高耸建筑设计与风振控制研究
高耸结构设计规范
Part One
高耸结构设计概述
高耸结构的概念和特点
高耸结构是指高 度较大、横截面 相对较小的结构， 通常用于支撑天 线、电视塔、高 楼大厦等建筑物。
高耸结构的特点 是承受较大的轴 向压力和较小的 横向剪切力，因 此其设计需要遵 循相应的规范和 标准。
高耸结构设计需 要考虑的因素包 括稳定性、强度、 刚度、耐久性等， 以确保结构的可 靠性和安全性。
适用功能：适用 于需要承受较大 荷载、风载或地 震作用的建筑物
适用条件：适用 于地基条件较好 的建筑物，需根 据具体情况进行 结构设计
Part Three
高耸结构的设计计 算
风荷载计算
风速计算：根据地理位置和高度确定风速 风压计算：根据风速和建筑物迎风面积计算风压 风荷载组合：考虑不同组合下的风荷载对结构的影响 风振系数：考虑风的动力效应对结构的影响
高耸结构设计需 要采用专业的设 计软件和应用技 术，同时需要遵 循相关的设计标 准和规范，以确 保设计的质量和 可靠性。
高耸结构设计的基本原则
安全性：确保结 构在各种可能出 现的荷载组合下 都能保持稳定， 不发生倒塌或严 重破坏。
经济性：在满足 安全性和功能性 的前提下，尽可 能地降低结构成 本，提高经济效 益。
计算实例：通过 具体的计算实例， 说明地震作用计 算在高耸结构设 计中的应用和重 要性。
荷载组合与内力分析
பைடு நூலகம்
荷载组合：根据 不同工况，将各 种荷载进行组合， 以确定高耸结构 在不同情况下的
受力情况。
内力分析：通过 对高耸结构进行 内力分析，确定 结构在不同荷载 组合下的应力、 应变和位移等参 数，以确保结构 的安全性和稳定
关于构架风振系数的探讨
关于构架风振系数的探讨摘要：随着生产装置的大型化，装置中的构筑物尺寸也随之增大、增高。
风荷载作为水平荷载的重要性尤为突出。
风荷载中的风振系数对风荷载大小的影响相对较大，从风振系数的计算公式中可以分析出，结构的基本自振周期影响风振系数。
本文通过不同的结构模型，探讨风振系数与结构基本自振周期的关系。
关键词：风荷载；风振系数；基本自振周期1引言随着经济的发展，石油化工行业也随之发展迅速。
为满足生产需要，装置构筑物的尺寸也随之增大、增高。
而石化行业的构筑物作为生产装置建设的重要组成部分，其具有鲜明的行业特点。
不同于一般的民用建筑，石化行业的构筑物外形设计出于工艺布置的要求，其体型往往较一般民用建筑复杂，且其使用功能明确，服务于单台或多台石化设备，多数为敞开式无围护结构。
因此在构筑物的设计中，风荷载与地震作用作为重要的水平荷载需重点考虑。
风荷载是空气流动形成的，对构筑物的作用时不规则的，风荷载实际上是一种随机时变活荷载，但不同于一般活荷载（楼面和屋面活荷载、吊车荷载、雪荷载）为了结构设计方便，基本上都是将风荷载转为确定性的静力等效风。
因此，风引起对结构作用的风荷载是石化行业各类构筑物的重要设计荷载。
在高耸结构中，竖向荷载对结构设计产生重要影响，但水平荷载却起着决定性作用，是结构计算中必不可少的组成部分。
风荷载计算中风振系数比较复杂，与之影响的因素较多，因此风振系数的计算相当重要。
风振系数是指风对建筑物的作用是不规则的，风压随风速、风向的紊乱变化而不停地改变。
通常把风作用的平均值看成稳定风压或平均风压，实际风压是在平均风压上下波动的。
平均风压使建筑物产生一定的侧移，而波动风压使建筑物在该侧移附近左右振动。
对于高度较大，刚度较小的高层建筑，波动风压会产生不可忽略的动力效应，在设计中必须考虑。
