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1、高高 层层 建建 筑筑 结结 构构概概 念念 设设 计计第三章第三章 抗抗 风风 设设 计计风荷载概述风荷载概述本章主要内容本章主要内容基本风压基本风压风压高度变化系数风压高度变化系数风载体型系数风载体型系数顺风向横风向振动响应顺风向横风向振动响应风振不适感的控制风振不适感的控制风工程学简述风工程学简述 国外从国外从18791879年塔科马桥年塔科马桥风毁以后开始风工程风毁以后开始风工程研究，至今只有研究，至今只有6060多年，我国研究不到多年，我国研究不到2020年年。 风工程研究近年在国内外发展很快，已形成风工程研究近年在国内外发展很快，已形成一门新兴学科，国际风工程学会和中国风工程学一门
2、新兴学科，国际风工程学会和中国风工程学会分别于上世纪会分别于上世纪 60 60 年代和年代和 80 80 年代成立。年代成立。风工程学风工程学 建筑风工程是一门综合性学科，涉及气象学、建筑风工程是一门综合性学科，涉及气象学、空气动力学及气动弹性力学、结构工程学、振动工空气动力学及气动弹性力学、结构工程学、振动工程学等多门学科。程学等多门学科。 风工程学风工程学 近年来我国已建造并将继续建造大量的大近年来我国已建造并将继续建造大量的大型型风敏感结构风敏感结构。这些结构包括。这些结构包括大跨桥梁大跨桥梁、超高超高层建筑层建筑和和高耸结构高耸结构以及大跨空间结构等。风荷以及大跨空间结构等。风荷载是控
3、制这些大型结构安全性和使用性设计的载是控制这些大型结构安全性和使用性设计的主要因素。主要因素。风工程研究方法风工程研究方法大气边界层风洞试验大气边界层风洞试验最直接、最有最直接、最有效效 风洞数值模拟风洞数值模拟费用低、效率高费用低、效率高 风工程学风工程学桥梁抗风、建筑结构抗风、建筑风环境桥梁抗风、建筑结构抗风、建筑风环境 国内风工程研究主要集中在高等院校，如同济大学、湖国内风工程研究主要集中在高等院校，如同济大学、湖南大学、西南交通大学和汕头大学等，国内风工程研究在国南大学、西南交通大学和汕头大学等，国内风工程研究在国际上的影响正在增大。际上的影响正在增大。风洞试验风洞试验 风洞模型试验风
4、洞模型试验是实验研究中的一项重要手段，它与构筑物是实验研究中的一项重要手段，它与构筑物足尺实例是相辅相成的两个方面，当结构物未建成或无条件进足尺实例是相辅相成的两个方面，当结构物未建成或无条件进行实测时，模型风洞实验则是进行研究的唯一手段。通过对各行实测时，模型风洞实验则是进行研究的唯一手段。通过对各种特殊体型的高层、超高层建筑及建筑群的风洞试验研究，可种特殊体型的高层、超高层建筑及建筑群的风洞试验研究，可为设计提合理的参数，使拟建的建筑物安全可靠，经济合理。为设计提合理的参数，使拟建的建筑物安全可靠，经济合理。 风洞试验风洞试验 当风洞尺寸达到宽度为当风洞尺寸达到宽度为2 24 4米、高为米
5、、高为2 23 3米，米，长为长为5 53030米时一般可以满足要求。米时一般可以满足要求。风洞试验风洞试验 建筑物的风洞试验要求在风洞中能实现大气边建筑物的风洞试验要求在风洞中能实现大气边界层范围内的平均风剖面、紊流和自然流动，即要界层范围内的平均风剖面、紊流和自然流动，即要求模拟风速随高度的变化。求模拟风速随高度的变化。风洞试验风洞试验风洞试验风洞试验风洞试验风洞试验同同济大大学学风洞洞实验室室TJ-1TJ-1号风洞：直流闭口式低号风洞：直流闭口式低速风洞。试验段尺寸为速风洞。试验段尺寸为1.8m1.8m宽、宽、1.8m1.8m高、高、14m14m长。距试长。距试验段入口验段入口10.5m
6、10.5m处设有一个处设有一个转盘，用于改变模型的方位转盘，用于改变模型的方位角。试验风速范围从角。试验风速范围从0.5m/s0.5m/s30.0m/s30.0m/s连续可调。流场连续可调。流场性能良好，试验区流场的速性能良好，试验区流场的速度不均匀性小于度不均匀性小于2%2%、湍流度、湍流度小于小于1%1%、平均气流偏角小于、平均气流偏角小于0.20.2。 风洞试验风洞试验湖南大湖南大学学风洞洞实验室室湖南大湖南大学学风洞洞实验室室风洞试验风洞试验同同济大大学学风洞洞实验室室TJ-2TJ-2大气边界层风洞：试验大气边界层风洞：试验段尺寸为段尺寸为3m3m宽、宽、2.5m2.5m高、高、15m
