高層建筑第三講結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)

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

風(fēng)工程研究近年在國內(nèi)外發(fā)展很快，已形成一門新興學(xué)科，國際風(fēng)工程學(xué)會(huì)和中國風(fēng)工程學(xué)會(huì)分別于上世紀(jì)60年代和80年代成立。風(fēng)工程學(xué)建筑風(fēng)工程是一門綜合性學(xué)科，涉及氣象學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)及氣動(dòng)彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程學(xué)、振動(dòng)工程學(xué)等多門學(xué)科。

風(fēng)工程學(xué)近年來我國已建造并將繼續(xù)建造大量的大型風(fēng)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(fēng)荷載是控制這些大型結(jié)構(gòu)安全性和使用性設(shè)計(jì)的主要因素。風(fēng)工程研究方法

大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)——最直接、最有效

風(fēng)洞數(shù)值模擬——費(fèi)用低、效率高

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

風(fēng)洞模型試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)研究中的一項(xiàng)重要手段，它與構(gòu)筑物足尺實(shí)例是相輔相成的兩個(gè)方面，當(dāng)結(jié)構(gòu)物未建成或無條件進(jìn)行實(shí)測時(shí)，模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)則是進(jìn)行研究的唯一手段。通過對(duì)各種特殊體型的高層、超高層建筑及建筑群的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，可為設(shè)計(jì)提合理的參數(shù)，使擬建的建筑物安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

風(fēng)洞試驗(yàn)當(dāng)風(fēng)洞尺寸達(dá)到寬度為2～4米、高為2～3米，長為5～30米時(shí)一般可以滿足要求。風(fēng)洞試驗(yàn)建筑物的風(fēng)洞試驗(yàn)要求在風(fēng)洞中能實(shí)現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)的平均風(fēng)剖面、紊流和自然流動(dòng)，即要求模擬風(fēng)速隨高度的變化。風(fēng)洞洞試試驗(yàn)驗(yàn)風(fēng)洞洞試試驗(yàn)驗(yàn)風(fēng)洞洞試試驗(yàn)驗(yàn)同濟(jì)濟(jì)大大學(xué)學(xué)風(fēng)風(fēng)洞洞實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室TJ-1號(hào)風(fēng)風(fēng)洞洞：：直直流流閉閉口口式式低低速速風(fēng)風(fēng)洞洞。。試試驗(yàn)驗(yàn)段段尺尺寸寸為為1.8m寬、、1.8m高、、14m長。。距距試試驗(yàn)驗(yàn)段段入入口口10.5m處設(shè)設(shè)有有一一個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤盤，，用用于于改改變變模模型型的的方方位位角角。。試試驗(yàn)驗(yàn)風(fēng)風(fēng)速速范范圍圍從從0.5m/s～30.0m/s連續(xù)續(xù)可可調(diào)調(diào)。。流流場場性性能能良良好好，，試試驗(yàn)驗(yàn)區(qū)區(qū)流流場場的的速速度度不不均均勻勻性性小小于于2%、湍湍流流度度小小于于1%、平平均均氣氣流流偏偏角角小小于于0.2°°。風(fēng)洞洞試試驗(yàn)驗(yàn)湖南南大大學(xué)學(xué)風(fēng)風(fēng)洞洞實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室湖南南大大學(xué)學(xué)風(fēng)風(fēng)洞洞實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室風(fēng)洞洞試試驗(yàn)驗(yàn)同濟(jì)濟(jì)大大學(xué)學(xué)風(fēng)風(fēng)洞洞實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室TJ-2大氣氣邊邊界界層層風(fēng)風(fēng)洞洞：：試試驗(yàn)驗(yàn)段段尺尺寸寸為為3m寬、、2.5m高、、15m長。?？湛诊L(fēng)風(fēng)洞洞試試驗(yàn)驗(yàn)風(fēng)風(fēng)速速范范圍圍為為0.5m/s～68m/s，風(fēng)風(fēng)洞洞配配有有自自動(dòng)動(dòng)調(diào)調(diào)速速、、控控制制與與數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集系系統(tǒng)統(tǒng)，，建建筑筑結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)模模型型試試驗(yàn)驗(yàn)自自動(dòng)動(dòng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤盤系系統(tǒng)統(tǒng)。。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤盤直直徑徑為為1.8m，其其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸軸中中心心距距試試驗(yàn)驗(yàn)段段進(jìn)進(jìn)口口為為10.5m。流流場場性性能能良良好好，，試試驗(yàn)驗(yàn)區(qū)區(qū)均均勻勻流流場場的的速速度度不不均均勻勻性性小小于于1%、湍湍流流度度小小于于0.46%、平平均均氣氣流流偏偏角角小小于于0.5°°。同濟(jì)濟(jì)大大學(xué)學(xué)風(fēng)風(fēng)洞洞實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室室TJ-3大氣氣邊邊界界層層風(fēng)風(fēng)洞洞：：豎豎向向回回流流式式低低速速風(fēng)風(fēng)洞洞，，試試驗(yàn)驗(yàn)段段尺尺寸寸為為2m高×15m寬×14m長，，其其規(guī)規(guī)模模在在同同類類邊邊界界層層風(fēng)風(fēng)洞洞中中居居世世界界第第二二位位。。在在試試驗(yàn)驗(yàn)段段底底板板上上的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤盤直直徑徑為為4.8m，其轉(zhuǎn)軸中中心距試驗(yàn)驗(yàn)段進(jìn)口為為10.5m。并列的7臺(tái)風(fēng)扇由直直流電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)臺(tái)電機(jī)額定定功率為45千瓦，額定定轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分。試驗(yàn)風(fēng)風(fēng)速范圍從從0.2m/s～17.6m/s連續(xù)可調(diào)。。流場性能能良好，試試驗(yàn)區(qū)流場場的速度不不均勻性小小于2%、湍流度小小于2%、平均氣流流偏角小于于0.2°。汕頭大學(xué)風(fēng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室室風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞模型風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞模型剛性壓力模模型氣動(dòng)彈性模模型剛性高頻力力平衡模型型風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞模型剛性壓力模模型最常用,用來量測表表面風(fēng)壓力力,確定風(fēng)荷載載

