矩形高层建筑横风向风振动力反应分析计算

高层建筑结构在风荷载作用下的振动分析[1]致振动。

脉动风压是由于大气的湍流运动形成的动荷载。

建筑物周围脉动风压作用见图3[ 4 ]。

致振动。

脉动风压是由于大气的湍流运动形成的动荷载。

建筑物周围脉动风压作用见图3[ 4 ]。

第34卷第24期山西建筑Vol. 34 No. 24·86·2008年8月SHANXI ARCHITECTUREAug. 2008·结构·抗震·文章编号:100926825 (2008) 2420086202高层建筑结构在风荷载作用下的振动分析秦力张学礼徐德永摘要:通过介绍我国高层建筑结构风荷载设计方法、风荷载作用形式及由风荷载引起的结构振动,结合工程实例,进行了较详细的结构振动反应计算,以供同类型风荷载作用下的振动分析参考借鉴。

关键词:高层建筑结构,脉动风压,结构振动中图分类号:TU312. 10 引言高层建筑上作用的水平荷载包括风荷载和水平地震作用。

风的作用是不规则的,风压随着风速、风向的紊乱变化而不断的变化。

风荷载是随时间波动的动力荷载。

对高层建筑而言,动力荷载是引起结构毁灭性破坏的主要原因,因此,在高层建筑结构设计和安全性评价时,进行结构的动力反应分析是非常必要的。

为简,对高度大且较柔的高层建筑,必须考虑其动力效应影响[1]化起见,某些结构设计规范或结构动力反应分析中的抗风分析采用一些拟静力计算方法[2] ,如风压采用等效静力形式,但仍必须进行结构的动力分析。

对于高层和超高层建筑的风振动力反应主要有以下3方面的考虑:1)由风振产生的惯性力在结构中引起附加应力;2)建筑结构振动加速度会使生活和工作在其中的人产生不舒适感[3] ;3)由于风振反应发生的频度较高,有可能使结构产生疲劳效应[2]。

文中通过介绍我国高层建筑结构风荷载设计方法、风荷载的作用形式及由风荷载引起的结构振动,详细论述了结构在顺风向、横风向脉动风荷载作用下和二者共同作用下产生的扭转作用的处理过程和引起结构振动反应分析的最新研究。

风荷载是空气流动对工程结构所产生的压力。

风荷载也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的压力。

风荷载与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，及建筑体型等诸因素有关。

中国的地理位置和气候条件造成的大风为：夏季东南沿海多台风，内陆多雷暴及雹线大风；冬季北部地区多寒潮大风。

其中沿海地区的台风往往是设计工程结构的主要控制荷载。

台风造成的风灾事故较多，影响范围也较大。

雷暴大风可能引起小范围内的风灾事故。

一《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中所规定的顺风向风荷载的具体计算1 顺风向风荷载2012规范关于顺风向风荷载的计算公式没有形式上的变化，仍然采用平均风压乘以风振0ωμμβωκz s z = （1）其中： k ω— 风荷载标准值（kN/m 2）； z β— 高度z 处的风振系数；s μ— 风荷载体型系数；z μ— 风压高度变化系数； 0ω— 基本风压。

如果不考虑结构在风荷载作用下的动力响应，则由平均风压引起的静荷载取决于体型系数、风压高度变化系数及基本风压这三项因素，下面讨论顺风向作用下的静荷载计算：1.1 基本风压中国规定的基本风压w 0 以一般空旷平坦地面、离地面10米高、风速时距为10分钟平均的最大风速为标准，按结构类别考虑重现期(一般结构重现期为30年，高层建筑和高耸结构为50年，特别重要的结构为100年)，统计得最大风速v （即年最大风速分布的96.67%分位值，并按w 0=ρv 2/2确定。

