高層建筑結(jié)構(gòu)抗風設(shè)計

高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計第三章抗風設(shè)計風荷載概述本章主要內(nèi)容基本風壓風壓高度變化系數(shù)風載體型系數(shù)順風向橫風向振動響應風振不適感的控制風工程學簡述國外從1879年塔科馬橋風毀以后開始風工程研究，至今只有60多年，我國研究不到20年。

風工程研究近年在國內(nèi)外發(fā)展很快，已形成一門新興學科，國際風工程學會和中國風工程學會分別于上世紀60年代和80年代成立。風工程學建筑風工程是一門綜合性學科，涉及氣象學、空氣動力學及氣動彈性力學、結(jié)構(gòu)工程學、振動工程學等多門學科。

風工程學近年來我國已建造并將繼續(xù)建造大量的大型風敏感結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括大跨橋梁、超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)以及大跨空間結(jié)構(gòu)等。風荷載是控制這些大型結(jié)構(gòu)安全性和使用性設(shè)計的主要因素。風工程研究方法

大氣邊界層風洞試驗——最直接、最有效

風洞數(shù)值模擬——費用低、效率高

風工程學橋梁抗風、建筑結(jié)構(gòu)抗風、建筑風環(huán)境國內(nèi)風工程研究主要集中在高等院校，如同濟大學、湖南大學、西南交通大學和汕頭大學等，國內(nèi)風工程研究在國際上的影響正在增大。風洞試驗

風洞模型試驗是實驗研究中的一項重要手段，它與構(gòu)筑物足尺實例是相輔相成的兩個方面，當結(jié)構(gòu)物未建成或無條件進行實測時，模型風洞實驗則是進行研究的唯一手段。通過對各種特殊體型的高層、超高層建筑及建筑群的風洞試驗研究，可為設(shè)計提合理的參數(shù)，使擬建的建筑物安全可靠，經(jīng)濟合理。

