大楼由于横风向荷 载与扭矩联合作用产生严重风振响应开始＿３］，研究 人员开展了相当多关于超高层建筑弯扭耦合风致响 应的研究Ｉ４ ］．按响应的获取途径可将研究方法分 为气动弹性模型风洞试验方法和基于测压或测力试 验结果的理论计算方法．前者能够直接测试结构响 应，但试验模型设计和制作过程复杂，难以进行参数 研究．而后者将外加风力获取与风振响应计算分开 进行，特别是先进的压力扫描设备出现，能够保证风 力测试的精确性和使用方便性，但很少有研究者将 其用于超高层建筑弯扭耦合风振的研究． 针对上述问题，本文进行了多个矩形断面超高 层建筑刚性模型的同步测压风洞试验，采用试验测 量的脉动风力进行偏心超高层建筑的三维风振研 究，通过算例说明偏心高层结构风振的基本特性及 偏心位置和矩形断面厚宽比的影响效果． 收稿日期：２００８—１１—１９ 基金项目：国家自然科学基金委创新研究群体科学基金资助项目（５０６２１０６２）；国家自然科学基金重大研究计划重点资助项目（９０７１５０４０） 作者简介：唐意（１９７８一），男，工学博士，副研究员，主要研究方向为高层建筑抗风．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｉｍｎｇ＿ｈｕｎａｎ＠１６３．ｃｏｒｎ 通讯作者：顾明（１９５７一），男，教授，工学博士，博士生导师，长江学者，主要研究方向为建筑结构抗风．Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｉｎｇｇｕ＠ｔｏｎｇｊ
ｉ．ｅｄｕ．ｃｎ 同济大学学报（自然科学版） 第３８卷 每层回转半径相等、每层弯扭刚度比相等的条件时， 多层偏心建筑可简化为单层偏心建筑处理，其空间 振型可计算如下： ＝ａ ， ＝ａ ， ＝ａ日 （２） 式中： ， 和 分别为无偏心高层建筑在 轴， Ｙ轴和扭转方向的振型；ａ ，ａ 和ａ 分别为简化单 层偏心建筑在 轴， 轴和扭转方向的振型； ， 和 分别为偏心高层建筑在∞轴， 轴和扭转方向 的振型． 利用式（２）可简化偏心超高层建筑的风振计算， 文献［１，４，ｌ１］都采用了类似简化方法．限于篇幅，本 文不介绍式（２）的证明及简化过程．利用位移响应功 率谱计算平动加速度响应方差： ｒ∞ （ ｆ， ）＝ｌ Ｒｅ［ Ｓｄ（ｚ ， Ｊ；∞）］ｄ （３） Ｊ ０ 式中：Ｊｓｄ（ ，Ｚｆ；叫）为平动位移响应功率谱； 为圆 频率；Ｒｅ［］表示取复数实部． 将偏心高层结构某一层看成刚片，则高度ｚ ｉ处 的楼层内某一点（ ｉ，！，ｔ， ）的平动加速度矢量为 ｄ（ ｉ，！， ， ｛）＝［ｄ ，ｄ ］＝［ （ ｔ）一９（ｚｉ） 一 。２（ｚｔ） ｉ， （ ｉ）＋Ｏ（ ）∞ｔ一 （ ｉ）Ｙ ］ （４） 去掉高阶项Ｄ；（Ｚｉ），计算点（∞ｉ，Ｙｉ，ｚ ）在 ，Ｙ和 方向的加速度响应方差： 式中： ２ （ ）， ｉ（ ）和 （ ）分别为顺风向 加速度方差、横风向加速度方差和扭转角加速度方 差； ’Ｊ（ ｔ）， （２｛）分别是顺风向加速度、 横风向加速度与角加速度的协方差． 振型 ａ第一阶模态ｆｆ－ｏ．２０１Ｈｚ） ｌＯ倍扭转 Ｙ方向 方向 ● Ｉ 点（ ，Ｙ ， ）的最大平动加速度响应方差为 ～ （ ｉ）＋ 卺 （ ｉ）＋ｌ＿２ （ ）１＋ ｌ ２ｘｉａ．￣． （ ）ｌ＋（ ＋ ｛）口 （ ｔ） （６） ３计算参数 对高×厚Ｘ宽＝３００ ｍ×５０ ｍ×５０ ｍ的方形截 面超高层建筑进行分析．取建筑物密度为１９０ Ｋｇ・ ｍ～，回转半径为２０ ｍ（４０％的短边长度［１］），结构阻 尼比为０．０１，结构无偏心时在 ，Ｙ轴方向及扭转方 向的振动频率分别为０．２２，０．２２，０．２６１ Ｈｚ．建筑所 在周边为Ｂ类地貌，１０年重现期基本风压为０．５ ｋＮ・ｍ～． 电梯井或构件的非对称布置可能导致结构刚心 和质心偏离．为考察结构偏心影响，假设偏心距离在 （０～２Ｏ）％短边长的范围内变化．参考文献［１，４，８一 ＩＩ］的方法，按照式（２）计算偏心结构的振型，在下面 风振响应计算中考虑前三阶模态．图５给出了质心 坐标等于（一５ ｍ，０）而刚心坐标等于（０，５ ｍ）时的前 三阶振型． 对于矩形截面偏心建筑，仅变化几何尺寸，其他 参数与方形截面偏心建筑的参数相同．