式中ρ为空气质量密度；v 为风速）。

根据统计，认为离地面10米高、时距为10分钟平均的年最大风压，统计分布可按极值I 型考虑。

基本风压因地而异，在中国的分布情况是：台湾和海南岛等沿海岛屿、东南沿海是最大风压区，由台风造成。

东北、华北、西北的北部是风压次大区，主要与强冷气活动相联系。

青藏高原为风压较大区，主要由海拔高度较高所造成。

其他内陆地区风压都较小。

风速风速随时间不断变化，在一定的时距Δt 内将风速分解为两部分：一部分是平均风速的稳定部分；另一部分是指风速的脉动部分。

附录J 高层建筑顺风向和横风向风振加速度计算J.1 顺风向风振加速度计算J.1.1 体型和质量沿高度均匀分布的高层建筑，顺风向风振加速度可按下式计算：mBB w gI a a z z s R z D ημμ10,2=(J.1.1)式中，a D,z ——高层建筑z 高度顺风向风振加速度(m/s 2)；g ——峰值因子，可取2.5； I 10——10m 高度名义湍流度，对应A 、B 、C 和D 类地面粗糙度，可分别取0.12、0.14、0.23和0.39；w R ——重现期为R 年的风压(kN/m 2)，可按本规范附录E 公式(E.3.3)计算； B ——迎风面宽度(m)；m ——结构单位高度质量(t/m)； μz ——风压高度变化系数； μs ——风荷载体型系数；B z ——脉动风荷载的背景分量因子，按本规范公式(8.4.5)计算； ηa ——顺风向风振加速度的脉动系数。

J.1.2 顺风向风振加速度的脉动系数ηa 可根据结构阻尼比ζ1和系数x 1，按表J.1.2确定。

系数x 1按本规范公式(8.4.4-2)计算。

J.2.1 体型和质量沿高度均匀分布的矩形截面高层建筑，横风向风振加速度可按下式计算：)(2)(8.211110,a smFL L H R z L C S z mBw gI a ςςπφμ+=(J.2.1)式中：a L,z ——高层建筑z 高度横风向风振加速度(m/s 2)；g ——峰值因子，可取2.5；W R ——重现期为R 年的风压(kN/m 2)，可按本规范附录E 第E.3.3条的规定计算； B ——迎风面宽度(m)；m ——结构单位高度质量(t/m)；μH ——结构顶部风压高度变化系数；S FL ——无量纲横风向广义风力功率谱，可按本规范附录H 第H.2.4条确定； C sm ——横风向风力谱的角沿修正系数，可按本规范附录H 第H.2.5条的规定采用；φL1(z)——结构横风向第1阶振型系数； ζ1——结构横风向第1阶振型阻尼比；ζa1_——结构横风向第1阶振型气动阻尼比，可按本规范附录H 公式(H.2.4-3)计算。

矩形截面结构横风向风振校核1 规范依据一旦在参数中勾选“考虑横风向风振”并选取了“规范矩形截面结构”,程序将无条件依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)第8.5.2-3条的方法计算结构的横风向风振等效风荷载，计算程序不作关于规范适用性的判断，任何结构，尤其是平面或立面体型较复杂的结构，都应在确有依据的前提下，再慎重采用程序计算结果。

要特别注意：该版本所有计算和校核结果都仅适用于单塔结构。

以下校核结果依据规范H.2.1条，仅供初步设计参考，不作为最终设计依据。

2 已知条件结构总高度（不计入地下室）H=18m,结构2/3高度处楼层为第3层,该层迎风面宽度B=21.60m, 平面进深D=54.60m,X向横风向第1阶自振周期T Lx=0.30， Y向横风向第1阶自振周期T Ly=0.30，(请注意确认此项周期值是否正确!)基本风压W0=0.31(kN/m2), 地面粗糙度类别为B类,3 校核过程H/SQRT(BD)=18/SQRT(21.60×54.60)=0.52 ,深宽比D/B=54.60/21.60=2.53结构顶部风压高度变化系数μH=1.19,空气密度ρ=1.25(kg/m3),根据公式(8.5.3-3)，结构顶部风速V H=sqrt(2000×μH×W0/ρ)=sqrt(2000×1.19×0.31/1.25)=24.13V H T Lx/SQRT(BD)=24.13×0.30/sqrt(21.60×54.60)=0.21,V H T Ly/SQRT(BD)=24.13×0.30/sqrt(21.60×54.60)=0.21,4 结论深宽比D/B=2.53不满足0.5～2，高宽比H/SQRT(BD)=0.52不满足4～8； V H T Lx/SQRT(BD)=0.21，满足≤10的要求；V H T Ly/SQRT(BD)=0.21，满足≤10的要求；以上仅供参考，请参照荷载规范H.2.1条自行进行完整判断。

振 动 与 冲 击第29卷第6期J OURNAL OF V IBRAT I ON AND SHOCKVo.l 29No .62010矩形超高层建筑横风向脉动风力, :数学模型基金项目:国家自然科学基金委创新研究群体科学基金(50621062)、国家自然科学基金重大研究计划重点项目(90715040)、国家自然科学基金项目(50878159)及国家科技支撑计划(2006BAJ03B04)联合资助收稿日期:2009-04-20 修改稿收到日期:2009-06-24第一作者唐 意男,博士,副研究员,1978年生通讯作者顾 明男,教授,1957年生唐 意1,2,顾 明1,全 涌1(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092;2.中国建筑科学研究院,北京 100013)摘 要:系列文章的第一部分总结了矩形截面高层建筑横风向脉动风力的基本特征。

在此基础上,采用非线性最小二乘法,以风场类型及厚宽比为基本变量,对横风向脉动风力根方差系数、竖向相关系数以及功率谱密度进行拟合,得到横风向脉动风力的闭合求解公式。

最后通过与试验结果的比较,验证了这些公式的精度。

运用这些公式,可较为方便地计算矩形截面高层建筑的横风向脉动风力。

关键词:矩形超高层建筑;风洞试验;横风向风力;数学模型中图分类号:TU 312.1 文献标识码:A横风向荷载的形成机理复杂,影响因素众多,一般需要借助试验方法来研究。

高频动态天平是研究高层建筑横风向荷载和响应的最为广泛的试验技术[1-4]。

日本规范(A IJ-2004)基于高频动态天平风洞试验测量的横风向气动力[5],给出了横风向风荷载及响应的计算方法。

但高频动态天平不适用于非直线振型特别是振型耦合等问题。

近来,研究人员根据同步测压风洞试验结果拟合得到典型建筑物的横风向风力公式。

文献[6]对数个矩形建筑模型进行了同步测压风洞试验,拟合得到了横风向风力功率谱的公式。

但文献[6]的测压试验仅在我国建筑结构荷载规范GB J9-87定义的C 类风场中进行。

矩形高层建筑垂直迎风时风场及风振响应实测朱艳英;孟令常;玉姣【摘要】This paper presents some selected results obtained from the field measurements of wind effects with the oncoming flow perpendicular to the facade of a rectangular high-rise residential building located in Fushun. Synchronous data of roof-top wind velocities, windward pressures, and acceleration responses are recorded by a three-dimensional ultrasonic anemometer, a low frequency microphone, and two accelerometers respectively. The measured data is analyzed to obtain the information of wind characteristics and wind-induced response of the structure. Statistical analysis of longitudinal fluctuating wind velocities and windward fluctuating pressures shows that they don't obey the normal distribution and exhibit different deviation trends and degrees. The windward fluctuating wind-velocity spectrum of the roof-top of the building agrees well with the von Karman spectrum. For the 80-meter-high rectangular building in the condition of normal wind velocity, the quasi-steady assumption is still appropriate in the windward surface stagnation zone at the relative height of 0.8 and in the analysis of the fluctuating wind pressure and wind velocity. In addition, by comparing the data measured in spring and autumn, it is also found that the wind turbulence is stronger in autumn than that in spring despite that the data in the two seasons are obtained in similar weather conditions and wind force levels. Moreover, the acceleration response data along the two principal directions of thebuilding reveals the torsional vibration phenomena of the building.%在接近垂直迎风情况下对抚顺市内某小区的一矩形高层居民楼采用三维超声风速仪和低频麦克风对楼顶风场和楼房迎风面风压进行实际测量，同时采用加速度传感器对麦克风所在高度处建筑的振动情况进行同步监测。

矩形高层建筑横风向动力风荷载解析模型矩形高层建筑在面对横风时，必须考虑动力风荷载的作用。

为了更好地解析矩形高层建筑横风向动力风荷载，我们可以采用如下模型： 1. 建立风场模型：根据实际情况，建立适当的风场模型，考虑
到横风的影响，可以采用平面上的二维风场模型。

2. 采用CFD方法进行数值模拟：利用计算流体力学方法，对建
筑物所在的风场进行数值模拟，得到建筑物所受的动力风荷载。

3. 建立建筑物模型：根据实际情况，建立建筑物的三维数字模型，包括建筑物的外形、材料属性和结构形式等。

4. 建立动力风荷载计算模型：根据建筑物所受的风荷载和建筑
物模型，建立动力风荷载计算模型，计算建筑物在横风作用下的风荷载大小和分布情况。

5. 进行模型验证和优化：通过实验或理论分析，验证所建立的
模型的正确性，并进行优化，以提高模型的准确性和适用性。

通过上述模型，可以更为准确地分析矩形高层建筑在横风作用下的动力风荷载，为建筑结构设计提供科学依据。

- 1 -。

七、高层建筑（高耸结构）的顺风向和横风向振动I. 概述顺风向和横风向顺风向---抖振机制横风向---机制复杂（高层建筑：紊流+ 尾流+ 气动弹性）研究方法顺风向：(1) 平均风压（整体型系数）----准定常风力----随机振动方法计算---振动响应(2) 同步测压----脉动风力分布---随机振动方法计算---振动响应（不能应用于格构式高耸结构）(3) 高频动态测力天平---一阶广义风荷载---振动响应计算(4) 气动弹性模型试验----直接获得振动响应横风向：(1) 同步测压----脉动风力分布---随机振动方法计算---振动响应（不能应用于格构式高耸结构）(2) 高频动态测力天平---一阶广义风荷载---振动响应计算(3) 气动弹性模型试验----直接获得和振动响应II、高层建筑风压分布特性2．1 概述表面脉动风压测量试验是高层建筑抗风研究的基本方法之一。

和另一常用方法---高频动态测力方法相比，该方法虽然复杂些，但可获得建筑物风荷载的时空分布特征，而认识风荷载的时空分布特性对建筑抗风研究是非常重要的。

根据10个典型超高层建筑模型的风洞试验结果，分析建筑物的风压分布特性2.2 风洞试验概况（1）风场模拟采用尖塔＋粗糙元来模拟B、D类风场。

图1给出了两类风场平均风速和紊流度剖面。

平均风速剖面与规范中的B、D类风场结果吻合。

在模型顶部高度(0.6m)，B、D类风场纵向紊流度分别为7.5%和14%，也符合要求。

一般认为横风向紊流度是顺风向紊流度的75％~88％，本试验模拟结果基本与此吻合。

顺风向风谱与Davenport 谱吻合很好。

横风向脉动风功率谱目前缺乏公认的理论表达式，只能据测量结果来分析。

图2给出了60cm 高度处，B 类风场中的顺风向和横风向风速谱。

模拟得到的0.4m 处的B 、D 类风场紊流积分尺度分别0.41和0.49m ，相当于实际中200m 高度处的205、245m ，与经验公式[9] 的计算结果(270m, 210m)相近。

新荷载规范中【超高层建筑】的横风向及扭转风振金新阳1陈晓明肖丽杨志勇黄吉锋(中国建筑科学研究院，北京100013)提要基于《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）矩形平面结构横风向与扭转风振的计算方法，结合PKPM软件，讨论了结构高宽比、深宽比、周期、阻尼比等参数对等效风荷载计算结果的影响以及规范中相关计算方法的适用范围，为设计人员采用新荷载规范计算横风向与扭转风振提供支持。

关键词荷载规范，横风向风振，扭转风振，PKPM1.引言相对于上一版规范GB50009-2001（以下简称2001规范），《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（以下简称2012规范)对风荷载的计算方法做了较大的修改。

其中不仅调整了【风压高度变化系数】和【体型系数】等静力计算内容，而且对【风振计算的内容与方法】做了大量的改进和完善工作，这其中包括：●修改了顺风向风振系数的计算表达式和计算参数；●增加了大跨度屋盖结构风振计算的原则规定；●增加了横风向和扭转风振等效风荷载计算的规定；●增加了顺风向风荷载、横风向及扭转风振等效风荷载组合工况的规定；●增加高层建筑结构顺风向及横风向风振加速度计算等内容。

在风荷载的计算中，除了少数工程通过风洞试验获得数据以外，大多数工程仍需要借助于软件的自动计算功能，这就需要由工程人员自行确定相关的参数。

由于2012规范中风荷载计算涉及的参数较2001规范明显增多，且计算方法变得更加复杂，使得参数的选择和对计算结果的定性校核变得比较困难，因此有必要对各参数的选择和主要参数对计算结果的影响进行详细的分析讨论。

在本文中，依据2012规范提供的计算方法，结合PKPM的软件，讨论了不同的参数设置和结构的特征对计算结果的影响，并对规范中的重要条文，如适用范围等进行了重点探讨。

2.矩形平面结构的【横风向风振】按2012规范8.5.1条，“对于横风向风振作用效应明显的高层建筑以及细长圆形截面构筑物，宜考虑横风向风振的影响。

1.3.2风对高层建筑的作用高层建筑，特别是超高层建筑大都具有柔性大、阻尼小的特点，这样使得风荷载成为其结构设计时的主要控制荷载。

风荷载作用于高层建筑，会产生明显的三维荷载效应，即顺风向风荷载、横风向风荷载和扭转风荷载。

在三维动力风荷载的作用下，高层建筑在顺风向、横风向和扭转方向产生振动。

第1章绪论1.3.2.1顺风向风效应我国荷载规范[80】中给出了高层建筑顺风向平均风荷载的计算公式:矶=刀:户:拜，叽(l一10)式中:哄为高层建筑:高度处的平均风压;叽为10米高度处的基本风压(我国规范Is0】中给出的基本风压是基于B类地貌条件的，其它地貌条件下要进行相应的转化);户:和户，分别为风压高度系数和体型系数;几为考虑脉动放大效应的风振系数。

一般认为顺风向脉动风荷载符合准定常假定，即顺风向风荷载的脉动主要由顺风向风速脉动引起。

Davenportl吕’l和几mural82]等提出利用脉动风速功率谱转化得到顺风向风荷载功率谱的方法，许多学者还通过风洞试验的方法得到高层建筑顺风向风荷载谱的经验公式183.851。

高层建筑顺风向振动以一阶模态振动为主，一般假定高层建筑一阶振型为线性，但近年来部分学者对线性假定提出异议，并给出了振型修正的计算方法186-87]，顺风向风振的计算中必须考虑风荷载的水平和竖向空间相关性188】。

1.3.2.2横风向风效应横风向风荷载由尾流激励、来流紊流和结构横向位移及其对时间的各阶导数引起的激励等因素构成，但主要是由结构尾流中的漩涡脱落引起建筑物两侧气压交替变化所致189】。

当建筑物高度较低或高宽比不大时，结构的顺风向风致响应大于横风向响应;而近年来大量的风洞试验和现场实测证明，当高层建筑的高宽比大于4时，其横风向风振响应往往会超过顺风向响应，成为结构设计的控制性因素190]。

由于横风向风荷载机理复杂以及横风向振动的重要性，使得这方面的研究一直是风工程界的热点问题。

横风向风荷载不符合准定常假定，因此横风向风荷载谱不能根据脉动风速谱得到1841，风洞试验是研究高层建筑横风特性的主要手段。

第20卷　第1期空气动力学学报Vol .20,No .1 2002年3月ACTA A ER ODYNAMICA S INICAMar .,2002　文章编号:0258-1825(2002)01-0032-08矩形高层建筑横风向动力风荷载解析模型梁枢果1,刘胜春1张亮亮2,李明水2,王奇志2,杨　琳2(1.武汉大学土木建筑工程学院,湖北武汉　430072;2.中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳　621000)摘要:通过研究不同长宽比、高宽比的矩形棱柱体在边界层风洞中典型迎角下的横风力,提出了矩形高层建筑横风力功率谱密度、均方根升力系数和Strouhal 数的经验公式,并对相干函数作了一定的探讨,建立了完整的横风向动力风荷载解析模型。