7、15m长。空风洞试验风速范围为长。空风洞试验风速范围为0.5m/s0.5m/s68m/s68m/s，风洞配有自，风洞配有自动调速、控制与数据采集系动调速、控制与数据采集系统，建筑结构模型试验自动统，建筑结构模型试验自动转盘系统。转盘直径为转盘系统。转盘直径为 1.8m1.8m，其转轴中心距试验段进口，其转轴中心距试验段进口为为10.5m10.5m。流场性能良好，试。流场性能良好，试验区均匀流场的速度不均匀验区均匀流场的速度不均匀性小于性小于1%1%、湍流度小于、湍流度小于0.46%0.46%、平均气流偏角小于平均气流偏角小于0.50.5。 同同济大大学学风洞洞实验室室 TJ-3TJ-3大气边界
8、层风洞：竖向回大气边界层风洞：竖向回流式低速风洞，试验段尺寸为流式低速风洞，试验段尺寸为2m2m高高15m15m宽宽14m14m长，其规模在同长，其规模在同类边界层风洞中居世界第二位。类边界层风洞中居世界第二位。在试验段底板上的转盘直径为在试验段底板上的转盘直径为 4.8m4.8m，其转轴中心距试验段进口，其转轴中心距试验段进口为为10.5m10.5m。并列的。并列的7 7台风扇由直流台风扇由直流电机驱动，每台电机额定功率为电机驱动，每台电机额定功率为4545千瓦，额定转速为千瓦，额定转速为750750转转/ /分。分。试验风速范围从试验风速范围从0.2m/s0.2m/s17.6m/s 17.
9、6m/s 连续可调。流场性能良连续可调。流场性能良好，试验区流场的速度不均匀性好，试验区流场的速度不均匀性小于小于2% 2% 、湍流度小于、湍流度小于2% 2% 、平均、平均气流偏角小于气流偏角小于0.20.2。 汕汕头大大学学风洞洞实验室室风洞试验风洞试验风洞模型风洞模型风洞试验风洞试验风洞模型风洞模型刚性压力模型刚性压力模型气动弹性模型气动弹性模型刚性高频力平衡模型刚性高频力平衡模型风洞试验风洞试验风洞模型风洞模型刚性压力模型刚性压力模型最常用最常用, ,用来量测表面风压力用来量测表面风压力, ,确定风荷载确定风荷载建筑比例约为建筑比例约为1:3001:5001:3001:500一般采用有
10、机玻璃一般采用有机玻璃压力传感器测的平均压力和波动压力压力传感器测的平均压力和波动压力试验时间约为试验时间约为6060秒秒, ,相应实际时间相应实际时间1 1小时小时风洞试验风洞试验风洞模型风洞模型气动弹性气动弹性模型模型可精确考虑结构的柔度和自振频率，阻尼可精确考虑结构的柔度和自振频率，阻尼的影响的影响高宽比大于，需要考虑舒适度的高柔建高宽比大于，需要考虑舒适度的高柔建筑采用筑采用模型制作麻烦，试验时间长模型制作麻烦，试验时间长风洞试验风洞试验风洞模型风洞模型刚性高频力平衡模型刚性高频力平衡模型一轻质材料的模型固定在高频反应的力平一轻质材料的模型固定在高频反应的力平衡系统上，可得到风产生的动
11、力效应衡系统上，可得到风产生的动力效应需要有能模拟结构刚度的基座杆或高频力需要有能模拟结构刚度的基座杆或高频力平衡系统平衡系统风洞试验风洞试验风洞试验风洞试验香港青马大桥全桥气动弹性模型风洞试验香港青马大桥全桥气动弹性模型风洞试验 英国千年桥桥址风环境风洞试验英国千年桥桥址风环境风洞试验香港火车站风环境风洞试验香港火车站风环境风洞试验风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风压数值模拟风对构构筑物的破坏筑物的破坏 风对构筑物的作用从自然风所包含的成分风对构