2风荷载计算中风振系数的分析2.1风荷载的计算目前石化行业构筑物抗风设计中对于风荷载的取值主要依据SH/T 3077-2012《石油化工钢结构冷换框架设计规范》（本文简称《冷换规范》）附录A[1]计算。
高层建筑抗风设计的优化方法
高层建筑抗风设计的优化方法在现代城市的天际线中，高层建筑如林立的巨人，展现着人类建筑技术的辉煌成就。
然而，这些高耸入云的建筑在面对自然界的强风时，却面临着严峻的挑战。
风荷载是高层建筑设计中必须重点考虑的因素之一，因为它可能导致结构的振动、变形甚至破坏。
因此，研究高层建筑抗风设计的优化方法具有至关重要的意义。
一、风对高层建筑的影响风对高层建筑的作用主要包括静力作用和动力作用。
静力作用是指风在建筑物表面产生的平均压力和吸力，它会使建筑物产生水平位移和内力。
动力作用则是由于风的脉动特性引起的，如风的湍流、漩涡脱落等，导致建筑物产生振动。
这种振动如果过大，可能会影响建筑物的使用舒适度，甚至危及结构的安全性。
二、高层建筑抗风设计的基本原则1、形状优化高层建筑的外形对风荷载的大小和分布有着重要影响。
流线型的外形能够有效地减小风的阻力，降低风荷载。
例如，采用圆形、椭圆形或切角的平面形状，可以减少风的绕流和漩涡脱落，从而降低风的动力效应。
2、结构刚度合理分布在设计高层建筑结构时，应确保结构的刚度在水平方向上均匀分布，避免出现刚度突变的情况。
这样可以减少风作用下结构的变形和内力集中，提高结构的抗风性能。
3、增加阻尼阻尼是结构消耗能量的能力，增加结构的阻尼可以有效地减小风振响应。
常见的增加阻尼的方法包括使用阻尼器，如粘滞阻尼器、金属阻尼器等。
三、高层建筑抗风设计的优化方法1、风洞试验风洞试验是高层建筑抗风设计中最常用的方法之一。
通过在风洞中模拟实际的风环境，对建筑模型进行测试，可以获得风荷载的大小、分布以及结构的风振响应等数据。
根据风洞试验的结果，可以对设计方案进行优化和调整。
在进行风洞试验时，需要选择合适的风洞设备和试验模型。
模型的比例尺应根据风洞的尺寸和试验要求确定，以保证试验结果的准确性。
同时，还需要对试验数据进行详细的分析和处理，提取有用的信息。
2、数值模拟随着计算机技术的发展，数值模拟在高层建筑抗风设计中得到了越来越广泛的应用。
风力影响下高层建筑的稳定性分析
风力影响下高层建筑的稳定性分析在现代城市的天际线中，高层建筑如林立的巨人般拔地而起，它们不仅是城市繁荣的象征，也是人类工程技术的伟大成就。
然而，这些高耸入云的建筑在面对自然力量时，尤其是风力的作用，其稳定性面临着严峻的考验。
风力对于高层建筑的影响是多方面的。
首先，风会在建筑物表面产生压力和吸力。
当风迎面吹向建筑物时，会产生正压力；而当风绕过建筑物时，会在建筑物的背面和侧面产生负压力，也就是吸力。
这种压力和吸力的分布不均匀，会导致建筑物受到扭曲和弯曲的力。
高层建筑的形状和结构特征对其在风力作用下的稳定性起着关键作用。
常见的高层建筑形状有方形、圆形、矩形等。
方形建筑在风的作用下，角落处容易产生较强的气流分离和漩涡，从而导致较大的风荷载。
圆形建筑则相对较为流畅，风的绕流较为均匀，风荷载相对较小。
而矩形建筑的长宽比不同，其风荷载的分布也会有所差异。
此外，高层建筑的高度也是影响风力稳定性的重要因素。
随着高度的增加，风速也会随之增大。
根据气象学的规律，通常在近地面，风速较低，但在几百米甚至更高的高空，风速可能会大幅增加。
这意味着高层建筑顶部所受到的风力要比底部大得多。
而且，由于高度的增加，建筑物的振动幅度也会相应增大，这对结构的强度和刚度提出了更高的要求。