该模型和试验结果吻合较好,证明它是合理有效的,可在此基础上建立高层建筑横风向动力响应的频域计算方法。

关键词:高层建筑;风荷载;风洞试验;升力系数;横风力谱中图分类号:V211.7;TU312 文献标识码:A0　概　述 随着高层建筑高度的不断增加和新型建筑材料的应用,高层建筑的结构变得越来越柔,在结构设计中起主要作用的是水平向荷载而不再是竖向荷载。

风对高层建筑是一种持续时间较长的随机荷载,在水平面上可分解为顺风力、横风力和绕竖轴的扭矩。

在非地震区和沿海地带,风荷载常常是对高层建筑设计起控制作用的水平荷载。

对于高宽比大于4的高层建筑来说,横风向响应通常大于顺风向响应,甚至可达顺风向响应的几倍,因而应引起高层建筑设计者的高度重视。

横风向动力风荷载的机理比较复杂,Solari 认为横风向激励由顺风向风湍流、横风向风湍流和尾流激励产生,但是前两者的贡献很小,尾流激励是横风力的主要原因[1]。

尾流激励机制,即分离流中旋涡的形成与脱落机制,与建筑物横截面的形状强烈相关。

目前,计算风工程方法尚不够成熟,风洞试验仍是描述各种截面的建筑物涡激横风力的主要和可靠手段。

自80年代以来,风工程界对矩形建筑物的横风向动力风荷载作了不少的风洞试验研究,但只局限于少数截面长宽比,在此基础上提出的横风力谱解析函数也不够准确完善,尤其是高频部分下降太快,与试验结果不符。

强震下高层建筑横向晃动反应过程模拟分析王扬【摘要】传统的静力弹塑性分析方法对强震作用下的高层建筑的横向晃动反应过程模拟时,存在计算结果不准确、计算用时较长的问题.提出新的强震下高层建筑横向晃动反应过程模拟分析方法,其基于直接积分法的三种方法实施模拟分析.分别是隐式方法、显式方法以及K&K模型方法.其中隐式方法和显式方法均能够对不同自由度下的高层建筑的横向晃动位移作出准确的计算,K&K模型通过高层建筑Von Mises屈服面,分析高层建筑钢材Bauschinger反应基础上,精确模拟出高层建筑在横向晃动反应中的变形过程.实验结果说明,所提方法对强震作用下的高层建筑的横向晃动反应的运算准确率和效率较高.【期刊名称】《地震工程学报》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】6页(P637-642)【关键词】强震;高层建筑;横向晃动;反应过程;模拟分析;位移【作者】王扬【作者单位】徐州工程学院,江苏徐州 221018【正文语种】中文【中图分类】TU3520 引言随着我国国民经济、以及科学技术水平的不断发展，近几年，我国一些经济发达地区建立了一系列举世瞩目的高层建筑，这些高层建筑提升了城市的影响力以及国际竞争力，但其减震防震研究应成为城市化建设的考虑重点。

高层建筑在强震作用下极易产生振动反应，甚至发生坍塌现象，造成人员伤亡以及财产损失，其后果极为严重。

因此重点研究强震作用下高层建筑的倒塌机制[1]，设计有效的预防措施，提高其抗震能力至关重要。

传统分析方法对强震作用下高层建筑的横向振动反应过程模拟时，存在计算结果不准确、计算用时较长。

针对上述问题，本文提出一种新的强震下高层建筑横向振动反应过程模拟分析方法，以期提高高层建筑顶层横向振动分析的准确率和效率。

1 强震下高层建筑横向振动反应的过程模拟分析1.1 直接积分法基本原理高层建筑的横向振动位移变化方程在通常情况如下:(1)其中:质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵以及地震激励分别由M、C、K、P表示。