矩形截面建 筑的高度均为３００ ｍ，迎风面厚度Ｊ［）和宽度Ｂ在 ５０￣１００ ｍ之间变化．为考察偏心对超高层建筑风 振响应的影响，定义了最大平动加速度响应增大 系数： ，一Ｅｃ 、 Ｒ＆＝ｆ ｏＡ ｎ－￣ｘ一１）×１００％ （７） ＼ ／ 式中：符号Ｅｃ表示结构存在偏心时的结果； 表 示结构存在偏心时的总响应根方差，按照式（６）计 算； 一为无偏心结构的总响应根方差．ＲＥｃ越大，说 明偏心引起的响应增大越显著． — 一ｌＯ倍扭转 一Ｙ方向 廿 方向 振型 振型 ｂ第二阶模态ｆｆ＝ｏ．２２２ Ｈｚ） ｃ第三阶模态（ｒ－０．２９２ Ｈｚ） 图５偏心超高层建筑结构的空间振动 Ｆｉｇ．５ ３－Ｄ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｔａｌｌ ｂｕｉｄｉｎｇ ＋ｌ０倍扭转 一 方向 廿ｘＴｙ向 ５ ） ） （ １ ● （ （ Ｊ ７ ２¨ ２¨ 。 ＋ ＋ 、，、， （ （ ， ．７ ¨ ¨ ¨ ¨ Ｉ３ ２ ２ 一 ＋ ） ） ） （ （ （ ， ， ● 乳 毛 ＝ ＝ ＝ 第２期 唐意，等：偏心超高层建筑的风振研究 ４计算结果及分析 图６给出了建筑顶层（ ，Ｙ ）＝（２０ ｍ，２０ ｍ）处 的加速度响应随偏心距离变化的情况，图中横坐标 为刚心或质心坐标与方形截面边长Ｂ的比值．从图 中可看出，当质心或刚心在顺风向偏离时（见图６ａ 和图６ｂ），顺风向加速度响应（ ）保持不变，而横风 ’叩 萎要 ｊ｝｝ｌｊ 嚣恹 ｘＭ／Ｂ ａ质心在顺风向偏离 ： ＼．．．．．．．／ ６１－＿ ‘ －６ ＾ ＾ － － “ ＜＝二＝ Ｏ．２—０．１ ０ ０．１ ０．２ ＸＨ｝Ｂ 向加速度（ ； ）和扭转方向加速度（￣／ ＋Ｙ｛ ）随 偏心距离增加大小交替变化．当质心或刚心在横风 向偏离时（见图６ｃ和图６ｄ），加速度响应相对偏心距 离等于０的竖轴对称分布，横风向加速度响应保持 不变，而顺风向响应和扭转方向响应随偏心距离交 替变化，此时质心偏离对响应的放大作用比刚心偏 离更明显． 保持质心或刚心偏离形心的距离为１０％的短边 一 ＋ 兰一函、 一厮 堇 ＋（￥Ａｍａｘ — 一 。 ＋ 售、吕， 一厮 叠 最 ‰／Ｂ ｂ刚心在顺风向偏离 ／Ｂ —１卜￣Ａｍａｘ — 一盯 —●一盯¨ 十、 ＋ 。 —｛卜－￣￣Ａｍａｘ 盯｛』 —●一盯“ 一厮 Ｃ质心在横风向偏离ｄ刚心在横风向偏离 图６方形超高层建筑加速度响应随偏心距离变化情况 Ｆｉｇ．６ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｏ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ 长度（５ ｍ），考察质心和刚心相对位置变化对加速度 不同偏心位置的工况编号，第２，３列为偏心位置参 响应的影响．表１给出了１３种不同刚心和质心位置 数，第４列括号内的数值为按式（７）计算的最大平动 的方形建筑顶层加速度响应根方差．表中第１列为 加速度响应增大系数． 表１不同偏心位置的方形建筑加速度响应 Ｔａｂ．１ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｔａｌｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ 叭 饮 ３ ２ ２ １ ｌ ０ 、Ｌ ＾ ∞．１ｌＩ）＼州恹 售 嘲最
浅谈高层建筑抗风设计及风振有效控制方法
科技信息 浅谈高层建筇抗风设计及风振青效控制方法 江苏集慧建设集团有限公司 杨团结 【摘要］本文通过对高层建筑在风荷载作用下的影响因素以及风荷栽的特点以及分类的分析，介绍了常用抗风设计控制方法，分析 了风荷栽以及风荷载的影响因素，提出了高层建筑抗风设计的一些原则和舒适性条件，并通过实例说明了现阶段常用的风振控制方法。 ［关键词］抗风设计 风荷载 舒适性 主动控制 被动控制ＴＭＤ系统 １．前言 随着全球经济的迅速发展，在世界各地区都兴建了大量的（超）高 层建筑，在（超）高层建筑结构抗侧力体系设计中，一般风荷载和地震荷 载是主要的荷载。风压会造成高层建筑产生过大的变形和振动，如果 建筑抗风设计不当，或者导致建筑产生过大的变形，会致使建筑产生局 部破坏，甚至整体破坏。