为了评估风力对高层建筑稳定性的影响，工程师们采用了多种方法和技术。
风洞试验是其中一种重要的手段。
在风洞中，可以模拟不同风速和风向条件下建筑物周围的气流情况，通过测量建筑物表面的压力分布和气流速度，来计算风荷载。
数值模拟也是常用的方法之一，借助计算机软件对风与建筑物的相互作用进行模拟分析。
在设计高层建筑时，为了提高其在风力作用下的稳定性，通常会采取一系列的结构措施。
增加结构的刚度是常见的方法之一，例如采用更粗壮的柱子、更厚实的墙体或者加强核心筒的设计。
合理的结构布局也非常重要，通过优化柱子和梁的布置，使力量能够均匀地分布在整个结构中。
另外，使用新型的建筑材料也有助于增强高层建筑的抗风能力。
双钢管塔顺风向风振反应的TMD控制研究
双 钢 管 塔 顺 风 向风 振 反 应 的 Ｔ ＭＤ控 制研 究
鄢圣超 ， 闫维 明， 何浩祥 ， 田术永
（ 北京 工业 大学 工程 抗震 与结 构诊 治北 京 市重 点 实验 室 ， 京 １０ ２ ） 北 ００ ２
【 摘 要 】 研 究分析 了利用悬 吊式 Ｔ Ｄ对 某双钢 管 圆锥塔 结 构的顺 风向脉 动风振 响应控 制。建 立 了 Ｍ
生高频振动和大幅 变形 ， 响正常 使用 … 。抗 风 、 影 抗震 设计 时， 若采用增加结构 自身刚度 的方 法不仅 非 常不经 济 ， 大大 增加工程造价 ， 还有 可能加剧结构 的动 力反应 。而采用结构 振动控制方法来减小其 动力 响应 则是一种经济有效的途径 。 即将建设 的某 钢管 圆锥塔 ， 用双钢 管加 劲肋 结构 ， 采 塔 高 ６ 底部最 大直径 仅 ２４ ｍ， ０ｍ， ． 顶端 安装 天线 等设备 。当 地基本风压 ０４ Ｎ ｍ ， ．５ｋ ／ Ｃ类地 貌 。初 步计算 表 明 ， 该塔在
ｏ ｔ Ｎ为 频率 增 量 ， ／ Ｉ （ ）Ｉ为 上式 中下 三角 矩 阵的 模 ， ｚ△ ・ ∞是频域的递增变量 Ｊ 。
结 果如图 ３ 。与经典的频域分析结果 相符 ］ 在 一１附近 ， ，
２ ２ 脉 动 风 荷 载模 拟 ．
＋０ ， ］
＝Ｉ２ ３ ，， …ｎ
［ 收稿 日期］０ ５—０ ２０ ７—２ ７ ［ 基金项 目］国家 自然科 学 基金 项 目（０ ７ ０ ３ ， ５０ ８０ ） 北京 市教委科技发展计划 面上项 目。 ［ 作者 简介］鄢圣超 ， 硕士研 究生， 男， 主研 方 向为高耸 结构风振控制 。
／
【 文献标识码 】 Ｂ
的各态历经性 。观察 ｎ个具有零均值 的平稳 高斯过程 ， 其谱 密度 函数矩阵为 ：
高层建筑风振加速度计算、计算案例、风振控制系统性能参数的确定
(A.1.3)
式中：
——迎风面体型系数；
——背风面体型系数；
【条文说明】根据广东省《建筑结构荷载规范》（DBJ 15-101-2014），对于高度超过45m的矩形截面高层建筑，迎风面及背风面体型系数可按下表取值：
D/B
≤1
1.2
2
≥4
迎风面体型系数
+0.8
背风面体型系数
-0.6
-0.5
-0.4
空气密度 也可根据所在地的海拔高度按下式近似估算：
式中： ——海拔高度（m）；
当取 时，式（A.1.1-2）可以转换为：
将上式代入式（A.1.1-1）可得：
A.1.2
(A.1.2)
式中：
——顺风向一阶频率（Hz），可按照《建筑结构荷载规范》（DBJ 15-101-2014）附录F.2近似确定；
【条文说明】峰值因子为与结构自振频率相关的量，根据本公式计算高层结构周期1～7s时对应的加速度峰值因子数值介于3.18～3.74之间，大于国标标准《建筑结构荷载规范》（GB50009）和广东省《建筑结构荷载规范》（DBJ 15-101-2014）峰值因子2.5。
