【導(dǎo)讀】超高層建筑結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)荷載效應(yīng)。院（系、部）名稱：城市建設(shè)學(xué)院

　　

【正文】 osswind loads and effects may be observed, is introduced. The recent trend in constructing higher buildings and structures implies that wind engineering researchers will be faced with more new challenges, even problems they are currently unaware of. Therefore, more efforts are necessary to resolve engineering design problems, as well as to further the development of wind engineering. 超高層建筑結(jié)構(gòu)橫向風(fēng)荷載效應(yīng) 摘要 隨著建筑高度的不斷增加，橫向風(fēng)荷載效應(yīng)已經(jīng)成為影響超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越重要的因素。高層建筑結(jié)構(gòu)的橫向風(fēng)荷載效應(yīng)被認(rèn)為由空氣湍流，搖擺以及空氣流體結(jié)構(gòu)相互作用所引起的。這些都是非常復(fù)雜的。盡管 30 年來，研究人員一直關(guān)注這個(gè)問題，但橫向風(fēng)荷載效應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)以及等效靜力風(fēng)荷載的計(jì)算方法還沒有被開發(fā)，大多數(shù)國(guó)家在荷載規(guī)范里還沒有相關(guān)的規(guī)定。對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)的橫向風(fēng)荷載效應(yīng)的研究成果主要包括橫向風(fēng)荷載的動(dòng)力以及動(dòng)力阻尼的測(cè)定，數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)和等效靜力風(fēng)荷載的理論方法的等等。在本文中，我們首先審查目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于超高層 建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響的研究。然后我們?cè)陉U述我們的研究成果。最后，我們會(huì)列舉我們研究成果在超高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的的案例。 引言 隨著科技的發(fā)展，建筑物也越來越長(zhǎng)、高、大，越來越對(duì)強(qiáng)風(fēng)敏感。因此，風(fēng)工程研究人員面臨著更多新的挑戰(zhàn)，甚至一些未知的問題。例如，超高層建筑現(xiàn)在在全世界普遍流行。高度為 443 米的芝加哥希爾斯塔保持了是世界上最高建筑物 26 年的記錄，現(xiàn)在還有幾十個(gè)超過 400 米的超高層建筑被建造。 828 米高的迪拜塔已經(jīng)建造完成。在發(fā)達(dá)國(guó)家，甚至有人建議建造數(shù)千米的“空中城市”。隨著高度的增加，輕質(zhì)高強(qiáng)材料的使 用，風(fēng)荷載效應(yīng)特別是具有低阻尼的超高層建筑橫向風(fēng)動(dòng)力響應(yīng)將變得更加顯著。因此，強(qiáng)風(fēng)荷載將成為設(shè)計(jì)安全的超高層建筑結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要的控制因素。 達(dá)文最初引入隨機(jī)的概念和方法應(yīng)用發(fā)哦順風(fēng)向荷載效應(yīng)的建筑物和其他結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)研究。之后，研究人員完善了相關(guān)的理論和方法，并且主要的研究成果已經(jīng)反映在一些國(guó)家的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載規(guī)范里。對(duì)現(xiàn)代超高層建筑結(jié)構(gòu)，橫風(fēng)向風(fēng)荷載的作用可能已經(jīng)超過順風(fēng)向荷載效用。雖然研究人員已經(jīng)關(guān)注這個(gè)方向已經(jīng) 30 多年了，但能夠被廣泛接受的橫風(fēng)向荷載數(shù)據(jù)庫(kù)以及等效靜力荷載的計(jì)算方法還沒有形成。只有少數(shù)國(guó) 家在他們的荷載規(guī)范里有相關(guān)的內(nèi)容和規(guī)定。 因此，研究超高層建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振和等效靜力荷載在超高層建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 橫風(fēng)向荷載及作用機(jī)制 過去的研究主要集中在橫風(fēng)向荷載機(jī)制。 