風洞試驗當風洞尺寸達到寬度為2～4米、高為2～3米，長為5～30米時一般可以滿足要求。風洞試驗建筑物的風洞試驗要求在風洞中能實現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)的平均風剖面、紊流和自然流動，即要求模擬風速隨高度的變化。風洞試試驗風洞試試驗風洞試試驗同濟大大學風風洞實實驗室室TJ-1號風洞洞：直直流閉閉口式式低速速風洞洞。試試驗段段尺寸寸為1.8m寬、1.8m高、14m長。距距試驗驗段入入口10.5m處設(shè)有有一個個轉(zhuǎn)盤盤，用用于改改變模模型的的方位位角。。試驗驗風速速范圍圍從0.5m/s～30.0m/s連續(xù)可可調(diào)。。流場場性能能良好好，試試驗區(qū)區(qū)流場場的速速度不不均勻勻性小小于2%、湍流流度小小于1%、平均均氣流流偏角角小于于0.2°。風洞試試驗湖南大大學風風洞實實驗室室湖南大大學風風洞實實驗室室風洞試試驗同濟大大學風風洞實實驗室室TJ-2大氣邊邊界層層風洞洞：試試驗段段尺寸寸為3m寬、2.5m高、15m長?？湛诊L洞洞試驗驗風速速范圍圍為0.5m/s～68m/s，風洞洞配有有自動動調(diào)速速、控控制與與數(shù)據(jù)據(jù)采集集系統(tǒng)統(tǒng)，建建筑結(jié)結(jié)構(gòu)模模型試試驗自自動轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤系系統(tǒng)。。轉(zhuǎn)盤盤直徑徑為1.8m，其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸中中心距距試驗驗段進進口為為10.5m。流場場性能能良好好，試試驗區(qū)區(qū)均勻勻流場場的速速度不不均勻勻性小小于1%、湍流流度小小于0.46%、平均均氣流流偏角角小于于0.5°。同濟大大學風風洞實實驗室室TJ-3大氣邊邊界層層風洞洞：豎豎向回回流式式低速速風洞洞，試試驗段段尺寸寸為2m高×15m寬×14m長，其其規(guī)模模在同同類邊邊界層層風洞洞中居居世界界第二二位。。在試試驗段段底板板上的的轉(zhuǎn)盤盤直徑徑為4.8m，其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸中中心距距試驗驗段進進口為為10.5m。并列列的7臺風扇扇由直直流電電機驅(qū)驅(qū)動，，每臺臺電機機額定定功率率為45千瓦，，額定定轉(zhuǎn)速速為750轉(zhuǎn)/分。試試驗風風速范范圍從從0.2m/s～17.6m/s連續(xù)可可調(diào)。。流場場性能能良好好，試試驗區(qū)區(qū)流場場的速速度不不均勻勻性小小于2%、湍流流度小小于2%、平均均氣流流偏角角小于于0.2°。汕頭大大學風風洞實實驗室室風洞試試驗風洞模模型風洞試試驗風洞模模型剛性壓壓力模模型氣動彈彈性模模型剛性高高頻力力平衡衡模型型風洞試試驗風洞模模型剛性壓壓力模模型最常用用,用來量量測表表面風風壓力力,確定風風荷載載建建筑比比例約約為1:300~1:500一般采采用有有機玻玻璃壓壓力力傳感感器測測的平平均壓壓力和和波動動壓力力試試驗時時間約約為60秒,相應實實際時時間1小時風洞試試驗風洞模模型氣動彈彈性模型可精確確考慮慮結(jié)構(gòu)構(gòu)的柔柔度和和自振振頻率率，阻阻尼的的影響響．高高寬寬比大大于５５，需需要考考慮舒舒適度度的高高柔建建筑采采用．．模模型制制作麻麻煩，，試驗驗時間間長．．風洞試試驗風洞模模型剛性高高頻力力平衡衡模型型一輕質(zhì)質(zhì)材料料的模模型固固定在在高頻頻反應應的力力平衡衡系統(tǒng)統(tǒng)上，，可得得到風風產(chǎn)生生的動動力效效應．．需需要有有能模模擬結(jié)結(jié)構(gòu)剛剛度的的基座座桿或或高頻頻力平平衡系系統(tǒng)．．風洞試試驗風洞試試驗香港青青馬大大橋全全橋氣氣動彈彈性模模型風風洞試試驗英國千千年橋橋橋址址風環(huán)環(huán)境風風洞試試驗香港火火車站站風環(huán)環(huán)境風風洞試試驗風壓數(shù)數(shù)值模模擬風壓數(shù)數(shù)值模模擬風壓數(shù)數(shù)值模模擬風壓數(shù)數(shù)值模模擬風壓數(shù)數(shù)值模模擬風壓數(shù)數(shù)值模模擬風壓數(shù)數(shù)值模模擬風壓數(shù)數(shù)值模模擬風對構(gòu)構(gòu)筑物物的破破壞風對構(gòu)構(gòu)筑物物的作作用從從自然然風所所包含含的成成分看看包括括平均均風作作用和和脈動動風作作用，，從結(jié)結(jié)構(gòu)的的響應應來看看包括括靜態(tài)態(tài)響應應和風風致振振動響響應。。