建筑比比例約為1:300~1:500一般采用有有機(jī)玻璃壓壓力傳感感器測的平平均壓力和和波動(dòng)壓力力

試驗(yàn)時(shí)時(shí)間約為60秒,相應(yīng)實(shí)際時(shí)時(shí)間1小時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞模型氣動(dòng)彈性模型可精確考慮慮結(jié)構(gòu)的柔柔度和自振振頻率，阻阻尼的影響響．

高寬寬比大于５５，需要考考慮舒適度度的高柔建建筑采用．．

模型制制作麻煩，，試驗(yàn)時(shí)間間長．風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞模型剛性高頻力力平衡模型型一輕質(zhì)材料料的模型固固定在高頻頻反應(yīng)的力力平衡系統(tǒng)統(tǒng)上，可得得到風(fēng)產(chǎn)生生的動(dòng)力效效應(yīng)．需需要有能模模擬結(jié)構(gòu)剛剛度的基座座桿或高頻頻力平衡系系統(tǒng)．風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)洞試驗(yàn)香港青馬大大橋全橋氣氣動(dòng)彈性模模型風(fēng)洞試試驗(yàn)英國千年橋橋橋址風(fēng)環(huán)環(huán)境風(fēng)洞試試驗(yàn)香港火車站站風(fēng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)壓數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)值模模擬風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的作用從從自然風(fēng)所所包含的成成分看包括括平均風(fēng)作作用和脈動(dòng)動(dòng)風(fēng)作用，，從結(jié)構(gòu)的的響應(yīng)來看看包括靜態(tài)態(tài)響應(yīng)和風(fēng)風(fēng)致振動(dòng)響響應(yīng)。平均均風(fēng)既可引引起結(jié)構(gòu)的的靜態(tài)響應(yīng)應(yīng)，又可引引起結(jié)構(gòu)的的橫風(fēng)向振振動(dòng)響應(yīng)。。脈動(dòng)風(fēng)引引起的響應(yīng)應(yīng)則包括了了結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)應(yīng)、順風(fēng)向向和橫風(fēng)向向的隨機(jī)振振動(dòng)響應(yīng)。。當(dāng)這些響響應(yīng)的綜合合結(jié)果超過過了結(jié)構(gòu)的的承受能力力時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)將發(fā)生破破壞。對(duì)房屋建筑筑結(jié)構(gòu)的破破壞橋梁結(jié)構(gòu)的的破壞對(duì)輸電系統(tǒng)統(tǒng)等生命線線工程的破破壞對(duì)廣告牌、、標(biāo)語牌等等的破壞對(duì)港口設(shè)施施的破壞對(duì)海洋工程程結(jié)構(gòu)的破破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞被颶風(fēng)卡特特里娜嚴(yán)重重?fù)p壞的新新奧爾良多多層建筑風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞窗戶被颶風(fēng)風(fēng)卡特里娜娜嚴(yán)重?fù)p壞壞的新奧爾爾良凱悅酒酒店風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞臺(tái)風(fēng)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(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)荷載概述述結(jié)構(gòu)風(fēng)工程程研究對(duì)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(fēng)對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜靜力作用、、風(fēng)致振動(dòng)動(dòng)響應(yīng)、風(fēng)風(fēng)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(fēng)荷載概述述當(dāng)風(fēng)以一定定速度吹響響建筑物時(shí)時(shí)，建筑物物將對(duì)其產(chǎn)產(chǎn)生阻塞和和擾動(dòng)作用用，從而改改變?cè)摻ㄖ镏車L(fēng)風(fēng)的流動(dòng)特特性。