橫風(fēng)向荷載的激發(fā)主要由于被公認(rèn)為空氣動(dòng)力阻尼的尾流、空氣湍流以及風(fēng)荷載耦合作用。索拉里認(rèn)為橫風(fēng)向荷載主要由于尾流 的原因所引起。卡里姆聲稱橫風(fēng)向的效應(yīng)主要是由分離剪切層和尾流波動(dòng)引起的橫向均勻壓力波動(dòng)所引起的。目前，高層建筑橫風(fēng)向荷載機(jī)制已被人為是流入湍流激發(fā)、尾流激發(fā)、以及氣動(dòng)彈性影響。湍流以及尾流激勵(lì)一般是 外部空氣動(dòng)力，在本文章中，所涉及的統(tǒng)稱為空氣動(dòng)力。同時(shí)，氣體的彈性效應(yīng)可以被認(rèn)為是氣體動(dòng)力阻尼。橫風(fēng)向氣體動(dòng)力不再像順向風(fēng)一樣符合準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)。因此，橫向風(fēng)荷載譜不能直接作為一個(gè)脈動(dòng)風(fēng)速譜。對(duì)不穩(wěn)定風(fēng)壓力來說，風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)是目前研究橫向風(fēng)動(dòng)力的主要技術(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)主要包括氣體彈性模型試驗(yàn)、高頻力平衡試驗(yàn)以及對(duì)多點(diǎn)壓力測(cè)量的剛性模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)。用橫風(fēng)向外部動(dòng)力，橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼，橫向風(fēng)響應(yīng)和建筑結(jié)構(gòu)等效靜力風(fēng)荷載的數(shù)據(jù)可以對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。 橫風(fēng)向氣動(dòng)力 如上所述，橫風(fēng)向氣動(dòng)力基本上可以通過以下途徑獲得： 從氣動(dòng)彈性模型在一個(gè)風(fēng)洞的橫風(fēng)向響應(yīng)確定橫風(fēng)向氣動(dòng)力；通過剛性模型風(fēng)壓空間一體化獲得橫向風(fēng)動(dòng)力；使用高頻測(cè)力天平技術(shù)測(cè)量基底彎矩來獲得廣義的氣動(dòng)力。 從 氣動(dòng)彈性模型 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)確定橫風(fēng)向氣動(dòng)力 。 這種方法采用的是氣動(dòng)彈性模型的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)，結(jié)合動(dòng)態(tài)特性的模型識(shí)別橫風(fēng)向氣動(dòng)力。墨爾本對(duì)對(duì)一系列圓形、方形、六角形、多邊形沿高度分布進(jìn)行氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)。然而進(jìn)一步試驗(yàn)表明您橫風(fēng)向氣動(dòng)阻力與氣動(dòng)力混合在一起，使他難以準(zhǔn)確地提取氣動(dòng)阻尼力。因此，該方法很少使用。 風(fēng)壓積分法 研究人員建議用風(fēng)壓積分法獲取更準(zhǔn)確的高層 建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力。伊斯蘭等人采用這種方法得到橫風(fēng)向氣動(dòng)力，陳等人研究了典型建筑結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)場(chǎng)條件橫風(fēng)向氣動(dòng)力。影響橫風(fēng)向氣動(dòng)力的因素主要有湍流強(qiáng)度、湍流尺度。 湍流強(qiáng)度被發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大帶 氣動(dòng)力和降低峰值。然而 ,湍流強(qiáng)度 被認(rèn)為對(duì)總能量 幾乎沒有影響 。因此 ,研究人員 在某種程度上 已經(jīng)意識(shí)到了 在 風(fēng)力條件 定量規(guī)則的變化 橫風(fēng) 氣動(dòng) 力 。 梁等人使用這種方法檢查了建筑物上的典型矩形邊界層風(fēng)洞 橫風(fēng)向 氣動(dòng)力 ， 從而提出高大的建筑物的經(jīng)驗(yàn)公式 和橫風(fēng)向 動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型。結(jié)果表明 , 橫風(fēng)向 湍流 對(duì)于橫風(fēng)向氣動(dòng)力的 貢獻(xiàn)比那些 激勵(lì) 要小的多 ?；诖罅康慕Y(jié)果 ,導(dǎo)出 橫風(fēng)向 湍流激勵(lì)和激發(fā)后 的 PSD 計(jì)算公式 。 第一廣義 的橫風(fēng)向 氣動(dòng)力計(jì)算可以通過 在剛性 建筑模型 整合壓力分布 得到， 這是 該方法 一個(gè)重要的 優(yōu)越性。