——湍流尺度 在参考高度H处的值（m）；
——建筑顶部H处风速（m/s），按本规程式（A.1.1-2）计算；
——迎风面宽度（m）；
——建筑顶部高度（m）。
A.1.7
(A.1.7)
式中：
——楼层总数；
——第 层质量（kg）；
——第 层顺风向一阶振型系数。
【条文说明】当无法获得实际振型系数 、 、 时，可取 进行计算，其中 为 层高度。
附录A
1 顺风向风振加速度计算
A.1.1
(A.1.1-1)
高耸塔破风防振结构
高耸塔破风防振结构高耸的塔器在风力作用下将会产生共振，一旦发生振动危害严重，轻者法兰泄露，地脚螺栓松动，重者发生疲劳破坏，导致事故发生。
所以要防止共振。
风诱导高耸设备振动控制措施，依据减振机理不同可分为三类：a）增加壁厚或采用拉索等，增强结构自身的抗风性能；b）采用扰流装置或合理布置塔体附件，破坏卡曼涡街的形成或改变卡曼旋涡脱落方式；c）在适当的位置安装振动控制系统，通过质量阻尼器的阻尼作用，可以有效减轻风诱导振动。
一、提高结构自身抗风性能的常规减振方法通过增加塔体壁厚或采用拉索控制等措施，可以提高结构自身的抗风性能，具体措施为：（1）增大塔径，降低塔高，可以增大塔器的固有频率；增加塔器的壁厚或采用密度小、弹性模量大的结构材料也可增大塔的自振周期。
但这些措施必须是在工艺条件许可的情况下才能进行，而且对于某些塔器减振效果并不明显，还会极大的增加塔器的制造成本。
（2）采用拉索或缆绳控制，交叉支撑等方式来使塔器固定，以减弱塔器的振动，沈阳某乙烯塔已采用此方法减振。
这种方法缺点是现场必须有足够的拉索空间，此法往往受场地空间的限制而难以实现。
二、采用扰流装置或合理布置塔体附件采用扰流装置，破风圈在塔的上部1/3塔高的范围内安装轴向的翅片或螺旋形翅片的扰流器。
轴向翅片的长度L为塔径D的0.75倍-0.9倍，翅片宽度b为D的0.069倍。
同一圆周上的翅片数为4，相互之间的夹角为90°。
相邻圆周上的翅片彼此错开30°角，装有轴向翅片的塔设备，共振时的振幅将减少1/2左右。
翅片为螺旋形时，其头数取3，相互之间错开120°，螺距t为直径D的5倍，翅片宽度W为直径D的0.1倍。
这里说的直径,指的是塔器的外径,包括保温.螺旋形纸片比轴向翅片的效果更好。
破风圈的设置应符合下列规定:a 设置条件:当烟囱的临界风速小于6~7m/s 时，应设置破风圈。
当烟囱的临界风速为7~13.4m/s，且小于设计风速时，而用改变烟囱高度、直径和增加厚度等措施不经济时，也可设置破风圈。
关于超高层建筑结构风效应的关键技术研究及其应用项目
关于“超高层建筑结构风效应的关键技术研究及其应用”项目申请2019年高等学校科学技术进步奖的公示材料附件1：项目简介项目名称超高层建筑结构风效应的关键技术研究及其应用推荐单位华南理工大学主要完成单位华南理工大学、广州大学、汕头大学项目简介本项目围绕超高层建筑风效应研究和抗风设计的重大理论和技术需求，在多项国家自然科学基金项目的支持下，针对超高层建筑风效应评估与风效应控制的关键理论和技术问题开展攻关，在超高层建筑结构风效应的现场实测研究、超高层建筑风洞试验与风振分析的新技术和新方法、群体超高层建筑的风干扰效应以及超高层建筑的风效应控制四个方面取得了创新性突破：1.建立了我国华南地区标志性超高层建筑风效应的远程多点同步实测基地，历时十余年，积累了大量台风风场和结构风致振动的第一手观测数据，验证了一些重大工程的前期风洞试验结果，提出了新的风场模型和结构动力参数识别方法，获得了一系列新结果并用于指导超高层建筑的抗风设计。
2.发展了超高层建筑风洞试验和风振分析的新技术、新方法。
通过大量工况的风场调试深入研究并发展了大气边界层风场被动模拟技术手段；提出了与完全二次型相关法（CQC）具有相同精度的大型复杂结构风振响应的快速算法——谐波激励法（HEM），并在此基础上提出了计算超高层建筑等效静风荷载的扩展荷载响应相关法（ELRC）；发明了高频底座测力天平（HFFB）的动力校准方法，在此基础上建立了基于HFFB技术的超高层建筑三维耦合振动响应和等效静风荷载计算方法。
3.开展了迄今为止国际上规模最大的群体超高层建筑风干扰效应风洞试验研究。
首次开展了对三个建筑物间风干扰效应的系统性研究，提出描述建筑物间干扰效应分布规律的有效定量表示方法，深入研究两栋和三栋超高层建筑间的风致荷载、风致舒适性、建筑表面风压的变化规律。
提出了一些可供实际工程应用的建议条款，被国家及广东省建筑结构荷载规范所引用。
4.从超高层建筑的气动抗风方法和结构抗风优化设计两方面出发，深入研究了超高层建筑风效应的控制技术。
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高耸建筑设计与风振控制研究
近几十年来，高耸建筑物在世界各个城市的天际线上屹立不倒，成为了城市的
标志性地标。
然而，随着建筑物高度的不断增加，风振问题逐渐凸显，成为了高耸建筑设计的一项重要考虑因素。
当人们走近一座高耸建筑时，常常能感受到微风带来的振动。
这种振动是由风
力产生的，而风力是空气流动所产生的外力。
对于高耸建筑物而言，特别是超高层建筑，其高度和轻巧的结构使其更容易受到风力的影响。
因此，高耸建筑物的风振控制成为了设计中至关重要的一环。
高耸建筑的设计需要兼顾结构的强度和刚度，同时还要考虑风力的作用。
为了
减小风振问题，设计师们通常会采用多种策略。
首先，他们会考虑建筑物的基础设计，确保其能够承受外部风力的冲击。
其次，他们会采用一些减振措施，如利用阻尼器、质量阵列等装置来吸收和分散振动能量。
此外，还可以通过调整建筑物的形状和结构布置来减小振动的影响。
在高耸建筑设计中，风洞实验是必不可少的工具。
通过在风洞中模拟真实的风
力环境，设计师可以准确预测建筑物的风振响应，并优化结构设计。
风洞实验可以帮助设计师了解风力对建筑物的影响，并评估不同控制措施的效果。
除了风洞实验，计算机模拟也在高耸建筑设计中起到了重要作用。
借助计算机
模拟软件，设计师可以快速分析和优化建筑物的结构，以实现更好的风振控制效果。
与传统的试验相比，计算机模拟更加高效、经济，并且可以模拟各种复杂的风力场景。
尽管风振问题在高耸建筑设计中是不可避免的，但是通过科学的研究和技术手段，可以有效减小振动对建筑物的影响。
设计师们通过风洞实验和计算机模拟，不断改进建筑的结构和控制措施，使高耸建筑可以在极端天气条件下依然稳定。
未来，随着科技的发展和工程技术的进步，高耸建筑的设计与风振控制将迎来
更加创新和智能化的发展。
比如，利用传感器和自适应控制系统，可以根据实时风力情况对建筑物的结构进行调整和优化，最大程度地减小风振问题。
此外，利用新材料和新技术，也可以设计出更加轻巧但却足够强韧的建筑结构，提高抗风振能力。
高耸建筑设计与风振控制研究是一个复杂而重要的领域。
通过结合风洞实验、
计算机模拟和创新技术，设计师们不断推动着高耸建筑的发展，使其成为城市的亮丽风景线，并且保证了建筑物的稳定和安全。
深入研究高耸建筑的风振问题，不仅可以为未来的建筑设计提供借鉴，也对城市的可持续发展和人们的生活质量有着积极的影响。