反過過來，風(fēng)的的這種流動(dòng)動(dòng)特性改變變引起的空空氣動(dòng)力效效應(yīng)將對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作作用。由于自然風(fēng)風(fēng)的紊流特特性，因此此風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)的這種作作用包含了了靜力作用用和動(dòng)力作作用兩個(gè)方方面，使結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相相應(yīng)的靜力力和動(dòng)力響響應(yīng)。風(fēng)荷載概述述風(fēng)不僅對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜靜力作用，，還會(huì)產(chǎn)生生動(dòng)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(dòng)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)動(dòng)力荷載，，甚至引起起破壞。結(jié)構(gòu)的風(fēng)致致振動(dòng)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(fēng)致致動(dòng)力荷載載。結(jié)構(gòu)剛度越越小，柔性性越大，則則其風(fēng)致振振動(dòng)響應(yīng)就就越大。結(jié)構(gòu)的阻尼尼越高，其其風(fēng)致振動(dòng)動(dòng)的響應(yīng)也也就越小。。風(fēng)致振動(dòng)減減振措施研研究一般也也是從這四四方面著手手。風(fēng)荷載概述述風(fēng)壓基本特特點(diǎn)紊亂性和隨隨機(jī)性迎風(fēng)面壓力力，背風(fēng)面面吸力風(fēng)壓的不確確定性風(fēng)荷載概述述風(fēng)荷載概述述風(fēng)荷載概述述風(fēng)荷載概述述風(fēng)壓對(duì)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(dòng)使居住住者感到不不適不安風(fēng)荷載概述述風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作作用順風(fēng)向:平均風(fēng)(靜力)和陣風(fēng)脈動(dòng)動(dòng)風(fēng)(動(dòng)力)橫風(fēng)向:周期性振動(dòng)動(dòng)（周期荷荷載)和隨機(jī)性振振動(dòng)(隨機(jī)荷載））風(fēng)的雙重性性細(xì)長柔性結(jié)結(jié)構(gòu),橫風(fēng)向可能能產(chǎn)生很大大的動(dòng)力效效應(yīng).風(fēng)荷載概述述風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作作用計(jì)算方法穩(wěn)定風(fēng)--靜力即結(jié)構(gòu)構(gòu)力學(xué)理論論脈動(dòng)風(fēng)（順順風(fēng)向和橫橫風(fēng)向）--動(dòng)力隨機(jī)振振動(dòng)理論橫風(fēng)向周期期性風(fēng)力--動(dòng)力計(jì)算(確定性荷載載)基本風(fēng)壓采用較長時(shí)時(shí)間的平均均風(fēng)速而不不是瞬時(shí)風(fēng)風(fēng)速，作為為確定風(fēng)壓壓和衡量風(fēng)風(fēng)災(zāi)的依據(jù)據(jù)?；撅L(fēng)速：：針對(duì)特定定高度處并并按特定條條件來分析析平均風(fēng)速速。標(biāo)準(zhǔn)高度：：10米。標(biāo)準(zhǔn)地貌：：空曠平坦坦地面。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距：：10分鐘。重現(xiàn)期：30年和50年?；撅L(fēng)壓基本風(fēng)速：：取當(dāng)?shù)乇缺容^空曠平平坦地面上上離地10米高處，統(tǒng)統(tǒng)計(jì)所得30年一遇的10分鐘平均最最大風(fēng)速。?