12、筑物的作用从自然风所包含的成分看包括平均风作用和脉动风作用，从结构的响看包括平均风作用和脉动风作用，从结构的响应来看包括静态响应和风致振动响应。平均风应来看包括静态响应和风致振动响应。平均风既可引起结构的静态响应，又可引起结构的横既可引起结构的静态响应，又可引起结构的横风向振动响应。脉动风引起的响应则包括了结风向振动响应。脉动风引起的响应则包括了结构的准静态响应、顺风向和横风向的随机振动构的准静态响应、顺风向和横风向的随机振动响应。当这些响应的综合结果超过了结构的承响应。当这些响应的综合结果超过了结构的承受能力时，结构将发生破坏。受能力时，结构将发生破坏。对房屋建筑结构的破坏对房屋建筑结构的破
13、坏桥梁结构的破坏桥梁结构的破坏对输电系统等生命线工程的破坏对输电系统等生命线工程的破坏对广告牌、标语牌等的破坏对广告牌、标语牌等的破坏对港口设施的破坏对港口设施的破坏对海洋工程结构的破坏对海洋工程结构的破坏风对构构筑物的破坏筑物的破坏风对构构筑物的破坏筑物的破坏被飓风卡特里娜严重损坏的新奥尔良多层建筑风对构构筑物的破坏筑物的破坏风对构构筑物的破坏筑物的破坏窗户被飓风卡特里娜严重损坏的新奥尔良凯悦酒店风对构构筑物的破坏筑物的破坏台风约克台风约克造成的香造成的香港湾仔数港湾仔数幢大厦玻幢大厦玻璃幕墙损璃幕墙损坏情况坏情况风对构构筑物的破坏筑物的破坏风对构构筑物的破坏筑物的破坏风对构构筑物的破坏筑物
14、的破坏风对构构筑物的破坏筑物的破坏风对构构筑物的破坏筑物的破坏风对构构筑物的破坏筑物的破坏风对构构筑物的破坏筑物的破坏风荷载概述风荷载概述结构风工程研究对象和内容广泛。从结构方面来看，涉及到低矮建筑、大跨度建筑结构、高层建筑、高耸结构、桥梁、海洋工程结构等；从研究内容来看，涉及到风对结构的静力作用、风致振动响应、风振控制等，不同的研究内容在不同的结构上往往又有不同的体现。 风荷载概述风荷载概述当风以一定速度吹响建筑物时，建筑物将对其产生阻塞和扰动作用，从而改变该建筑物周围风的流动特性。反过来，风的这种流动特性改变引起的空气动力效应将对结构产生作用。由于自然风的紊流特性，因此风对结构的这种作用包
15、含了静力作用和动力作用两个方面，使结构产生相应的静力和动力响应。风荷载概述风荷载概述风不仅对结构产生静力作用，还会产生动力作用，引起高层建筑、各类高塔和烟囱等高耸结构、大跨度缆索承重桥梁、大跨度屋顶或屋盖、灯柱等许多柔性结构的振动，产生动力荷载，甚至引起破坏。结构的风致振动在很大程度上依赖于结构的外形、刚度（或柔度）、阻尼和质量特性。不同的外形将引起不同的风致动力荷载。结构刚度越小，柔性越大，则其风致振动响应就越大。结构的阻尼越高，其风致振动的响应也就越小。风致振动减振措施研究一般也是从这四方面着手。风荷载概述风荷载概述风压基本特点风压基本特点紊乱性和随机性紊乱性和随机性迎风面压力，背风面吸力
16、迎风面压力，背风面吸力风压的不确定性风压的不确定性风荷载概述风荷载概述风荷载概述风荷载概述风荷载概述风荷载概述风荷载概述风荷载概述风压对高楼的危害风压对高楼的危害1.1.隔墙开裂隔墙开裂, ,甚至主体结构破坏甚至主体结构破坏2.2.疲劳疲劳, ,失稳破坏失稳破坏3.3.装饰物和玻璃幕墙破坏装饰物和玻璃幕墙破坏4.4.摆动使居住者感到不适不安摆动使居住者感到不适不安风荷载概述风荷载概述风对结构作用风对结构作用顺风向顺风向: :平均风平均风( (静力静力) )和阵风脉动风和阵风脉动风( (动力动力) )横风向横风向: :周期性振动（周期荷载周期性振动（周期荷载) )和随机性和随机性振动振动( (随
17、机荷载）随机荷载）风的双重性风的双重性细长柔性结构细长柔性结构, ,横风向可能产生很大的动力效应横风向可能产生很大的动力效应. .风荷载概述风荷载概述风对结构作用风对结构作用计算方法计算方法稳定风稳定风-静力即结构力学理论静力即结构力学理论脉动风（顺风向和横风向）脉动风（顺风向和横风向）- - 动力随机振动理论动力随机振动理论横风向周期性风力横风向周期性风力-动力计算动力计算( (确定性荷载确定性荷载) )基本风压基本风压采用较长时间的平均风速而不是瞬时风速，作为确定风压采用较长时间的平均风速而不是瞬时风速，作为确定风压和衡量风灾的依据。和衡量风灾的依据。基本风速：针对特定高度处并按特定条件来
