16/16高層建筑結構在風荷載作用下的振動分析［1］致振動。脈動風壓是由于大氣的湍流運動形成的動荷載。建筑物周圍脈動風壓作用見圖３[4］。致振動。脈動風壓是由于大氣的湍流運動形成的動荷載。建筑物周圍脈動風壓作用見圖3［4］。第３４卷第2４期山西建筑Vol。３4Ｎo．2４·８6·２００８年8月SHANXIARCHITECTUREAuｇ.2008·結構·抗震·文章編號：１0092６825（2008）24200862０２高層建筑結構在風荷載作用下的振動分析秦力張學禮徐德永摘要：通過介紹我國高層建筑結構風荷載設計方法、風荷載作用形式及由風荷載引起的結構振動,結合工程實例，進行了較詳細的結構振動反應計算,以供同類型風荷載作用下的振動分析參考借鑒。關鍵詞：高層建筑結構，脈動風壓,結構振動中圖分類號：TU3１２.10引言高層建筑上作用的水平荷載包括風荷載和水平地震作用。風的作用是不規(guī)則的，風壓隨著風速、風向的紊亂變化而不斷的變化.風荷載是隨時間波動的動力荷載。對高層建筑而言,動力荷載是引起結構毀滅性破壞的主要原因,因此，在高層建筑結構設計和安全性評價時,進行結構的動力反應分析是非常必要的。為簡,對高度大且較柔的高層建筑,必須考慮其動力效應影響[１］化起見，某些結構設計規(guī)范或結構動力反應分析中的抗風分析采用一些擬靜力計算方法［2］，如風壓采用等效靜力形式，但仍必須進行結構的動力分析.對于高層和超高層建筑的風振動力反應主要有以下３方面的考慮：1)由風振產生的慣性力在結構中引起附加應力;2）建筑結構振動加速度會使生活和工作在其中的人產生不舒適感［3］；3)由于風振反應發(fā)生的頻度較高，有可能使結構產生疲勞效應［2］。文中通過介紹我國高層建筑結構風荷載設計方法、風荷載的作用形式及由風荷載引起的結構振動,詳細論述了結構在順風向、橫風向脈動風荷載作用下和二者共同作用下產生的扭轉作用的處理過程和引起結構振動反應分析的最新研究。1風荷載在高層建筑結構上的作用風的作用是不規(guī)則的,通常把風速的平均值看成穩(wěn)定風速或平均風速，使建筑物產生靜側移；實際風速在平均值附近波動，風壓也在平均風壓附近波動,稱為波動風壓，因此實際上建筑物在平均側移附近搖擺，見圖1[1].來風在建筑物周圍形成湍流風場,引起建筑物一定幅度平面內彎曲振動的同時也產生其他形式的振動,見圖2[4］。在來風的風壓脈動等因素的影響下,高層建筑結構會誘發(fā)風收稿日期：２0０8203203文獻標識碼:Ａ2高層建筑結構風荷載的確定方法我國《建筑結構荷載規(guī)范》規(guī)定,對多數(shù)高層建筑按垂直作用于建筑物表面單位面積上的風荷載標準值確定風荷載.《混凝土高規(guī)》規(guī)定有下列情況之一的建筑物,宜按風洞試驗確定風荷載［１]:1)高度大于2００ｍ，且平面形狀不規(guī)則、立面形狀復雜，或立面開洞、連體建筑等；2)規(guī)范或規(guī)程中沒有給出風荷載體型系數(shù)的建筑物；3)周圍地形和環(huán)境復雜，鄰近有高層建筑時,宜考慮相互干擾的群體效應，可將單個建筑物的體型系數(shù)乘以相互干擾增大系數(shù)，缺乏該系數(shù)時宜通過風洞試驗得出。3高層建筑結構風振反應計算作用在高層建筑與高聳結構上的脈動風荷載分為橫向與順向兩種類型,分別由橫風力和順風力引起，在風振反應分析中采用的方法不同.目前國內外對高層建筑結構風振問題的簡化方法基本上是一致的，都是將高層與超高層建筑簡化為等效懸臂梁,采用廣義坐標法解決這一問題.1)橫風向脈動風荷載作用的計算.橫風向脈動風荷載是一種動力荷載，由于空氣的粘性和流速，在結構的尾部會產生流體旋渦脫落。它的產生與結構的截面形狀和雷諾數(shù)有關［5]。不同的雷諾數(shù)范圍，會出現(xiàn)不同形式的流體旋渦脫落和結構的風致振動。一般認為由橫風向脈動風荷載引起的橫風向振動有渦激振動、渦激隨機振動、湍流、馳振、顫振、抖振等幾種形式。在高層建筑結構中,主要出現(xiàn)前三種形式的振動。對于橫風向荷載,我國的設計規(guī)范只對煙囪、電視塔等高柔構筑物有相應的規(guī)定,而對高層建筑結構還沒有考慮其影響，但是相關的研究已經受到重視。目前解決的方法一般是采用風洞作者簡介:秦力（19702),男，博士，副教授，東北電力大學建筑工程學院,吉林吉林１３2012張學禮(19812），男,東北電力大學建筑工程學院碩士研究生,吉林吉林１32０12徐德永(197２２），男，工程師,大連圣北房地產有限公司,遼寧大連11６024?第３4卷第24期２008年8月秦力等:高層建筑結構在風荷載作用下的振動分析·87·試驗與原型觀測，風洞試驗主要采用高頻測力天平、氣動彈性模力風荷載和風振反應求解方法。最新研究得到的橫向脈動風壓型和剛性模型多點測壓風洞試驗來分析、建立高層建筑橫風向動互譜密度函數(shù)如下：2２２πｑHC′LB２H2ＦL(ω）coh(r，ω)ZiH2αHZj2α。