然而 ,考慮到在這類方法需要大量的大規(guī)模的結(jié)構(gòu) 測(cè)壓 ， 同步測(cè)量 風(fēng) 壓是很難實(shí)現(xiàn)的。此外 ,對(duì)于建筑和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配置 ,準(zhǔn)確的風(fēng)壓分布和空氣動(dòng)力難以 使用這種方法。 高頻測(cè)力平衡技術(shù) 與壓力測(cè)量技術(shù) 相比，高頻力平衡技術(shù)對(duì)于得到總氣動(dòng)力有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析過程都很簡(jiǎn)單。因此這項(xiàng)技術(shù)通常應(yīng)用于初期設(shè)計(jì)階段的建筑外觀的選擇。目前這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于作用在超高層建筑 結(jié)構(gòu)的全風(fēng)荷載以及動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。高頻力平衡技術(shù)自從 1970 年已經(jīng)逐漸發(fā)展起來。賽馬可等人是第一批把此技術(shù)應(yīng)用到模型測(cè)量的人。他們最初提出平衡模型系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)比風(fēng)力頻率更高的固有頻率。由常和達(dá)文發(fā)展的平衡技術(shù)標(biāo)志著平衡設(shè)備的成熟。 卡里姆進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)于在城市和郊區(qū)具有不同截面形式的高層建筑的橫風(fēng)向氣動(dòng)力研究表明對(duì)于建筑物風(fēng)的不確定以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)橫風(fēng)向空氣動(dòng)力的設(shè)計(jì)有很小的影響并且順風(fēng)向和橫風(fēng)向氣動(dòng)力或扭矩之間的聯(lián)系時(shí)微不足道的。但橫風(fēng)向動(dòng)力和扭矩之間的聯(lián)系是非常密切的。這個(gè)結(jié)論對(duì)于三維方向精確的風(fēng)荷 載模型是很重要的。特別是石和全等人做了一系列關(guān)于矩形建筑的邊率，建筑物橫截面形狀，建筑的面率的效應(yīng)以及用五元平衡的高層建筑橫風(fēng)向動(dòng)力設(shè)計(jì)的風(fēng)域條件。事實(shí)上，基于大量的風(fēng)隧道檢測(cè)結(jié)果典型高層建筑橫風(fēng)向氣動(dòng)力系數(shù)的公式已經(jīng)被我們建立了。 橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼 1978 年卡里姆對(duì)基于氣動(dòng)彈性模型技術(shù)和風(fēng)壓積分法的高層建筑橫風(fēng)向動(dòng)力響應(yīng)做了一次調(diào)查研究。他指出由在一定范圍內(nèi)風(fēng)壓力測(cè)試獲得的橫風(fēng)向氣動(dòng)力計(jì)算而得到的橫風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)總是比那些相同建筑模型的氣動(dòng)彈性模型要小。這個(gè)重要的研究成果使得研究人員認(rèn)識(shí)到橫風(fēng)向氣動(dòng)負(fù)阻尼的 存在。 后來，研究人員對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了大量的研究并且找到了有效的方案來確定氣動(dòng)阻尼。第一種方法是通過比較基于來自剛性模型試驗(yàn)和氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)的氣動(dòng)力所得到的到哪個(gè)臺(tái)響應(yīng)。第二種方法是從由氣動(dòng)彈性模型或強(qiáng)迫振動(dòng)模型所得到的總氣動(dòng)力中分離出氣動(dòng)阻力。第三種方法是從氣動(dòng)彈性模型分離氣動(dòng)阻尼的的識(shí)別方法。此外，研究人員意識(shí)到風(fēng)因素的影響規(guī)律。這些因素包括結(jié)構(gòu)形狀、結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)、風(fēng)條件等等。卡里姆等人是第一批提出通過比較來確定氣動(dòng)阻尼的方法。陳等人采用這種技術(shù)來研究橫風(fēng)向效應(yīng)和高層建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)阻尼并提出了一個(gè)氣動(dòng) 阻尼公式。 史迪克最初制造了一批測(cè)定總氣動(dòng)力、氣動(dòng)阻尼力與氣動(dòng)力的強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)量設(shè)備。