18、分析平均风速。基本风速：针对特定高度处并按特定条件来分析平均风速。标准高度：标准高度：1010米。米。标准地貌：空旷平坦地面。标准地貌：空旷平坦地面。标准时距：标准时距：1010分钟。分钟。重现期：重现期：3030年和年和5050年年。基本风压基本风压基本风速：取当地比较空旷平坦地面上离地基本风速：取当地比较空旷平坦地面上离地1010米高处，统米高处，统计所得计所得3030年一遇的年一遇的1010分钟平均最大风速。分钟平均最大风速。基本风压：基本风压：风压高度变化系数风压高度变化系数地表对风的摩擦作用，使接近地表的风速随离地面高度的地表对风的摩擦作用，使接近地表的风速随离地面高度的降低而减小。
19、降低而减小。300500300500米以上后影响不大米以上后影响不大. .地表粗糙度不同，风速变化的快慢也不相同地表粗糙度不同，风速变化的快慢也不相同开阔场地比城市中心更快达到梯度风速开阔场地比城市中心更快达到梯度风速同一高度处风速，城市中心比开阔场地小同一高度处风速，城市中心比开阔场地小根据地面粗糙类别和离地面高度确定风压高度变化系数根据地面粗糙类别和离地面高度确定风压高度变化系数风载体形系数风载体形系数为把近地风的为把近地风的风速压风速压转换为建筑物表面的转换为建筑物表面的风压风压- -气流绕过气流绕过需要采用一定的修正系数风载体形系数。需要采用一定的修正系数风载体形系数。要完全理论上来确
20、定受气流影响的物体表面的压力要完全理论上来确定受气流影响的物体表面的压力, ,目前还做不到目前还做不到. .体型复杂、高柔建筑物的风载体形系数需要通过试验确定体型复杂、高柔建筑物的风载体形系数需要通过试验确定周围环境复杂应按风洞试验确定周围环境复杂应按风洞试验确定风载体形系数主要与建筑物体形有关风载体形系数主要与建筑物体形有关: :建筑物平面形状和建筑物平面形状和建筑物立面平整度建筑物立面平整度. .自自 学学顺、横风向振动顺、横风向振动 顺风向振动顺风向振动: :用概率论的法则来描述用概率论的法则来描述, ,虽不能够定出某虽不能够定出某一时刻反应的确定值一时刻反应的确定值, ,却可以分析出该
21、时刻取某值的保证率却可以分析出该时刻取某值的保证率的可能性的可能性. . 横风向振动横风向振动: :由不稳定的空气动力引起由不稳定的空气动力引起, ,比较复杂比较复杂, ,高楼高楼和高塔影响较大和高塔影响较大. . 随着房屋高度增加，在强风作用下，高楼随着房屋高度增加，在强风作用下，高楼( (高层钢结构高层钢结构) )所产生的振动，使人所产生的振动，使人不舒适不舒适，所，所以高楼的抗风设计，不仅要满足以高楼的抗风设计，不仅要满足强度、变形和强度、变形和倾覆稳定倾覆稳定方面的要求，而且还要使高楼在方面的要求，而且还要使高楼在顺风顺风向振动、横风向振动和扭转振动向振动、横风向振动和扭转振动控制在不
22、使居控制在不使居住者产生不适感的容许限度内。住者产生不适感的容许限度内。风振不适感的控制风振不适感的控制 世界上首先提出世界上首先提出舒适感舒适感与房屋顶层加速度与房屋顶层加速度关系的是加拿大的达文波特教授，关系的是加拿大的达文波特教授，国内的研究国内的研究很少。很少。风振不适感的控制风振不适感的控制 目前的计算建筑物顶层加速度的经验公式。目前的计算建筑物顶层加速度的经验公式。通过风洞试验进行确认。通过风洞试验进行确认。 一、衡量不适感的尺度一、衡量不适感的尺度1、人体对运动的承受人体对运动的承受 19701970年，美国波士顿一座高楼在年，美国波士顿一座高楼在0.98KN/m20.98KN/
23、m2风风压下，压下， /H/H1/7001/700，人却感到不适。，人却感到不适。 说明用说明用 /H/H来控制侧移，并不能概括人体对来控制侧移，并不能概括人体对运动的反应和耐受程度。运动的反应和耐受程度。风振不适感的控制风振不适感的控制 研究表明：人体感觉器官不能觉察所在位置的绝研究表明：人体感觉器官不能觉察所在位置的绝对位移和速度，只能感受到它们的相对变化。对位移和速度，只能感受到它们的相对变化。 线性加速度是由人内耳中的耳石察觉到的，局部线性加速度是由人内耳中的耳石察觉到的，局部加速度则是耳内的半规官感觉的。加速度则是耳内的半规官感觉的。 所以，所以，加速度加速度（线性加速度线性加速度和
