高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)綜述.doc

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1、高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作業(yè)1高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論綜述與外形氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法介紹[摘要]本文首先綜述了目前現(xiàn)有的風(fēng)荷載計(jì)算方法，包括平均風(fēng)荷載、順風(fēng)向的靜動(dòng)力風(fēng)荷載，并著重介紹了橫風(fēng)向風(fēng)荷載的作用機(jī)理、研究方法與計(jì)算理論。并針對(duì)高層建筑橫風(fēng)向風(fēng)振問(wèn)題介紹了關(guān)于幾種氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。[關(guān)鍵詞]風(fēng)荷載；橫風(fēng)向風(fēng)振；氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)1平均風(fēng)荷載風(fēng)速觀測(cè)記錄表明風(fēng)速由兩部分組成：第一部分是長(zhǎng)周期部分，其周期一般都在10min以上，另一部分是短周期部分，通常被稱為脈動(dòng)風(fēng)，其周期常常只有幾秒或者幾十秒。一般情況下，第一部分的周期遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)物的自振周期，其作用屬于靜力性質(zhì)，而第二部分則與結(jié)構(gòu)物的自振周期較為接近

2、，因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，且屬于隨機(jī)的動(dòng)荷載。在工程實(shí)際應(yīng)用中，通常將風(fēng)荷載考慮為靜力風(fēng)與動(dòng)力風(fēng)的共同作用。本節(jié)主要綜述靜力風(fēng)的計(jì)算方法，動(dòng)力風(fēng)會(huì)在下節(jié)中提到。1.1基本風(fēng)速基本風(fēng)速的確定涉及到以下的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：1）標(biāo)準(zhǔn)地面粗糙度類別：因?yàn)榻仫L(fēng)在遇到障礙物的時(shí)候風(fēng)速會(huì)減小，其減小的程度與障礙物的尺度、密集度和幾何布置有密切的聯(lián)系。我國(guó)規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)地面粗糙度類別為比較空曠平坦的地面，如田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)。2）標(biāo)準(zhǔn)高度：由于風(fēng)速隨著高度的變化而變化，我國(guó)規(guī)定離地10m高為標(biāo)準(zhǔn)高度。由此可見(jiàn)，氣象站的風(fēng)速儀應(yīng)該放置于空曠平坦的地面且離地10m處來(lái)測(cè)量風(fēng)速。3）

3、標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期：重現(xiàn)期為T的基本風(fēng)速，則在一年中只超越該風(fēng)速一次的概率為1/T。我國(guó)規(guī)定基本風(fēng)速的重現(xiàn)期為50年，那么超越概率為1/T=1/50=0.02。因此，不超過(guò)該基本風(fēng)速的概率（即保證率）為由此可見(jiàn)，重現(xiàn)期50年的保證率為。4）平均風(fēng)的時(shí)距：我國(guó)規(guī)定平均分的時(shí)距為10min。20高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作業(yè)11）概率分布類型：一般地，我們研究的對(duì)象不會(huì)出現(xiàn)異常風(fēng)的氣候，稱為良態(tài)氣候。對(duì)于這種氣候，我們可以認(rèn)為年最大風(fēng)速的每一個(gè)數(shù)據(jù)都對(duì)極值的概率特性起作用，因此，世界上許多國(guó)家把年最大風(fēng)速作為概率統(tǒng)計(jì)的樣本。由重現(xiàn)期和風(fēng)速的概率分布獲得該地區(qū)的設(shè)計(jì)最大風(fēng)速，或稱為基本風(fēng)速。我國(guó)規(guī)定基本風(fēng)速采用極值I