他測(cè)量高層建筑模型基底彎矩是通過一個(gè)專門的設(shè)計(jì)裝置產(chǎn)生振動(dòng)所產(chǎn)生的有關(guān)的氣動(dòng)力從總氣動(dòng)力脫離進(jìn)而分解為氣動(dòng)應(yīng)力和氣動(dòng)阻尼力獲得氣動(dòng)阻尼?？虏噲D對(duì)諧波振動(dòng)建筑模型測(cè)量風(fēng)壓獲得總氣動(dòng)力。然后用類似史迪克的方法計(jì)算空氣阻尼。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是真實(shí)的建筑特性并非必須被考慮到。這種方法更方便更實(shí)用，特別是在推廣實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種方法的的主要缺點(diǎn)是它需要復(fù)雜的設(shè)備，尤其是直到現(xiàn)在多元耦合裝置是不可用的。 確定氣動(dòng)阻尼的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的氣動(dòng)彈性 模型課采用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)識(shí)別技術(shù)，其中包 括頻域法，時(shí)域的方法以及時(shí)域頻域的方法。在這些方法中隨機(jī)減量法、時(shí)域方法被廣泛采用以確定高層建筑的氣動(dòng)阻尼。杰瑞介紹隨機(jī)減量法來識(shí)別結(jié)構(gòu)阻尼。馬克采用隨機(jī)減量法確定高層建筑順橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼。他們分析了影響建筑長(zhǎng)寬比、邊比、氣動(dòng)阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼。田村等人用隨機(jī)減量技術(shù)確定超高層建筑氣動(dòng)阻尼。全等人通過實(shí)驗(yàn)確定在不同的風(fēng)領(lǐng)域具有不同結(jié)構(gòu)中阻尼方形截面的橫風(fēng)向氣動(dòng)阻尼，并得出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。這些研究成果已通過相關(guān)的中國(guó)規(guī)范。秦和谷是第一個(gè)引入隨機(jī)空間識(shí)別方法于氣動(dòng)參數(shù)的確認(rèn)的研究 人員。這些氣動(dòng)參數(shù)包括大跨度橋梁氣動(dòng)剛度和阻尼。于隨機(jī)變量法相比，隨機(jī)空間識(shí)別方法具有更多的優(yōu)點(diǎn)。它能克服隨機(jī)變量法的弱噪音抵抗力和需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。秦采用這種方法來確定高層建筑的氣動(dòng)阻尼。 規(guī)范的實(shí)用性 如上 所說，雖然研究者一直關(guān)注高層建筑風(fēng)荷載超過 30 年了，但被廣泛接受的橫風(fēng)向風(fēng)荷載數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算方法，等效靜力風(fēng)荷載尚未開發(fā)。此外，只有少數(shù)國(guó)家采用相關(guān)的規(guī)定和代碼。于其他國(guó)家相比，日本建筑協(xié)會(huì)提供了計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向荷載的最好方法。然而公式的橫風(fēng)向代碼知適用于高層建筑高寬比小于六，這似乎很難滿足實(shí)際需要。而且此方法在這種方法里氣動(dòng)阻尼沒有被考慮。 在目前的 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范只提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來計(jì)算渦激共振的高聳結(jié)構(gòu)，而一般不適用于高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)。在題為“高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳細(xì)說明”里，我們的研究成果已經(jīng)通過。 總結(jié) 隨著 建筑高度不斷增加，橫風(fēng)向荷載效應(yīng)已經(jīng)成為超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要因素。目前，對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向荷載的研究主要包括橫風(fēng)向風(fēng)荷載的機(jī)制，橫風(fēng)向氣動(dòng)力、氣動(dòng)阻尼和在規(guī)范中的應(yīng)用。因此我們的一些研究成果主要有典型建筑結(jié)構(gòu)的橫風(fēng)向力，氣動(dòng)阻尼以及在中國(guó)規(guī)范的應(yīng)用。最后介紹了典型的 案例，在這個(gè)案例中建造更高層建筑的趨勢(shì)預(yù)示著風(fēng)工程研究人員將面臨著更多更新的挑戰(zhàn)，甚至到現(xiàn)在他們都沒有意識(shí)到的問題。因此需要更多地努力去解決工程設(shè)計(jì)問題，同時(shí)進(jìn)一步發(fā)展風(fēng)工程。 本文來自：