24、和角加速度角加速度）是衡量）是衡量人体对高楼风振感受的最好尺度。人体对高楼风振感受的最好尺度。风振不适感的控制风振不适感的控制 而而=4*A/(T*T) =4*A/(T*T) 所以所以A(A(振幅振幅) )和和T(T(自振周期自振周期) )是表征是表征加速度的重要指标。加速度的重要指标。 风振不适感的控制风振不适感的控制2、人体风振反应的分级人体风振反应的分级 a a、按振幅和周期分级按振幅和周期分级 A A、无感觉、无感觉 B B、有感觉、有感觉 C C、令人烦躁、令人烦躁 D D、令人非常烦躁、令人非常烦躁 E E、无法承受、无法承受 b b 、按加速度分级按加速度分级 A A、B B、C
25、 C、D D、E E风振不适感的控制风振不适感的控制二、实际建筑物的加速度响应二、实际建筑物的加速度响应1.1.纽约帝国大厦（纽约帝国大厦（103103层，钢结构）层，钢结构） 2.2.纽约世贸大厦（纽约世贸大厦（110110层，钢结构）层，钢结构）3.3.芝加哥湖滨广场大厦芝加哥湖滨广场大厦4.4.金贸大厦金贸大厦 1010年重现期加速度为年重现期加速度为0.009g0.013g0.009g0.013g 1 1年重现期加速度为年重现期加速度为0.003g0.005g0.003g0.005g风振不适感的控制风振不适感的控制三、三、风振加速度限值风振加速度限值 1.1.欧洲欧洲: : 2. 2.
26、加拿大加拿大 0.01g0.03g(0.01g0.03g(公寓取下限公寓取下限, ,办公取上限办公取上限) )3.3.中国中国 公寓公寓:0.02g:0.02g 公共建筑公共建筑:0.03g:0.03g风振不适感的控制风振不适感的控制三、三、风振加速度的计算风振加速度的计算1.1.风荷载重现期风荷载重现期对于承载力计算取对于承载力计算取3030年年. .我国对于风振加速度的验算未我国对于风振加速度的验算未具体规定具体规定. .加拿大取加拿大取1010年年2.2.验算项目验算项目顺风向加速度顺风向加速度、横风向加速度横风向加速度、扭转振动加速度扭转振动加速度风振不适感的控制风振不适感的控制三、三
27、、风振加速度的计算风振加速度的计算3.3.基本计算公式基本计算公式仅考仅考虑按基本振型振动虑按基本振型振动时的加速度验算时的加速度验算4.4.实用计算公式实用计算公式风振不适感的控制风振不适感的控制四、四、减少风振加速度的途径减少风振加速度的途径1.1.合理的建筑体形合理的建筑体形 a.a.流线形平面（圆形或椭圆流线形平面（圆形或椭圆、平面切角平面切角) ) b. b.截锥状体形截锥状体形( (减小风荷载和增加抗推刚度减小风荷载和增加抗推刚度) ) c. c.不大的高宽比不大的高宽比 d.d.透空层透空层 e.e.并联高楼群并联高楼群风振不适感的控制风振不适感的控制1.6 1.6 风振不适感的
28、控制风振不适感的控制1.6 1.6 风振不适感的控制风振不适感的控制1.6 1.6 风振不适感的控制风振不适感的控制1.6 1.6 风振不适感的控制风振不适感的控制1.6 1.6 风振不适感的控制风振不适感的控制 2.2.设置阻尼装置设置阻尼装置 减振效果：高层钢结构变形和加速度控制成为控减振效果：高层钢结构变形和加速度控制成为控制指标，在强度已满足条件下，采用加大构件截面制指标，在强度已满足条件下，采用加大构件截面来满足，则不经济，而采用布置阻尼装置，增加结来满足，则不经济，而采用布置阻尼装置，增加结构阻尼的方法有效且经济。构阻尼的方法有效且经济。 应用实例应用实例: : 哥伦比亚大厦哥伦比亚大厦 世贸中心大厦等世贸中心大厦等 阻尼器的阻尼器的安装位置安装位置1.6 1.6 风振不适感的控制风振不适感的控制3.3.反向变形反向变形1.6 1.6 风振不适感的控制风振不适感的控制