所以建筑，尤其是高层建筑中抗风设计是非常 重要的一个环节。对于高层建筑建筑结构的抗风设计，往往超越抗震 设计，成为高层结构设计中的控制因素。这主要是因为（超）高层建筑 结构的第一自振周期与场地地面卓越周期相差较大，故地震作用对它 的影响远比风荷载小。此外，由于风荷载可以根据多年的气象研究得 出，人们对风荷载的研究比较深入，而且风对建筑的作用的频率远比地 震作用的高；而地震荷载充满未知性和不确定性，目前人们无法对其进 行预测和控制，因此，高层建筑的抗风设计研究是当前结构工程领域中 的热点问题。 ２．风荷载的特点及分类 ２．１风荷载的特点 风荷载是控制高层建筑结构设计的重要侧向荷载，正确考虑风力 的作用，关系到结构设计的合理眭和经济性。 对于高层建筑而言，风是一种持续时间较长的随机荷载。风对结 构物体的作用，使结构产生震动，其产生的原因主要有以下三种： １）顺风向的风力作用，它包括平均风（静压力）和脉动风（动压力）， 其中脉动风（动压力）引起结构物的顺风向振动，这种形式的振动在一 般工程结构中都要考虑； ２）结构物背后的漩涡引起结构物的横风向的振动； ３）由别的建筑物尾流中的气流引起的振动。 对于高层建筑来说，脉动风的作用是不容忽视的，因此在确定风荷 载的试验中，模型风洞试验是必不可少的。 ２．２风荷载分类 ２．２．１顺风向荷载 顺风向风荷载，即与风的方向一致的风力作用，是高层建筑承受的 主要荷载。但随着城市空间的日益紧密，高层建筑之间的距离越来越 小，相邻建筑之间顺向风的干扰也越来越明显。 ２．２．２横风向荷载 当高层建筑的高宽比较大时，横向风动力响应的干扰效应要大于 顺向风荷载。但结构横向风响应的激励机制往往比较复杂，一般认为 主要是由顺向风紊流、横向风紊流和尾流激励三者共同作用产生的，但 是由于横风向响应产生的机制比较复杂，影响因素比较多，至今还没有 成熟的理论和计算方法。 在我国荷载规范中，对于顺风向荷载，给出了明确的设计规定，对 于风振系数给出了实用的计算表格。但是由于产生机理比较复杂，对 于横风向荷载，则只给了圆形截面结构的临界风速和等效风荷载的计 算方法，国内研究多集中在规则的矩形高层建筑，通过研究不同长宽 比、高宽比的矩形棱柱体在边界层风洞中典型迎角下的横风力，提出了 矩形高层建筑横风力功率谱密度、均方根升力系数等经验公式，建立了 完整的横风向动力风荷载解析模型，对于其它截面高层结构，则没有任 何规定。随着高层建筑的日益增多，横向风干扰也是一个很值得学者 们研究的重要课题。 ２．２．３扭转风荷载 扭转响应是因气动荷载瞬时作用点与结构的质量和刚度中心不重 合引起的。高层建筑扭转风振会增大截面边界附近的位移与加速度， 对于高宽比较大的高层建筑物，尤其是建筑物形状不规则，迎风面较大 的建筑，扭转风荷载响应大大增加，可成为建筑物边界点响应中的主要 因素；此外由于高层建筑中的舒适性要求较高，在高层建筑的设计中必 须考虑到扭转风荷载的响应问题。 ３．高层建筑风振控制方法 ３３２－－—— ３．１控制的概念 ’ 控制最早是由Ｋａｂｏｒｉ和Ｍｉｎａｉ在１９６０年提出的。与结构自身的加 固和加强相比，结构中引进附加控制系统具有明显的优势。从策略上 讲，附加控制系统将风振输入结构的能量引向特别设置的机构和元件 加以吸收和耗散，以保护主体结构的安全。这比传统的依靠结构本身 及其节点的延性耗散地震能量相比显然是前进了一步。结构控制是控 制技术和建筑领域的交叉学科，是建筑模型下应用控制理论达到建筑 安全、舒适目标的课题。根据控制力是否有外加能源输入，结构控制可 分为被动控制、主动控制以及混合控制。被动控制无外加能源，控制力 是由结构响应被动施加的；主动控制是有外加能源的控制，主动控制是 由一定的控制理论计算后主动施加的，而混合控制是由被动控制和主 动控制相结合的作用。因此，就其产生的效果而言，主动控制更优于被 动控制，但它的控制力小；而混合控制则有效的利用了被动控制和主动 控制的优点，将两种控制进行了结合。 ３．２被动控制 被动控制突破了传统的设计思维，使仅依靠增加结构本身性能来 抵抗动力荷载的方法发展为由结构的抗震抗风控制体系能动地控制结 构的动力反应。被动控制的主要思想就是通过增加结构阻尼，提高构 件延性以及采用附加的耗能系统来提高建筑的抗振能力以及舒适性。 