4、型概率分布函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。1.1基本風(fēng)壓由伯努利方程可得風(fēng)速與風(fēng)壓之間的關(guān)系式：式中的為空氣容重，為重力加速度。因此基本風(fēng)壓以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦的地面上離地10m高處統(tǒng)計(jì)所得的50年一遇的10min平均最大風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)，按確定的?；撅L(fēng)壓值不得小于。1.2平均風(fēng)荷載垂直于建筑物表面上的平均風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該按照下式計(jì)算：式中，為平均風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，為風(fēng)荷載體型系數(shù)，為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，為基本風(fēng)壓。2結(jié)構(gòu)順風(fēng)向的靜動(dòng)力風(fēng)荷載2.1順風(fēng)向的靜動(dòng)力風(fēng)荷載順風(fēng)向的風(fēng)速由兩部分組成，t時(shí)刻的風(fēng)速可寫作式中，為z高度處的平均風(fēng)速，為z高度處的脈動(dòng)風(fēng)速。由此可得，t時(shí)刻z高度處的風(fēng)壓為20高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作業(yè)1式

5、中，表示z高度處的平均風(fēng)壓，表示z高度處的脈動(dòng)風(fēng)壓。由于脈動(dòng)風(fēng)速遠(yuǎn)小于平均風(fēng)速，可忽略項(xiàng)。因此，對(duì)于平均風(fēng)壓可用前面所述的計(jì)算方法計(jì)算。對(duì)于脈動(dòng)風(fēng)壓，其作用在結(jié)構(gòu)物上時(shí)，同樣也與結(jié)構(gòu)物的形狀有關(guān)，需要考慮體型系數(shù)。這時(shí)，作用在結(jié)構(gòu)物某面上z高度處的脈動(dòng)風(fēng)壓為作用于結(jié)構(gòu)物上的脈動(dòng)風(fēng)荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)與結(jié)構(gòu)物本身的動(dòng)力特性有關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛度很大時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)引起的結(jié)構(gòu)風(fēng)振慣性力則不明顯，可略去，但需考慮脈動(dòng)風(fēng)的瞬時(shí)陣風(fēng)荷載。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較小時(shí)（柔性結(jié)構(gòu)），除靜力荷載外，還應(yīng)該計(jì)算風(fēng)振慣性力的大小，即風(fēng)振動(dòng)力荷載。如果風(fēng)振動(dòng)力荷載用表示，則柔性結(jié)構(gòu)的總風(fēng)荷載表達(dá)如下：在工程實(shí)際應(yīng)用中，人們最關(guān)心

6、的是用于設(shè)計(jì)的總風(fēng)荷載是否是能夠保證結(jié)構(gòu)安全的最大值。而脈動(dòng)風(fēng)是一種隨機(jī)動(dòng)力作用，應(yīng)以概率理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。因此，作用于柔性結(jié)構(gòu)上的風(fēng)振動(dòng)力荷載應(yīng)該具有某一保證率下的最大值，在工程中常用等效靜力風(fēng)荷載來(lái)表達(dá)。這時(shí)，上式可以改寫成式中，是具有某一保證率的總風(fēng)荷載，是具有某一保證率的風(fēng)振動(dòng)力風(fēng)荷載（靜力等效風(fēng)荷載）。在工程實(shí)際中常用集中風(fēng)荷載，此時(shí)上式為1.1順風(fēng)向風(fēng)振位移響應(yīng)如圖所示，在風(fēng)垂直迎風(fēng)面上l點(diǎn)和k點(diǎn)的坐標(biāo)為（x,z）和（x’,z’），則這兩點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓為(2-2)(2-1)20高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作業(yè)1圖1迎風(fēng)面上兩點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)壓示意圖1.1.1運(yùn)動(dòng)方程由隨機(jī)振動(dòng)的振型分解法，任意高度z

7、處的水平動(dòng)位移可表示為(2-3)假設(shè)振型對(duì)質(zhì)量分布和剛度分布正交，阻尼項(xiàng)采用瑞雷阻尼，可得第j振型的運(yùn)動(dòng)方程：(2-4)式中，廣義脈動(dòng)風(fēng)荷載為(2-5)(a)其中為建筑物第j振型的廣義質(zhì)量，表達(dá)式如下(2-6)2.2.2位移響應(yīng)根方差由隨機(jī)振動(dòng)理論，在頻域內(nèi)求位移根方差需要先輸出位移譜密度。而位移譜密度則由輸入的脈動(dòng)風(fēng)力譜密度得到。首先，由維納-辛欽關(guān)系式，第j振型和第i振型廣義力互譜密度由其互相關(guān)函數(shù)20高