Ｓ(2+3)p′j（xｉ,ｘj，zi,ｚj,ω）＝ip′2α2αZ1Z２ωΦ１（Z1）Φ2(Z２)coｈ(r，ω）dｘ1dｘ2dz１dｚ2∫(H）∫（H)∫（Ｄ)∫（D)HH0000其中,各參數(shù)含義詳見文獻［5]。２）順風向脈動風荷載作用的計算。根據(jù)脈動風壓與脈動風速之間的關系，距地面ｚ高度處順風向點脈動風壓互譜密度函數(shù)的計算公式如下：Sｐ（n,z）=ρ2μ２sU２（z）Sv（n，z)。其中,各參數(shù)含義詳見文獻［５］。3）二者聯(lián)合作用下的扭轉振動計算。由于作用在建筑物外表面上的風荷載不是同步達到最大或最小值，所以其合力存在著偏心矩.因此從理論上說單一的順風向脈動風壓或橫風向脈動風壓都會引起結構的扭轉振動根據(jù)結構動力學理論,并采用振型分解法,同時利用主振型的正交性進行處理后得到扭轉振動方程如下式,式中各參數(shù)含義詳見文獻[4]。此式是不考慮建筑物的質心、，二者聯(lián)合作用產生扭轉振動更是理所當然。a．高層建筑扭轉振動運動方程。剛心、幾何形心偏心及平扭耦合振動的影響，而只考慮脈動風壓對結構風振扭轉的影響，且將懸臂梁看成是均勻截面。η¨j(ｔ)+２ξηj（t）+w2ηjj（t）=Mj.j．b．脈動風壓扭轉力矩。如圖4所示，矩形建筑的迎風面寬度是B,順風向的深度是D。在如圖4所示的坐標系下,力對轉動中心（軸）的合力矩為:M0（ｔ）dz=x,y,z,t)rＬdldz∮p′（=（y—)p′1（0,y，z，t)dydz+∫(x∫(Ｂ）B2０D０DDD）ｐ′2(ｘ，0,z,t）dxdz+∫(ｘ—）p′３(x，Ｂ，２0２Ｂz,t)dｘdz+∫（y—B）p′4(D，y,ｚ,ｔ)dｙｄz。０24算例分析某高層鋼結構辦公樓，高度6８m，寬度48m,長度35．7m，單位容積重0.１8ｔ／ｍ3,單位長度質量308。４5ｔ／m,自振頻率０。604Ｈz，阻尼比0.00７４,地面粗糙度指數(shù)(Ｂ類)0.１6。為了便于分析比較,設該建筑物基階振型近似按直線分布,并取1０m高處的來風速度,用Newｍarｋ法計算建筑物的扭轉風振反應時程。計算結果見表1。表1建筑物頂部扭轉風振動力反應均方根值風速U10m／ｓ位移×1０6rad速度×106rａd/s加速度×106rａd/ｓ210３.26６.5924。85202０.1555。57207.8３0６1．85１９8。7７４４。６４0141。848５182０50271.９9５8.63601604631６６１62４35結語１)風對高層建筑結構的作用形式復雜多變,且極其不規(guī)則.目前,風對結構的靜力作用研究基本上已經成熟，但對高柔結構考慮風的動力效應的研究還是初級階段,研究方法主要是風洞試驗和湍流風場.２)風荷載對建筑物的作用是紊亂的.目前，只對一些特大型結構和重要的建筑物進行風洞試驗,但風洞試驗成本較高，試驗復雜.因此，風荷載對高層建筑結構的簡化計算工作還需要進一步的研究。３）目前，對高層建筑結構順風向脈動風荷載研究的比較多，但對橫向風荷載的研究還比較少,我國的設計規(guī)范只對煙囪、電視塔等高柔構筑物有相應的規(guī)定,在高層建筑設計規(guī)范中尚未涉及橫風向的風振影響和扭轉風振反應。因此對高層建筑結構的橫風向的風振影響和扭轉風振的研究還有很長的路要走.參考文獻：[1］方鄂華。高層建筑結構設計［Ｍ]。北京:中國建工出版社,2003.［2]王光遠．建筑結構的振動[Ｍ]。北京：科學出版社,1978.［3]T.Oｈkuｍ，H．Marukａwa。Ｆullｓcａｌeｍeasuremeｎtoｆwｉndｐrｅs２sureandｒesｐonseaｃcelerａｔionofaｈighbuilｄｉng［J].WindEn2ｇｉneeringaｎdInｄusｔryＡｅroｄｙnamiｃs，19９１(3)：312３3．［4]葛楠,侯愛波,周錫元。矩形高層建筑結構扭轉風振反應時程的分析計算[Ｊ］。建筑科學,2007,23（5）:3０2３1.［5]黃本才.結構抗風分析原理及應用[M］.上海:同濟大學出版社,２001．[６]木建強.高層建筑結構的振動控制［Ｊ］．山西建筑，200７,３３（3）:68２69．［7]徐亮，汪振雙.數(shù)值模擬法在索膜結構風振響應研究中的應用[J]。山西建筑,2０0７，33（31）：7４275．Ｖｉbｒatiｏnanalysiｓofｈiｇh２risesｔｒuｃturｅunderwｉndlｏadＱINLiＺHAＮGXuｅ２lｉXUDｅ2ｙonｇＡｂsｔrａcｔ：Tｈroｕｇhｔheｉｎtroduｃtiｏnoｆｔhedesｉgningmeｔhod，ｆuｎctiｏninｇｗａy,andtheｓtrｕctｕralvibratｉonｏfthewindloadofhiｇh２risｅsｔｒuｃ２turｅ,it