对于钢结构而言重量轻、阻尼小，所以更易采用结构振动控制措施，以 提高结构的抗风抗震能力。 ３．２．１耗能减振系统 耗能减振技术主要通过在结构的某些部位增设耗能器或耗能部 件，为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼。在风荷载作用时，阻尼器 产生较大的阻尼，大量耗散能量，使主体结构的动力反应减小，从而更 好地保护主体结构的安全，是一种有效、安全、经济且日渐成熟的工程 减振技术。目前开发的耗能装置主要有金属耗能器、摩擦耗能器、粘弹 性耗能器、粘滞耗能器，前两种耗能器的耗能特性主要与耗能器两端的 相对位移有关，称为位移相关型耗能器（或滞变型耗能器），后两种耗能 器的耗能特性主要与耗能器两端的相对速度有关，称为速度相关型耗 能器。此外，研究人员还结合以上各类耗能器的耗能机制和特性，研究 开发了具有多种耗能机制的复合型耗能器。 耗能减振系统可分为两类： １）耗能构件减振体系，利用结构的非承重构件作为耗能装置，常用 的耗能构件包括耗能支撑、耗能剪力墙等。 ２）阻尼器减振系统，包括摩擦阻尼器、软钢和合金阻尼器、铅阻尼 器、粘弹性阻尼器ＶＥＤ、油阻尼器等。 （１）摩擦阻尼器 这种阻尼器本身虽只具有理想弹塑性的特点，但可以通过与主体 结构串、并联使用，获得具有接近双线性滞回特性的阻尼耗能效果。 （２）软钢和合金阻尼器 此类阻尼器属于弹塑性阻尼器，具有丰满的滞回特性，可以串联在 支撑构件中，也可以设置在剪力墙顶部、梁的中间部位以及其它相对变 形较大的部位。 （３）铅阻尼器 新西兰首先开发的铅阻尼器，利用纯铅在恒定屈服应力作用下从 小孑Ｌ流出时可视为不可压缩弹塑性介质的无摩擦挤压特性，设计了收 缩管型和凸轴型挤压的阻尼器，已在许多工程中应用。铅阻尼器具有 理想的弹塑性性质，其滞回特性呈矩形，与摩擦阻尼器很相似，虽然屈 服极限可调，但一经设定就不能改变。 （４）粘弹性阻尼器 这是阻尼力与速度成比例（或成幂次方关系）的线性或弱非线性粘 弹性元件，通常用有机硅和其它高分子材料制成。其主要优点是没有 明显的阈值，对大震和小震都能起作用。
超高层建筑风荷载计算中的振型函数
第３１卷 第３期 ２０１０年 ６月 地震地磁观测与研究 ＳＥＩＳＭＯＬ０ＧＩＣＡＬ ＡＮＤ ＧＥ０ＭＡＧＮＥＴＩＣ ＯＢＳＥＲＶＡＴ１０Ｎ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ Ｖｏｌ＿３１ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ ２０１０
ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—３２４６．２０１０．０３．０１９
超高层建筑风荷载计算中的振型函数
徐永林 朱元清Ｄ 周晶矛 范宜瑶。
秦浩文Ｄ 阮镇基 干 劲
１）中国上海２０００６２上海市地震局 ２）中国上海２０００８１上海市北效高级中学 ３）中国上海２００１２０华东范大学附属东昌中学 ４）中国上海２００１２０中国金茂集团有限公司工程部
摘要在我国高层建筑建筑规范中关于风荷载计算中有一振型函数表达式 ＝ｔａｎ（￣（Ｚ／Ｈ） ／４）， 这一公式在计算风荷载中被广泛采用。作者在对金茂大厦风振位移的观测和研究中，发现该公式 与实际观测的结果不符。本研究给出金茂大厦这样的超高层建筑物的实测振型函数表达式：给出 与建筑规范不同的风荷载振型函数，供建筑界参考；积累超高层建筑风振振型函数样本，以便在规 范中给出符合实际振型函数的表达式，提高风荷载计算精度，设计出既经济又抗强风的超高层 建筑。
关键词超高层建筑；风荷载；振型函数
０ 引言
随着经济的快速发展，我国高层、超高层建筑的数量不断增加。例如上海的金茂大厦是已
建中国大陆次高建筑，框筒钢混结构，高度达４２０．５ ｍ，其邻近环球金融中心，高度４９２ ｍ，上 海中心（在建），高达５８０ ｍ（张关林等，２０００）。北京、深圳、台湾、香港等地也有许多高层和超
高层建筑。 对高层、超高层建筑，在设计时，其风荷载的计算是一个重要方面，尤其是动力风荷载，常 常成为结构设计的控制性因素（梁枢果等，１９９８）。由于高层和超高层建筑上的脉动风压卓越
期较长，其风振计算通常只须考虑基本振型的风振响应。因此，基本振型的函数表达式是否与 实际相符，是在高层和超高层设计阶段预估动力风荷载与振动响应的必要环节（梁枢果等，
高层建筑风振分析中的模态组合问题
高层建筑风振分析中的模态组合问题
汤昱薇;谢霁明
【摘 要】大多数超高层建筑具有两个侧移振动固有频率非常接近的特点,使得风振响应分析中不能忽略其模态相关性.但目前普遍采用的SRSS(Square Root
Squares)与CQC(Complete Quadratic Combination)模态组合方法存在理论上的不足,在实际工程应用中不能正确把握风致结构响应特点,对结构的抗风优化设计带来一定的困惑甚至误导.理论分析与数值计算证实了这两种方法的缺陷.SRSS方法完全忽略了模态相关性.CQC方法虽然在一定程度上考虑了模态相关性,但未能反映模态相关性中的相位关系,导致过于保守的计算结果.根据随机振动的基本理论,可建立基于风荷载互谱密度函数的模态组合新方法(称为“CS模态组合法”).这一方法能够完整考虑相邻模态之间的幅值相关性与相位相关性,原理清晰,计算简单,具有实际可操作性.与时域模拟结果的比较验证了这一新方法的可靠性与精确性.%Most
super-tall buildings have a feature of their first two sway modes' natural
frequencies being very close to each other,so in their wind-induced
vibration analysis their mode correlations cannot be ignored.However,the
current adopted mode combination methods of SRSS and CQC have
shortcomings in theory and can't handle correctly the features of wind-induced structural responses in actual applications to bring structural anti-wind optimization design a certain confusion even misleading.Here,the
超高层建筑在脉动风致响应下数值模拟研究
超高层建筑在脉动风致响应下数值模拟研究
鲍远伟
（合肥工业大学建筑设计研究院，安徽合肥２３０００９）
摘要：近年来大量超高层建筑结构与风荷载相关的研究工作相继开展，取得了很多有意义的成果。文章以某超高层建筑为例进
行了研究，在随机风致振动影响下，叙述了风荷载特性与脉动风荷载的数值模拟方法。采用Ｍａｔｌａｂ软件分析了结构在．２７、Ｙ两个
不同方向在脉动风荷载作用下的时程响应，为提高结构的安全舒适使用性能以及为该结构的风振控制设计提供了依据和参考。
关键词：超高层建筑；脉动风致响应；时程分析
中图分类号ｉＴＵ２４１．８；ＴＵ３９８．２ 文献标识码ｌＡ 文章编号ｌ１６７３—５７８１（２０１１）０５—０５７７—０３
０ 引 言
风致振动影响高层建筑的安全性和使用性，是结
构设计中需要考虑的一个重要因素。一般认为，当高
层建筑达列２５￣３０层以上或高宽比大于４～５时，舒
适性是控制设计的主要因素之一＿１］，即高层建筑的上
部楼层的加速度响应要控制在一定的人体舒适度标
准范围内。
。顺风向风振效应是结构风工程必须考虑的问题，
一般情况下对其结构的风振设计计算起主导作用。
顺风向的风可分为平均风和脉动风，两种风的作用特
性截然不同：平均风可作为静力看待，因而在平均风
作用下结构效应可利用静力分析得到；脉动风作用是
动力性质的，需要按随机振动理论进行结构动力分
析。因此，结构顺风向风振需要针对二者的不同特性
分别分析ｌ＿２］。
１风荷载特性概述
（１）平均风特性。在实际工程中，建筑物所受风
荷载的面积较大，且体型而不相同，建筑物迎风面、侧
风面和背风面压力不同，同一立面上沿高度的分布也
不均匀。各个面上各点的压力不仅同来流的速度和
夹角相关，又与建筑物的外立面形状、高度、长宽和建
筑物周围的地形地貌及植被情况有关。文献［３］中用
建筑物风载体型系数、风压高度变化系数和基本风压
来确定作用于结构上的平均风荷载。
高层建筑的建筑物抗风设计与风力特性分析
高层建筑的建筑物抗风设计与风力特性分析
随着城市化的进程，高层建筑在现代城市中扮演着日益重要的角色。然而，高层建筑的建筑物抗风设计与风力特性对其安全性至关重要。本文将对高层建筑的抗风设计与风力特性进行分析，并探讨如何有效提高高层建筑的抗风性能。
一、风力特性分析
高层建筑所处的风场环境会对其风力特性产生重大影响。在风力特性分析中，我们需要考虑以下几个方面：
1.1 风载特性
风载是指风对建筑物产生的力。风速、风向和风荷载分布是影响风载特性的三个主要因素。通过对特定区域的风速与风向数据的收集和分析，可以准确测算风载，并为高层建筑的抗风设计提供依据。
1.2 风振特性
风振是指大风作用下建筑物振动的现象。高层建筑由于其高度较大，容易受到风振的影响，因此对风振特性的分析尤为重要。通过建筑物结构动力学计算，可以评估风振对高层建筑结构的影响，并采取相应的防护措施。
1.3 风压分布 风压分布是指风作用在建筑物表面的压力分布。不同的建筑形式和风场条件会导致不同的风压分布特性。通过数值模拟方法，可以计算得到高层建筑在风作用下的风压分布情况，为抗风设计提供参考依据。
二、抗风设计原则
为了确保高层建筑的安全性，抗风设计需要遵循一些基本原则：
2.1 结构刚度
高层建筑的结构刚度是其抵御风力的重要保证。通过采用适当的材料和合理的结构形式，可以提高建筑物的整体刚度，减小风力对其的影响。
2.2 风洞试验
风洞试验是一种常用的手段，用于模拟风场对建筑物的影响。通过风洞试验可以对设计方案进行验证和优化，提高建筑物的抗风性能。
2.3 高效减震
对于高层建筑而言，减震装置的设计与使用是提高抗风性能的重要手段。减震装置能够吸收和分散风力对建筑物的作用力，降低结构的振动幅度，提高建筑物的稳定性。
2.4 确保整体协调
在高层建筑的抗风设计中，需要考虑整个建筑系统的协调性。建筑物的结构、幕墙、立面等要素都应该相互配合，形成一个整体，以保证建筑物的抗风性能。 三、优化抗风设计
高层建筑结构风振时程分析软件的技术研究
第２５卷第３期 ２００８年９月 华中科技大学学报（城市科学版） Ｊ．０ｆ ＨＵＳＴ．（Ｕｒｂａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．２５ ＮＯ．３ Ｓｅｐ．２００８
高层建筑结构风振时程分析软件的技术研究
． 陈学伟 ，韩小雷 ｂ，郑 宜 ，毛贵牛
（华南理工大学ａ＿高层建筑结构研究所：ｂ．亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州５１０６４０）
摘要：高层建筑风振舒适度已受到普遍关注，目前常采用规范的经验公式和风洞模型试验实测计算。但随着
结构体系的复杂化及采用附加阻尼器减振技术的日益广泛化，进行结构的风振时程分析是更为简单直接和准确
的分析方法。本文采用自回归滤波法技术，考虑三维空间相关性，对具有随机性的脉动风荷载进行有效的模拟；
通过编制软件生成风压时程数据并自动输出至结构有限元软件进行风振时程分析，为高层建筑的风振控制分析
提供了可行的方法；最后，将该风动力荷载数值模拟技术与动力时程分析技术相结合进行算例分析验证，经过
对比研究表明该风振时程分析方法可应用于工程分析与设计。
关键词：风振控制；风荷载时程；时程分析；自回归滤波法
中图分类号：ＴＵ９７３￣．３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２．７０３７（２００８）０３．０１３６．０４
对于风敏感的复杂结构风振响应分析和风振 系数求解，主要有以下４种方法ｌｌ Ｊ：频域分析法、
时域分析法、风洞试验法与数值风洞技术。其中，
时域分析法直接将风洞试验的风压时程或计算机
模拟的风压时程作用于结构，进行风振响应时程
分析，通过动力计算得到结构动力响应。采用时
域分析法，可以考虑自然风的空间相关性和结构
非线性影响，更准确地反映结构的耦合风振情况。
１风速时程模拟方法
本文采用线性滤波法的自回归（ＡＲ）模型模
拟风速时程。在满足工程计算精度要求的前提下，
可对风速时程作以下假定：（１）任意一点处平均
风速不随时间改变；（２）脉动风速时程是零均值
高层建筑风敏感性及风振控制方法简述
高层建筑风敏感性及风振控制方法简述
xxx
（南京航空航天大学航空宇航学院土木工程系，南京，210016）
摘要：针对高层建筑结构的抗风特性，在考虑风荷载的影响因素及特点基础上，根据结构风振分析的基本理论，就脉动风荷载特性与结构动力特性进行分析，并引出结构风敏感度的概念。通过对风敏感度分析，验证了部分相关理论的可靠性，能在一定程度上反映结构的风振响应本质特征，实现了对结构风敏感度问题的客观、定量描述。同时，介绍了常用抗风设计控制方法，引出了高层建筑结构抗风设计的一些原则和舒适性条件。
关键词：风荷载；风敏感度；风振特征；抗风控制方法；舒适性
Wind-sensitivity and wind-resistant control
of high-rise structure
Yu Chaofan
(School of Civil Engineering, College of Aeronautice and Space,
Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing, 210016, China)
Abstract: In consideration of the wind-resistant characteristics of high-rise structure, factors and features of wind
load are of great significance in the structural vibration analysis. According to the basic theory, while analyzing the
characteristics of fluctuating wind load and structural dynamic, it smoothly draws out the concept of
风荷载作用的振动舒适度要求研究
风荷载作用的振动舒适度要求研究
发布时间：2022-03-10T07:24:14.373Z 来源：《科技新时代》2022年1期 作者： 林云峥[导读] 相对于中低层建筑来说，高层乃至超高层建筑不仅要关注竖向荷载，更需要注意水平荷载的作用（如风荷载、地震作用等）对建筑物及对人体感官的影响。
广东正恒建筑设计有限公司祈福分公司；广东广州 511400
摘要：相对于中低层建筑来说，高层乃至超高层建筑不仅要关注竖向荷载，更需要注意水平荷载的作用（如风荷载、地震作用等）对建筑物及对人体感官的影响。高层建筑物在风荷载作用下将产生振动，过大的振动加速度将使在高楼内居住的人们感觉不适，甚至难以忍受。但在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010条文3.7.6中却只要求150m以上的高层混凝土建筑结构满足风振舒适度要求。下面通过3个算例，推导出一般情况下房屋高度小于150m的顶点顺风向及横风向振动加速度是否可符合规范要求，从而论证一般的房屋高度小于150m的高层混凝土建筑结构不需要计算顶点风振加速度是否合理。
关键词：房屋高度小于150m ；顶点顺风向振动；最大加速度；顶点横风向振动
一、计算工程
四、结语 经过以上简单的计算对比发现，如果只考虑顺风向振动最大加速度，一般的房屋高度小于150m的高层混凝土建筑结构基本不需要计算。但对于高层建筑来说，随着高宽比的增大，横风向振动最大加速度通常会大于顺风向振动最大加速度，甚至大很多。所以一般的房屋高度小于150m的高层混凝土建筑结构不需要计算顶点风振加速度并不合理，应遵守《混凝土结构通用规范》GB 55008-2021中，第4.2.3条。
影响高层建筑风振效应的因素有很多，而且很复杂，现规范相应公式的计算限制条件也很多，准确性有限，实际工程中设计师应更多地注重概念设计。
参考文献：
《超高层建筑结构设计与工程实践》 周建龙
《人体对高层建筑风振的舒适度研究》 帅源等
某超高层建筑的脉动风荷载模拟及风振分析
第３４卷第２２期 ２ ０ ０ ８年８月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣ￣Ｉ＇ＵＲＥ Ｖｌ０１．３４ Ｎｏ．２２ Ａｕｇ．２００８ ・６７・
文章编号：１００９—６８２５（２００８）２２—００６７—０２
某超高层建筑的脉动风荷载模拟及风振分析
陈晓桐
摘 要：结合总高４３８．６ ｍ的某超高层建筑，采用现在广泛流行的线性滤波法中的ＡＲ自回归模型，模拟了该结构具有
随机性、时间相关性、空间相关性的２８条顺风向脉动风荷载时程样本，并对结构进行了风振响应分析。
关键词：高层建筑，风荷载，ＡＲ模型，风振响应分析
中图分类号：ＴＵ３１２ 文献标识码：Ａ
Ｏ引言
某拟建超高层建筑高４３８．６ ｍ，地处沿海风灾较为严重的深
圳市，而且结构的第一振型周期达到了７ Ｓ多，接近风荷载的卓越 周期，对风荷载的静力和动力作用都很敏感，尤其是脉动风荷载
作用…。文中根据建筑所在地的风荷载参数，基于Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ脉
动风速功率谱，采用现在广泛流行的线性滤波法中ＡＲ自回归模 型＿２ Ｊ来模拟出结构的２８条脉动风荷载时程样本。该方法基于自
然风特性，考虑结构不同高度的空间相关性，能模拟出同时具有
随机性、时间相关性、空间相关性的风速时程。然后利用模拟出
来的风荷载时程，对简化的２８个节点糖葫芦串模型进行风振响
应分析。结果显示，结构顶部的峰值加速度达到了３５．２ ｇａｌ，远远
超过了舒适度性能要求，必须采取相应的减振控制措施。
１脉动风荷载模拟
１．１脉动风的基本特性
文中主要考虑结构舒适度性能，重现期定为十年一遇【引，重
现期调整系数“ ＝０．８２。大气边界层风场按ｃ类来模拟，平均风
剖面指数ａ＝０．２２，梯度风高度４００ ｍ。
脉动风功率谱包括顺风向和横风向的功率谱。对于一般高
耸和高层结构，横风向谱值比顺风向谱值小得多，通常只考虑顺
风向谱的影响。加拿大Ａ．Ｇ．达文波特（Ａ．Ｇ．Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ）根据世
超高层建筑的风振与地震响应分析
超高层建筑的风振与地震响应分析
随着城市化进程的不断加速，超高层建筑的兴起成为现代城市的一道亮丽风景线。然而，由于其高度和结构特点，超高层建筑在面临风振和地震的时候存在一定的风险。因此，进行针对性的风振与地震响应分析显得十分必要。
一、风振分析
1.风振现象
超高层建筑受到风力作用时，会产生风振现象。当风通过建筑物引起周围气流幅度的波动时，会导致建筑物产生共振，进而引起建筑物的摇晃现象。
2.风振原因
风振是由于风对建筑物的作用力引起的。一方面是由于风对建筑物的外表面产生的压力差，另一方面则是由于建筑物自身的气动力引起的。
3.风振测量
为了对超高层建筑的风振进行分析，一种常用的方法是通过安装风力测量仪器进行实时监测。风力测量仪器可以记录下风的方向、风速和风力周期等数据，有助于建筑师了解到风对建筑物的影响。
4.风振抑制 为了减少超高层建筑的风振，可以采取一系列的措施，如增加建筑物的整体刚度、合理设计建筑物外形，或者采用风洞试验等方法。
二、地震响应分析
1.地震现象
地震是地壳发生剧烈震动的自然现象。当地震发生时，超高层建筑会受到地震波的作用，并产生相应的响应。
2.地震原因
地震是由地壳运动引起的，可以分为板块运动引起的地震和火山地震两种。超高层建筑所在地的地壳活动程度，决定了其面临地震风险的大小。
3.地震分析方法
为了对超高层建筑的地震响应进行分析，可以采用有限元方法。该方法可以把建筑物分为很多小块，通过计算每个小块的振动特性，并将其耦合起来，从而得到整个建筑物的地震响应。
4.地震设计
超高层建筑在设计的时候，需要考虑到地震的影响，因此需要进行地震设计。地震设计包括选择合适的地震烈度、确定地震力的作用方向和大小、设计合理的抗震结构等等。
结语 超高层建筑的风振与地震响应分析是对其结构稳定性和安全性进行评估的重要手段。通过对风振和地震的分析，可以发现并解决存在的问题，确保超高层建筑在面对自然灾害时能够安全稳定。因此，在超高层建筑的规划和设计过程中，应该重视风振与地震响应分析的重要性，并采取相应的措施保障建筑物的安全。