平均均風既既可引引起結(jié)結(jié)構(gòu)的的靜態(tài)態(tài)響應應，又又可引引起結(jié)結(jié)構(gòu)的的橫風風向振振動響響應。。脈動動風引引起的的響應應則包包括了了結(jié)構(gòu)構(gòu)的準準靜態(tài)態(tài)響應應、順順風向向和橫橫風向向的隨隨機振振動響響應。。當這這些響響應的的綜合合結(jié)果果超過過了結(jié)結(jié)構(gòu)的的承受受能力力時，，結(jié)構(gòu)構(gòu)將發(fā)發(fā)生破破壞。。對房屋屋建筑筑結(jié)構(gòu)構(gòu)的破破壞橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)的的破壞壞對輸電電系統(tǒng)統(tǒng)等生生命線線工程程的破破壞對廣告告牌、、標語語牌等等的破破壞對港口設(shè)施施的破壞對海洋工程程結(jié)構(gòu)的破破壞風對構(gòu)筑物物的破壞風對構(gòu)筑物物的破壞被颶風卡特特里娜嚴重重損壞的新新奧爾良多多層建筑風對構(gòu)筑物物的破壞風對構(gòu)筑物物的破壞窗戶被颶風風卡特里娜娜嚴重損壞壞的新奧爾爾良凱悅酒酒店風對構(gòu)筑物物的破壞臺風約克造造成的香港港灣仔數(shù)幢幢大廈玻璃璃幕墻損壞壞情況風對構(gòu)筑物物的破壞風對構(gòu)筑物物的破壞風對構(gòu)筑物物的破壞風對構(gòu)筑物物的破壞風對構(gòu)筑物物的破壞風對構(gòu)筑物物的破壞風對構(gòu)筑物物的破壞風荷載概述述結(jié)構(gòu)風工程程研究對象象和內(nèi)容廣廣泛。從結(jié)結(jié)構(gòu)方面來來看，涉及及到低矮建建筑、大跨跨度建筑結(jié)結(jié)構(gòu)、高層層建筑、高高聳結(jié)構(gòu)、、橋梁、海海洋工程結(jié)結(jié)構(gòu)等；從研究內(nèi)容容來看，涉涉及到風對對結(jié)構(gòu)的靜靜力作用、、風致振動動響應、風風振控制等等，不同的的研究內(nèi)容容在不同的的結(jié)構(gòu)上往往往又有不不同的體現(xiàn)現(xiàn)。風荷載概述述當風以一定定速度吹響響建筑物時時，建筑物物將對其產(chǎn)產(chǎn)生阻塞和和擾動作用用，從而改改變該建筑筑物周圍風風的流動特特性。反過過來，風的的這種流動動特性改變變引起的空空氣動力效效應將對結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作作用。由于自然風風的紊流特特性，因此此風對結(jié)構(gòu)構(gòu)的這種作作用包含了了靜力作用用和動力作作用兩個方方面，使結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相相應的靜力力和動力響響應。風荷載概述述風不僅對結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜靜力作用，，還會產(chǎn)生生動力作用用，引起高高層建筑、、各類高塔塔和煙囪等等高聳結(jié)構(gòu)構(gòu)、大跨度度纜索承重重橋梁、大大跨度屋頂頂或屋蓋、、燈柱等許許多柔性結(jié)結(jié)構(gòu)的振動動，產(chǎn)生動動力荷載，，甚至引起起破壞。結(jié)構(gòu)的風致致振動在很很大程度上上依賴于結(jié)結(jié)構(gòu)的外形形、剛度（（或柔度））、阻尼和和質(zhì)量特性性。不同的外形形將引起不不同的風致致動力荷載載。結(jié)構(gòu)剛度越越小，柔性性越大，則則其風致振振動響應就就越大。結(jié)構(gòu)的阻尼尼越高，其其風致振動動的響應也也就越小。。風致振動減減振措施研研究一般也也是從這四四方面著手手。風荷載概述述風壓基本特特點紊亂性和隨隨機性迎風面壓力力，背風面面吸力風壓的不確確定性風荷載概述述風荷載概述述風荷載概述述風荷載概述述風壓對高樓樓的危害1.隔墻開裂,甚至主體結(jié)結(jié)構(gòu)破壞2.疲勞,失穩(wěn)破壞3.裝飾物和玻玻璃幕墻破破壞4.擺動使居住住者感到不不適不安風荷載概述述風對結(jié)構(gòu)作作用順風向:平均風(靜力)和陣風脈動動風(動力)橫風向:周期性振動動（周期荷荷載)和隨機性振振動(隨機荷載））風的雙重性性細長柔性結(jié)結(jié)構(gòu),橫風向可能能產(chǎn)生很大大的動力效效應.