；撅L(fēng)壓：：風(fēng)壓高度變變化系數(shù)地表對(duì)風(fēng)的的摩擦作用用，使接近近地表的風(fēng)風(fēng)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(fēng)風(fēng)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(dá)到到梯度風(fēng)速速同一高度處處風(fēng)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(fēng)風(fēng)壓高度變變化系數(shù)風(fēng)載體形系系數(shù)為把近地風(fēng)風(fēng)的風(fēng)速壓轉(zhuǎn)換為建筑筑物表面的的風(fēng)壓-氣流繞過需要采用一一定的修正正系數(shù)－風(fēng)風(fēng)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(fù)雜、、高柔建筑筑物的風(fēng)載載體形系數(shù)數(shù)需要通過過試驗(yàn)確定定周圍環(huán)境復(fù)復(fù)雜應(yīng)按風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)確確定風(fēng)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(xué)順、橫風(fēng)向向振動(dòng)順風(fēng)向振動(dòng)動(dòng):用概率論的的法則來描描述,雖不能夠定定出某一時(shí)時(shí)刻反應(yīng)的的確定值,卻可以分析析出該時(shí)刻刻取某值的的保證率的的可能性.橫風(fēng)向振振動(dòng):由不穩(wěn)定定的空氣氣動(dòng)力引引起,比較復(fù)雜雜,高樓和高高塔影響響較大.隨著房屋屋高度增增加，在在強(qiáng)風(fēng)作作用下，，高樓(高層鋼結(jié)結(jié)構(gòu))所產(chǎn)生的的振動(dòng)，，使人不舒適，所以高高樓的抗抗風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)，不僅僅要滿足足強(qiáng)度、變變形和傾傾覆穩(wěn)定定方面的要要求，而而且還要要使高樓樓在順風(fēng)向振振動(dòng)、橫橫風(fēng)向振振動(dòng)和扭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)動(dòng)控制在不不使居住住者產(chǎn)生生不適感感的容許許限度內(nèi)內(nèi)。風(fēng)振不適適感的控控制世界上首首先提出出舒適感與房屋頂頂層加速速度關(guān)系系的是加加拿大的的達(dá)文波波特教授授，國內(nèi)的研研究很少少。風(fēng)振不適適感的控控制目前的計(jì)計(jì)算建筑筑物頂層層加速度度的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公式。。通過風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)進(jìn)行確確認(rèn)。一、衡量量不適感感的尺度度1、人體對(duì)運(yùn)運(yùn)動(dòng)的承承受1970年，美國國波士頓頓一座高高樓在0.98KN/m2風(fēng)壓下，，△/H《1/700，人卻感感到不適適。說說明用用△/H來控制側(cè)側(cè)移，并并不能概概括人體體對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的反應(yīng)應(yīng)和耐受受程度。。風(fēng)振不適適感的控控制研究表明明：人體體感覺器器官不能能覺察所所在位置置的絕對(duì)對(duì)位移和和速度，，只能感感受到它它們的相相對(duì)變化化。線線性加加速度是是由人內(nèi)內(nèi)耳中的的耳石察察覺到的的，局部部加速度度則是耳耳內(nèi)的半半規(guī)官感感覺的。。所所以，加速度（線性加速速度和角加速度度）是衡量量人體對(duì)對(duì)高樓風(fēng)風(fēng)振感受受的最好好尺度。。風(fēng)振不適適感的控控制而α=4ππ*πA/(T*T)所以A(振幅)和T(自振周期期)是表征加加速度的的重要指指標(biāo)。風(fēng)振不適適感的控控制2、人體風(fēng)振振反應(yīng)的的分級(jí)a、按振幅和和周期分分級(jí)A、無感覺覺B、有感覺覺C、令人煩煩躁D、令人非非常煩躁躁E、無法承承受b、按加速度度分級(jí)A、B、C、D、E風(fēng)振不適適感的控控制二、實(shí)際際建筑物物的加速速度響應(yīng)應(yīng)1.紐約帝國國大廈（（103層，鋼結(jié)結(jié)構(gòu)）2.紐約世貿(mào)貿(mào)大廈（（110層，鋼結(jié)結(jié)構(gòu)）3.芝加哥湖湖濱廣場場大廈4.金貿(mào)大廈廈10年重現(xiàn)期期加速度度為0.009g~0.013g1年重現(xiàn)期期加速度度為0.003g~0.005g風(fēng)振不適適感的控控制三、風(fēng)振加速速度限值值1.歐洲:2.加拿大0.01g~0.03g(公寓取下下限,辦公取上上限)

3.中國公公寓:0.02g公共建筑筑:0.