風荷載概述述風對結(jié)構(gòu)作作用計算方法穩(wěn)定風--靜力即結(jié)構(gòu)構(gòu)力學理論論脈動風（順順風向和橫橫風向）--動力隨機振振動理論橫風向周期期性風力--動力計算(確定性荷載載)基本風壓采用較長時時間的平均均風速而不不是瞬時風風速，作為為確定風壓壓和衡量風風災的依據(jù)據(jù)?；撅L速：：針對特定定高度處并并按特定條條件來分析析平均風速速。標準高度：：10米。標準地貌：：空曠平坦坦地面。標準時距：：10分鐘。重現(xiàn)期：30年和50年。基本風壓基本風速：：取當?shù)乇缺容^空曠平平坦地面上上離地10米高處，統(tǒng)統(tǒng)計所得30年一遇的10分鐘平均最最大風速。?；撅L壓：：風壓高度變變化系數(shù)地表對風的的摩擦作用用，使接近近地表的風風速隨離地地面高度的的降低而減減小。300~500米以上后影影響不大.地表粗糙度度不同，風風速變化的的快慢也不不相同開闊場地比比城市中心心更快達到到梯度風速速同一高度處處風速，城城市中心比比開闊場地地小根據(jù)地面粗粗糙類別和和離地面高高度確定風風壓高度變變化系數(shù)風載體形系系數(shù)為把近地風風的風速壓轉(zhuǎn)換為建筑筑物表面的的風壓-氣流繞過需要采用一一定的修正正系數(shù)－風風載體形系系數(shù)。要完全理論論上來確定定受氣流影影響的物體體表面的壓壓力,目前還做不不到.體型復雜、、高柔建筑筑物的風載載體形系數(shù)數(shù)需要通過過試驗確定定周圍環(huán)境復復雜應按風風洞試驗確確定風載體形系系數(shù)－主要要與建筑物物體形有關(guān)關(guān):建筑物平面面形狀和建建筑物立面面平整度.自學順、橫風向向振動順風向振動動:用概率論的的法則來描描述,雖不能夠定定出某一時時刻反應的的確定值,卻可以分析析出該時刻刻取某值的的保證率的的可能性.橫風向振動動:由不穩(wěn)定的的空氣動力力引起,比較復雜,高樓和高塔塔影響較大大.隨著房屋高高度增加，，在強風作作用下，高高樓(高層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu))所產(chǎn)生的振振動，使人人不舒適，所以高樓樓的抗風設(shè)設(shè)計，不僅僅要滿足強度、變形形和傾覆穩(wěn)穩(wěn)定方面的要求求，而且還還要使高樓樓在順風向振動動、橫風向向振動和扭扭轉(zhuǎn)振動控制在不使使居住者產(chǎn)產(chǎn)生不適感感的容許限限度內(nèi)。風振不適感感的控制世界上首先先提出舒適感與房屋頂層層加速度關(guān)關(guān)系的是加加拿大的達達文波特教教授，國內(nèi)的研究究很少。風振不適感感的控制目前的計算算建筑物頂頂層加速度度的經(jīng)驗公公式。通過過風洞試驗驗進行確認認。一、衡量不不適感的尺尺度1、人體對運動動的承受1970年，美國波波士頓一座座高樓在0.98KN/m2風壓下，△/H《1/700，人卻感到到不適。說說明用△/H來控制側(cè)移移，并不能能概括人體體對運動的的反應和耐耐受程度。。風振不適感感的控制研究表明：：人體感覺覺器官不能能覺察所在在位置的絕絕對位移和和速度，只只能感受到到它們的相相對變化。。線線性加加速度是由由人內(nèi)耳中中的耳石察察覺到的，，局部加速速度則是耳耳內(nèi)的半規(guī)規(guī)官感覺的的。所所以以，加速度（線性加速度度和角加速度）是衡量人人體對高樓樓風振感受受的最好尺尺度。風振不適感感的控制而α=4π*πA/(T*T)所以A(振幅)和T(自振周期)是表征加速速度的重要要指標。風振不適感感的控制2、人體風振反反應的分級級a、按振幅和周周期分級A、無感覺B、有感覺C、令人煩躁躁D、令人非常常煩躁E、無法承受受b、按加速度分分級A、B、C、D、E風振不適感感的控制二、實際建建筑物的加加速度響應應1.紐約帝國大大廈（103層，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)）2.紐約世貿(mào)大大廈（110層，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)）3.芝加哥湖濱濱廣場大廈廈4.金貿(mào)大廈10年重現(xiàn)期加加速度為0.009g~0.013g1年重現(xiàn)期加加速度為0.003g~0.005g風振不適感感的控制三、風振加速度度限值1.歐洲: