建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載技術(shù)

建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載技術(shù)

一、風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)二、計(jì)算機(jī)分析技術(shù)三、計(jì)算風(fēng)工程技術(shù)一、風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)1.2大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載1.3雙塔樓高層建筑的風(fēng)荷載

1.1風(fēng)洞試驗(yàn)方法1.1風(fēng)洞試驗(yàn)方法

目前用于結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的風(fēng)洞一般可分為兩類。一類是試驗(yàn)段長度達(dá)20m~30m的邊界層風(fēng)洞，亦稱為長風(fēng)洞；另一類是航空風(fēng)洞，這種風(fēng)洞試驗(yàn)段較短，不足以形成大氣邊界層，因而需要在試驗(yàn)段入口處加設(shè)被動(dòng)裝置，如格柵、障礙物、擋板和尖塔等。1.1.1風(fēng)洞簡介圖1.1香港科技大學(xué)的風(fēng)洞平面圖圖1.2風(fēng)洞中的被動(dòng)裝置1.1.2風(fēng)洞模擬

A）風(fēng)速剖面模擬離地面不同高度處的風(fēng)速用指數(shù)規(guī)律描述：

在大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)中，要求風(fēng)洞內(nèi)的風(fēng)速剖面按一定的幾何縮尺比等同于實(shí)際的風(fēng)速剖面。

（1.1）圖1.3風(fēng)洞模擬的B類大氣邊界層風(fēng)速剖面

B）湍流度模擬

大氣邊界的空氣流動(dòng)，有著無數(shù)強(qiáng)度不同的渦流，湍流度就是表征這種渦流強(qiáng)度特性的參數(shù)。國際風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)ISO指出，在離地面高度30m處的大氣湍流強(qiáng)度近似與地面粗糙度指數(shù)α相等。湍流度隨地面高度的變化采用以下理論公式描述：

（1.2）圖1.4風(fēng)洞模擬的B類大氣邊界層湍流度剖面

C）試驗(yàn)結(jié)果1)風(fēng)壓系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)就是在利利用在風(fēng)洞與結(jié)構(gòu)構(gòu)實(shí)物的無量綱數(shù)數(shù)如風(fēng)壓系數(shù)相似似來確定實(shí)物的風(fēng)風(fēng)壓值。模型試驗(yàn)驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系系數(shù)的計(jì)算方法系系按目前國內(nèi)外風(fēng)風(fēng)工程慣用的方法法。風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算公式式：式中：是是建筑物表面某測(cè)測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)數(shù)；是測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓值；參考點(diǎn)靜壓力值；；是參考點(diǎn)的風(fēng)速。。（1.3）2）體型系數(shù)與風(fēng)風(fēng)壓系數(shù)的轉(zhuǎn)換根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷荷載規(guī)范》（GBJ5009-2001）的規(guī)定定，在不考慮陣風(fēng)風(fēng)脈動(dòng)和風(fēng)振效應(yīng)應(yīng)時(shí)，作用在建筑筑物表面某一點(diǎn)““i”的風(fēng)壓計(jì)計(jì)算公式為為：式中為為標(biāo)準(zhǔn)地貌貌的基本風(fēng)壓；為為i點(diǎn)的風(fēng)載體型系數(shù)數(shù)；為為i點(diǎn)的風(fēng)壓高度變化化系數(shù)。（1.4）而由風(fēng)洞試驗(yàn)得出出的風(fēng)壓計(jì)算公式式為：參考點(diǎn)處的的風(fēng)壓高度度變化系數(shù)，，因此有有，代入有：對(duì)比式（1.4））與式（1.6））便可得體型系數(shù)數(shù)與風(fēng)壓系數(shù)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換公式：（1.5）（1.6）（1.7）3)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)結(jié)果通過風(fēng)洞試驗(yàn)，可可得以下有關(guān)風(fēng)荷荷載參數(shù)：1.各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓壓系數(shù)、風(fēng)壓以及及體型系數(shù)；2.局部體型系數(shù)數(shù)和整體體型系數(shù)數(shù)；3.結(jié)構(gòu)最不利受受風(fēng)的位置；4.受風(fēng)最不利的的風(fēng)向角；5.各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)動(dòng)風(fēng)壓；1.2大跨度屋屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載載隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)發(fā)展和建筑技術(shù)的的進(jìn)步，大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)越來越廣泛泛地被應(yīng)用于航站站樓、大劇院以及及足球運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等大大型公共建筑中。。這些建筑通常采采用自重小、柔度度大的全鋼結(jié)構(gòu)作作為屋蓋的支撐體體系，致使風(fēng)荷載載成為其主要的控控制荷載，大跨結(jié)結(jié)構(gòu)的屋面遭強(qiáng)風(fēng)風(fēng)破壞的例子時(shí)有有報(bào)道。1.2.1平屋屋面的風(fēng)壓平屋面作為屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)最基本的形式式，其風(fēng)壓分布可可以作為一般大跨跨結(jié)構(gòu)的參考。當(dāng)當(dāng)風(fēng)遇到平屋面尖尖銳的屋面棱角時(shí)時(shí)，會(huì)形成流動(dòng)分分離，然后在分離離層形成離散的旋旋渦，脫落于屋面面下方的尾流中。。當(dāng)風(fēng)向同分離線線垂直時(shí)，會(huì)沿著著分離線形成一個(gè)個(gè)柱狀渦；當(dāng)風(fēng)向向與分離線傾斜時(shí)時(shí)，會(huì)形成兩個(gè)錐錐形渦。圖1.5柱狀渦渦示意圖圖1.6錐形渦渦示意圖圖1.7平屋面面在柱狀渦作用下下的風(fēng)壓系數(shù)分布布圖1.8平屋面面在錐狀渦作用下下的風(fēng)壓系數(shù)分布布平屋面的風(fēng)壓分布布特點(diǎn)為：1.在迎風(fēng)邊緣由由于受柱狀渦或錐錐形渦作用而產(chǎn)生生極大的負(fù)風(fēng)壓；2.在其他區(qū)域由由于尾流作用風(fēng)壓壓較小。因此在平屋面的設(shè)設(shè)計(jì)中，尤其要注注意由柱狀渦和錐錐形渦產(chǎn)生的極大大負(fù)壓區(qū)，一般屋屋面板及其同主體體連接件的破壞均均發(fā)生于此。1.2.2復(fù)雜雜屋面的風(fēng)壓某航站樓，縱向長長約190m，進(jìn)進(jìn)深約120m，，高約32m。航航站樓為左右對(duì)稱稱結(jié)構(gòu)，陸側(cè)面為為雙層式立交橋通通道，空側(cè)有兩個(gè)個(gè)橢圓形的登機(jī)指指廊。航站樓屋面面連綿起伏，變化化不一。對(duì)于大跨結(jié)構(gòu)，復(fù)復(fù)雜的屋面形狀對(duì)對(duì)屋面的風(fēng)壓分布布的影響很大，現(xiàn)現(xiàn)以某航站樓為例例。圖1.9某某航站樓模型圖1.10航航站樓屋面高高度示意圖（m））注：圖中上三角表表高度極大值，下下三角表極小值0°圖1.11航站站樓上表面在0o風(fēng)向的風(fēng)壓系數(shù)數(shù)分布圖1.12航站站樓上表面在45o風(fēng)向的風(fēng)壓系數(shù)數(shù)分布45°可以發(fā)現(xiàn)以下分布布特點(diǎn)：在0o風(fēng)向，較大負(fù)壓壓等壓線的形狀與與屋面輪廓線的形形狀相似，尤其在在輪廓線的兩個(gè)缺缺口處風(fēng)壓等壓線線的形狀基本上等等同于缺口形狀。。在45o風(fēng)向，兩個(gè)錐形渦基本本上形成。在尾流區(qū)，凸出的的屋面（風(fēng)滑過）呈現(xiàn)局局部負(fù)風(fēng)壓的最大值，凹進(jìn)的屋面面呈現(xiàn)局部負(fù)風(fēng)壓的最小值。風(fēng)洞試驗(yàn)可以準(zhǔn)確確反應(yīng)復(fù)雜屋面的的風(fēng)荷載分布，因因此對(duì)于重要的建建筑物宜采用風(fēng)洞洞試驗(yàn)確定風(fēng)荷載載。1.2.3四周周敞開的體育場(chǎng)屋屋面體育場(chǎng)挑篷為敞開開結(jié)構(gòu)，上下表面面均受風(fēng)作用，因因此采用風(fēng)壓合力力來表示挑篷結(jié)構(gòu)構(gòu)所受的總風(fēng)載：：Cpu(t)，Cpd(t)分別對(duì)應(yīng)測(cè)測(cè)點(diǎn)上、下表面的的風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程。。（1.8）合成風(fēng)壓系數(shù)時(shí)程程的統(tǒng)計(jì)值計(jì)算：：風(fēng)對(duì)挑篷的整體作作用主要是向上的的升力作用，引入總體升力系數(shù)CF概念：A為挑篷的整體面積積，α為測(cè)點(diǎn)表面的法線線方向。（1.9）（1.10）（1.11）某體育場(chǎng)實(shí)例：某體育場(chǎng)東西看臺(tái)臺(tái)等高，兩側(cè)罩棚棚對(duì)稱布置，看臺(tái)臺(tái)和罩棚均采用由由東西中軸線向南南北兩側(cè)跌落的方方式。東西向長約約200m，南北向長約220m，建筑面積17910m2，可容納觀眾20000人。挑篷采用輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)，支撐于鋼筋混混凝土立柱上挑篷篷各處沿軸線方向向均有10o朝外的排水坡度度，挑篷的最高處處為26.8m。。在距體育場(chǎng)邊緣緣約50m處，有有一座小山包，其其最高處約為50m。圖1.13溫嶺市市體育場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)ＤＰ蛨D1.14西看臺(tái)剖面簡圖圖1.15體育育場(chǎng)風(fēng)向角及干擾擾體示意圖A）單體建筑的的風(fēng)壓和升力（以以R挑篷為例）90°上表面下表面合力圖1.1690o下R挑篷風(fēng)壓系系數(shù)分布90o風(fēng)向角下挑挑篷：1.上表面呈現(xiàn)很很大的負(fù)壓，并由由迎風(fēng)方向向背風(fēng)風(fēng)方向遞減，是由由于沿挑篷的迎風(fēng)風(fēng)跡線產(chǎn)生氣流分分離所致。2.下表面可以觀觀察到明顯的兜風(fēng)風(fēng)效應(yīng)，主要是看看臺(tái)與挑篷形成相相對(duì)較封閉的空間間，使氣流受阻，，形成正壓。3.風(fēng)壓合力的大大小與上表面接近近，僅比上表面略略大，而分布模式式也幾乎相同。圖1.17各風(fēng)風(fēng)向角下R挑篷的升力系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：1.上表面的升力力系數(shù)全為負(fù)值，，風(fēng)向角在0o和和180o時(shí)升力力達(dá)到最小值。2.下表面的升力力系數(shù)有正有負(fù)。。風(fēng)向在0o與180o之間為正正，在180o與與360o之間為為負(fù)。3.風(fēng)壓合力，整整體表現(xiàn)為向上的的升力作用。在0o與180o之之間，“上吸下頂頂”，為大的升升力系數(shù)。在180o和360oo之間，上下表面面風(fēng)壓抵消，升力力系數(shù)較小。4.所有的風(fēng)向角角下，上表面的升升力系數(shù)比下表面面大出許多，風(fēng)壓壓合力主要是由上上表面的風(fēng)壓控制制。.B）考慮山體的的干擾作用圖1.18有、無干擾下R挑篷上下表面的升升力系數(shù)圖1.19有、無干擾下R挑篷風(fēng)壓合力的升升力系數(shù)定義風(fēng)向角：0o－105o之間間，干擾體位于R挑篷的下方，稱稱為下游位置；120o－－195oo之間，干干擾體位于于R挑篷的的右側(cè)，風(fēng)風(fēng)從兩者中中間穿過，，稱為平行行位置；210o－－360oo之間，干干擾體位于于R挑篷的的上方，稱稱為上游位位置。圖1.20R挑篷上干擾擾因子的分分布注：干擾因因子IF為有無無干擾體時(shí)時(shí)升力系數(shù)數(shù)之比表1.1R挑篷的的升力系數(shù)數(shù)隨干擾體體位置的變變化結(jié)論：對(duì)于臨近的的挑篷，干干擾體在上上游時(shí)減少少風(fēng)對(duì)挑篷篷的升力作作用；在平平行位置增增加對(duì)挑篷篷的升力作作用，在下下游時(shí)減少少對(duì)挑篷的的升力作用用。干擾體的形形狀與位置置很大影響響了待測(cè)建建筑物上的的平均風(fēng)壓壓與脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)壓，因此此對(duì)于簡單單干擾情況況可參考過過去的結(jié)論論和經(jīng)驗(yàn)予予以處理，，但是對(duì)于于復(fù)雜情況況最好采用用風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)方法來確確定。1.2.4已完成成的大跨結(jié)結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞洞試驗(yàn)（1）體育育場(chǎng)館：臺(tái)臺(tái)州體育中中心體育場(chǎng)場(chǎng)和游泳館館、湖州體育館館、嘉興體體育場(chǎng)、溫溫嶺體育場(chǎng)場(chǎng)等（2）機(jī)場(chǎng)場(chǎng)航站樓：：寧波機(jī)場(chǎng)場(chǎng)、青島流流亭機(jī)場(chǎng)航航站樓、井岡岡山機(jī)場(chǎng)、、重慶江北北機(jī)場(chǎng)等（3）展覽覽中心：安安徽國際會(huì)會(huì)議中心和和上海明珠珠會(huì)議展覽中中心等（4）文化化活動(dòng)中心心：杭州大大劇院、紹紹興藝術(shù)中中心、西湖文化廣廣場(chǎng)等（5）交通通運(yùn)輸中心心：杭州客客運(yùn)中心站站等圖1.21臺(tái)臺(tái)州體育中中心主體育育場(chǎng)建筑模模型圖1.22臺(tái)臺(tái)州體育中中心主體育育場(chǎng)風(fēng)洞試試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.23臺(tái)臺(tái)州體育中中心游泳館館風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.24湖州州體育館風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)ＤＰ蛨D1.25嘉嘉興體育場(chǎng)場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.26溫溫嶺體育場(chǎng)場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.27青島島流亭機(jī)場(chǎng)場(chǎng)航站樓風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)ＤＰ蛨D1.28重慶慶江北機(jī)場(chǎng)場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.29井岡岡山機(jī)場(chǎng)風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)ＤＰ蛨D1.30上上海海明珠會(huì)會(huì)議展覽覽中心風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.31紹紹興藝藝術(shù)中心心風(fēng)洞試試驗(yàn)?zāi)Ｐ托蛨D1.32杭杭州州大劇院院風(fēng)洞試試驗(yàn)?zāi)Ｐ托蛨D1.33西西湖湖文化廣廣場(chǎng)風(fēng)洞洞試驗(yàn)?zāi)ＤＰ蛨D1.34杭杭州州客運(yùn)中中心站風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ?.3雙雙塔樓樓高層建建筑的風(fēng)風(fēng)荷載雙塔樓高高層建筑筑由于具具有優(yōu)美美的建筑筑造型和和較高的的土地使使用率，，是一種種較常見見的高層層建筑形形式。由由于雙塔塔之間風(fēng)風(fēng)通道變變窄而產(chǎn)產(chǎn)生的狹狹縫效應(yīng)應(yīng)以及兩兩個(gè)塔樓樓的相互互氣動(dòng)干干擾，致致使該類類建筑的的風(fēng)荷載載變得非非常復(fù)雜雜?，F(xiàn)在常用用的結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)軟軟件如PKPM、SATWE等，結(jié)構(gòu)構(gòu)的風(fēng)荷荷載主要要是通過過基本風(fēng)風(fēng)壓和一一個(gè)整體體的體型型系數(shù)來來干預(yù)，，但是不不能在同同一結(jié)構(gòu)構(gòu)層上分分面或者者分區(qū)域域輸入體體型系數(shù)數(shù)。雙塔樓建建筑的風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)可以給給出各個(gè)個(gè)風(fēng)向下下雙塔樓樓的風(fēng)壓壓分布，，但是由由于各個(gè)個(gè)測(cè)點(diǎn)是是分散的的，難于于直接把把風(fēng)洞試試驗(yàn)的結(jié)結(jié)果輸入入到設(shè)計(jì)計(jì)軟件中中。高層建筑筑結(jié)構(gòu)，，一般由由兩向正正交的柱柱網(wǎng)構(gòu)成成，通常常把水平平荷載在在這兩個(gè)個(gè)方向上上進(jìn)行分分解，以以便于內(nèi)內(nèi)力計(jì)算算。對(duì)于于風(fēng)荷載載，迎風(fēng)風(fēng)面和背背風(fēng)面的的合力為為式中、、為為迎風(fēng)面面和背風(fēng)風(fēng)面的體體型系數(shù)數(shù)，為為迎風(fēng)風(fēng)方向上上的整體體體型系系數(shù)，為為風(fēng)風(fēng)壓高度度系數(shù)，，為為基本風(fēng)風(fēng)壓。（1.12）工程設(shè)計(jì)計(jì)軟件中中如PKPM、SATWE等，采用用的體型型系數(shù)就就是上式式定義的的整體體體型系數(shù)數(shù)。。實(shí)際上風(fēng)風(fēng)荷載合合力相當(dāng)當(dāng)于順風(fēng)風(fēng)方向上上的風(fēng)載載合力，，即考慮慮在同一一高度截截面上布布置的所所有測(cè)點(diǎn)點(diǎn)，其所所測(cè)得的的風(fēng)壓按按面積積積分并沿沿縱向和和橫向分分解，求求得這兩兩個(gè)方向向上的合合力如果果在風(fēng)洞洞試驗(yàn)中中求出某某個(gè)方向向的合力力，反過過來就可可以推算算出該方方向上的的整體體體型系數(shù)數(shù)。根據(jù)風(fēng)洞洞試驗(yàn)原原理，可可得某測(cè)測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓計(jì)計(jì)算公式式為式中為為風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)所得的的i點(diǎn)的風(fēng)壓壓系數(shù)，，為為參考點(diǎn)點(diǎn)風(fēng)壓，，為為試驗(yàn)參參考點(diǎn)高高度所對(duì)對(duì)應(yīng)風(fēng)壓壓高度系系數(shù)。（1.13）對(duì)于某個(gè)個(gè)z高度的塔塔樓截面面，沿外外輪廓布布置n個(gè)測(cè)點(diǎn)，，則單位位高度上上沿縱向向和橫向向的合力力為式中，，分分別別為塔樓樓建筑縱縱向和橫橫向的風(fēng)風(fēng)荷載合合力，為為測(cè)點(diǎn)點(diǎn)的法向向與縱向向的夾角角，為為測(cè)點(diǎn)點(diǎn)i控制的水水平方向向上的長長度。（1.14）（1.15）式中、、分分別別為縱向向和橫向向的整體體體型系系數(shù)，、、分分別為為縱向和和橫向的的參考長長度，可可取塔樓樓建筑在在縱向和和橫向上上的迎風(fēng)風(fēng)面寬度度。（1.16）（1.17）對(duì)稱雙塔塔樓建筑筑的實(shí)例例某對(duì)稱雙雙塔樓為為28層層建筑，，總高度度為113.4m，結(jié)結(jié)構(gòu)層最最高處為為99.9m。。由于該雙雙塔樓建建筑的對(duì)對(duì)稱性，，取其中中的一個(gè)個(gè)塔樓布布置測(cè)點(diǎn)點(diǎn)，分別別在23m、43m圖1.35雙雙塔塔樓立面面示意圖圖圖1.36雙雙塔樓測(cè)測(cè)點(diǎn)及風(fēng)風(fēng)向角示示意圖風(fēng)壓合力力的計(jì)算算圖1.37縱向合力力Fa圖1.38橫向合力力Fc沿風(fēng)向角角分布結(jié)論：縱向合力力，關(guān)于于90°°和270°風(fēng)風(fēng)向?qū)ΨQ稱，橫向向合力關(guān)關(guān)于0°°和180°風(fēng)風(fēng)向角對(duì)對(duì)稱。縱向和橫橫向合力力，各高高度截面面上的風(fēng)風(fēng)壓合力力值相差差不大。?？v向合力力，最大大值不是是出現(xiàn)在在90°°和270°風(fēng)風(fēng)向，而而是出現(xiàn)現(xiàn)在225°和和315°風(fēng)向向，說明明了雙塔塔結(jié)構(gòu)的的相互干干擾作用用。整體體型型系數(shù)的的計(jì)算圖1.39縱向體型型系數(shù)μsa沿風(fēng)向角角分布圖1.40橫向體型型系數(shù)μsc沿風(fēng)向角角分布圖1.41平均整體體體型系系數(shù)沿風(fēng)風(fēng)向角分分布注：平均均整體體體型系數(shù)數(shù)為沿高高度方向向取算術(shù)術(shù)平均。。結(jié)論：縱向體型型系數(shù)的的最大值值在225°和315°風(fēng)向，，橫向體體型系數(shù)數(shù)的最大大值在0°和180°風(fēng)向。。規(guī)范給出出的矩形形截面高高層建筑筑的整體體體型系系數(shù)為1.3。對(duì)照上上圖，由由風(fēng)洞試試驗(yàn)結(jié)果果反算的的平均整整體體型型系數(shù)較較規(guī)范數(shù)數(shù)據(jù)為小小，主要要是由于于未考慮慮整個(gè)受受風(fēng)面上上風(fēng)壓分分布不均均勻，同同時(shí)規(guī)范范中的數(shù)數(shù)據(jù)一般般均有一一定的富富余度。。由于高層層結(jié)構(gòu)上上風(fēng)壓分分布的不不平均，，風(fēng)會(huì)對(duì)對(duì)高層結(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)作用，，扭矩：：其中Di是扭力臂，為為測(cè)點(diǎn)到扭心心的距離。扭矩的計(jì)算（1.18））圖1.42扭矩T沿風(fēng)向角分布布結(jié)論：在90°和270°風(fēng)向，由于于對(duì)稱性，扭扭矩接近于零零，同時(shí)關(guān)于于90°和270°風(fēng)向反對(duì)稱稱。在0°和180°風(fēng)向，扭矩矩達(dá)到最大值值。扭矩的處理方方法，在設(shè)計(jì)計(jì)中直接考慮慮或采用等效效扭矩荷載進(jìn)行處理理。已完成的雙塔塔樓風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)：蕭山國際商務(wù)務(wù)中心、舟山山新露亭花園園、合肥政務(wù)務(wù)中心等圖1.42蕭蕭山國際商商務(wù)中心立面面圖圖1.43合合肥政務(wù)中中心風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.44舟舟山新露亭亭花園立面圖圖二、計(jì)算機(jī)分分析技術(shù)建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)風(fēng)荷載計(jì)算常常有的方法是是采用風(fēng)振系系數(shù)乘以平均均風(fēng)壓的方法法。對(duì)于高層建筑筑，其風(fēng)振系系數(shù)的計(jì)算理理論是相當(dāng)成成熟的，規(guī)范范也給出了詳詳細(xì)的公式和和圖表予以查查詢。對(duì)于大跨度屋屋蓋結(jié)構(gòu)屋面面的風(fēng)振系數(shù)數(shù)計(jì)算，而適適用于現(xiàn)有規(guī)規(guī)范的基于懸懸臂梁理論也也不再適用于于大跨度屋蓋蓋結(jié)構(gòu)，而規(guī)規(guī)范也沒再對(duì)對(duì)大跨結(jié)構(gòu)提提出風(fēng)振系數(shù)數(shù)的計(jì)算方法法。2.2頻域域分析法2.1時(shí)域域分析法對(duì)于大跨度屋屋蓋結(jié)構(gòu)屋面面的風(fēng)振系數(shù)數(shù)計(jì)算，如果果采用基于有有限元的計(jì)算算機(jī)分析方法法，就可以算算出結(jié)構(gòu)的響響應(yīng)，因而也也可以得出用用于結(jié)構(gòu)整體體計(jì)算的風(fēng)振振系數(shù)。其方方法可分為時(shí)時(shí)域分析法和和頻域分析法法。2.1時(shí)域域分析法一般用于線彈彈性結(jié)構(gòu)時(shí)程程響應(yīng)分析有有差分法、線線性加速度法法、Wilson法和Newmark法等等。下面采用用差分法求解解。大跨度屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載載作用下的振振動(dòng)方程為：：(2.1)2.1.1時(shí)時(shí)域法的求求解理論理論論式中各階微分分可以用中心心差分表示為為：(2.2)(2.3)其中t為均勻的時(shí)間間步長，、、、為為t時(shí)刻及其t前、后時(shí)刻的的節(jié)點(diǎn)位移。。將上述差分式式代入，可整整理為一個(gè)遞遞推公式：(2.4)其中為為t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)荷荷載列陣。代代入有：(2.5)其中(2.6)(2.7)求得結(jié)構(gòu)的[M]、[C]、[K]和之之后，如已知知t時(shí)刻及t-t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)位位移，就可以以按（2.7）推出t+t時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)位位移；而后又又可以推出t+2t、t+3t，…各時(shí)刻的的節(jié)點(diǎn)位移。2.1.2大大跨屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)數(shù)的求解風(fēng)荷載時(shí)程的的獲得：實(shí)際上風(fēng)洞試試驗(yàn)時(shí)程可以以很好地反映映某測(cè)點(diǎn)處實(shí)實(shí)際的風(fēng)壓脈脈動(dòng)情況，因因此直接采用用風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)時(shí)程作為脈動(dòng)動(dòng)風(fēng)荷載。在制作風(fēng)洞試試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，，測(cè)壓點(diǎn)布置置于上弦節(jié)點(diǎn)點(diǎn)，對(duì)未布置置測(cè)點(diǎn)的上弦弦節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓壓值取臨近的的測(cè)壓點(diǎn)數(shù)據(jù)據(jù)做內(nèi)插處理理。由于測(cè)壓點(diǎn)較較密，內(nèi)插得得出的風(fēng)荷載載時(shí)程與實(shí)際際相符。網(wǎng)架架上弦節(jié)點(diǎn)的的風(fēng)荷載時(shí)程程乘以其附著著面積，作為為點(diǎn)荷載作用用于上弦節(jié)點(diǎn)點(diǎn)。風(fēng)振系數(shù)的求求得：在計(jì)算得響應(yīng)應(yīng)時(shí)程后，計(jì)計(jì)算屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)得位移風(fēng)振振系數(shù)或內(nèi)力力風(fēng)振系數(shù)。。以位移風(fēng)振振系數(shù)作為風(fēng)風(fēng)效應(yīng)參數(shù)，，為節(jié)點(diǎn)的靜靜動(dòng)力位移的的總和與與靜靜位移的的比值：式中，為為節(jié)點(diǎn)豎向位位移響應(yīng)均方方根，為峰峰值因子，一一般取3.5。(2.8)2.1.3風(fēng)風(fēng)振系數(shù)求求解實(shí)例臺(tái)州體育中心心主體育場(chǎng)屋屋蓋采用四角角錐體系，四四周為鋼環(huán)梁梁，網(wǎng)殼分別別用8根巨型立柱支支撐，每根立立柱用8條鋼索拉住網(wǎng)網(wǎng)殼。采用ANSYS軟件進(jìn)行有限限元建模計(jì)算算，模型具體體參數(shù)如下：：1.上下弦弦和腹桿采用用3-DSpar單元，共8611個(gè)單元；2.鋼環(huán)梁梁采用3-DElasticBeam單元，共218個(gè)單元；3.拉索采用用Tension-onlySpar單元，共64個(gè)單元。共8893個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)點(diǎn)2522個(gè)，基頻率為為1.88Hz。圖2.1臺(tái)臺(tái)州體育育中心主體育育場(chǎng)的建筑模模型圖2.2體體育場(chǎng)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)布置和風(fēng)向向角示意圖圖2.3體育場(chǎng)的有限限元模型0o風(fēng)向下的結(jié)結(jié)論：計(jì)算其平均值值和方差，發(fā)發(fā)現(xiàn)屋蓋外側(cè)側(cè)的位移值不不大，屋蓋內(nèi)內(nèi)側(cè)位移值達(dá)達(dá)到最大，響響應(yīng)的均方根根與平均值的的分布很相近近，可給出了上弦弦節(jié)點(diǎn)的風(fēng)振振系數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)可偏安全全地取整體位位移風(fēng)振系數(shù)數(shù)為1.6。圖2.4屋蓋上弦節(jié)點(diǎn)點(diǎn)豎直響應(yīng)的的平均值（厘厘米）圖2.5屋蓋上弦節(jié)點(diǎn)點(diǎn)豎直響應(yīng)的的均方值（厘厘米）圖2.6屋蓋上弦節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的風(fēng)振系數(shù)數(shù)已完成的風(fēng)振振系數(shù)計(jì)算有有：臺(tái)州體育中心心主體育場(chǎng)、、廣州白云機(jī)機(jī)場(chǎng)機(jī)庫、廣廣州會(huì)展中心心等圖2.7廣州州新白云機(jī)場(chǎng)機(jī)庫庫風(fēng)向角示意圖圖2.8機(jī)庫庫ZONE12區(qū)區(qū)鋼架的有限元模模型注：節(jié)點(diǎn)數(shù)5285個(gè)，單元數(shù)15257個(gè)表2.1ZONE12區(qū)鋼架架各風(fēng)向角下的風(fēng)風(fēng)振系數(shù)值圖2.9ZONE31區(qū)鋼架架的有限元模型表2.2ZONE31區(qū)鋼架架各風(fēng)向角下的風(fēng)風(fēng)振系數(shù)值圖2.10ZONE32區(qū)鋼鋼架的有限元模型型表2.3ZONE32區(qū)鋼架架各風(fēng)向角下的風(fēng)風(fēng)振系數(shù)值圖2.11廣廣州國際會(huì)展中心心風(fēng)洞試驗(yàn)照片圖2.12廣廣州會(huì)展中心風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)向角示示意圖圖2.13展展覽廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)有限元模型圖2.14展展覽廳屋蓋分塊塊示意圖表2.4展展覽廳第5塊屋架架在各個(gè)風(fēng)向角的的風(fēng)振系數(shù)值表2.5展展覽廳在0o風(fēng)風(fēng)向角下第1～第第5塊屋架風(fēng)振系數(shù)值圖2.15東東入口鋼架的的有限元模型圖2.16東東入口鋼架風(fēng)振系系數(shù)分塊示意圖通過分析發(fā)現(xiàn)，兩兩個(gè)相鄰支撐之間間的風(fēng)振系數(shù)值比比較接近，故分區(qū)區(qū)給出風(fēng)振系數(shù)值值。表2.6東東入口鋼架各區(qū)的的風(fēng)振系數(shù)2.2頻域分析析法由于大跨網(wǎng)架屋蓋蓋結(jié)構(gòu)頻率密集，，阻尼較小，結(jié)構(gòu)構(gòu)較柔，對(duì)此類結(jié)構(gòu)的風(fēng)振振響應(yīng)計(jì)算必須考考慮高階振型的影影響，但是如果采用常規(guī)的模模態(tài)疊加法進(jìn)行計(jì)計(jì)算，很難確定到到底該取多少階模模態(tài)才能得到比較較滿意的結(jié)果。因此通過背景模態(tài)態(tài)法從能量角度整體考慮結(jié)構(gòu)的振振動(dòng)特性從而反映映結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)態(tài)對(duì)振動(dòng)的貢獻(xiàn)2.2.1基本本理論風(fēng)致動(dòng)力位移響應(yīng)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以以表示成：其中，和和分分別為結(jié)構(gòu)i節(jié)點(diǎn)背景響應(yīng)和共共振響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏偏差。為為節(jié)點(diǎn)i上考慮風(fēng)壓脈動(dòng)和空空間相關(guān)性的風(fēng)振振動(dòng)力系數(shù)：(2.9)(2.10)結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)響應(yīng)：：擬靜力風(fēng)荷載作用用下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的的平衡方程為：為擬靜力風(fēng)荷載向向量為對(duì)角陣，為為其元素素，為負(fù)荷面面積，為為體型系數(shù)，為為風(fēng)高系數(shù)，為為空氣密度，為為基本風(fēng)速。。為擬靜力力隨機(jī)風(fēng)速向量。。(2.11)(2.12)(2.13)經(jīng)過整理計(jì)算可得得：為表面阻力系數(shù)。。兩邊轉(zhuǎn)置相乘再取取期望值，得位移移協(xié)方差矩陣：相對(duì)應(yīng)該模態(tài)的的的圓頻率為：(2.14)(2.15)(2.16)(2.17)2.2.2頻域域法的計(jì)算實(shí)例圖2.17臺(tái)州州體育場(chǎng)的有限元模模型和分塊示意圖圖表2.7體育育場(chǎng)屋蓋的背景模模態(tài)頻率表2.8270°豎向分塊位位移風(fēng)振系數(shù)及與與時(shí)程法比較結(jié)論：模態(tài)分析法根據(jù)模模態(tài)對(duì)系統(tǒng)應(yīng)變能能的貢獻(xiàn)，取背景景位移響應(yīng)作為脈脈動(dòng)風(fēng)下結(jié)構(gòu)的綜綜合貢獻(xiàn)模態(tài),可可以考慮到高階模模態(tài)的影響，彌補(bǔ)補(bǔ)了通常使用的模模態(tài)疊加法不知道道如何選取幾階模模態(tài)進(jìn)行的疊加的的不足。計(jì)算方便，計(jì)算結(jié)結(jié)果基本能反映出出結(jié)構(gòu)的風(fēng)振特性性，但是不能考慮慮非線性的影響。。三、計(jì)算風(fēng)工程技技術(shù)計(jì)算風(fēng)工程（ComputingWindEngineering）簡稱CWE，其核心內(nèi)內(nèi)容是計(jì)算流體動(dòng)動(dòng)力學(xué)（ComputationalFluidDynamics）,簡稱稱CFD。計(jì)算風(fēng)工程（數(shù)值值風(fēng)洞），相對(duì)于于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：可以按照實(shí)尺模型型計(jì)算，避免了風(fēng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行行縮尺實(shí)驗(yàn)的不足足；成本低，速度快；；資料完備；計(jì)算風(fēng)工程在城市市和土木工程領(lǐng)域域是發(fā)展最快的，，已經(jīng)由基礎(chǔ)研究究進(jìn)入應(yīng)用階段：：1.繞鈍體（建建筑結(jié)構(gòu)或橋面板板）的速度和壓力力場(chǎng)的分析；2.繞建筑物近近地面的步行風(fēng)問問題研究；3.城市和區(qū)域域氣候分析；4.市區(qū)戶外氣氣候分析；5.繞建筑物或或城區(qū)大氣擴(kuò)散分分析；6.繞人體的溫溫度和速度場(chǎng)分析析；7.流體和結(jié)構(gòu)構(gòu)的耦合分析；計(jì)算風(fēng)工程的發(fā)展展現(xiàn)狀土木工程研究的重重點(diǎn)是鈍體（bluffbody）空氣動(dòng)力學(xué)學(xué),鈍體周圍的流流場(chǎng)很復(fù)雜包括了了撞擊，分離，再再附，環(huán)繞和旋渦渦等，計(jì)算風(fēng)工程程幾乎包含了當(dāng)今今世界上公認(rèn)的最最困難的有關(guān)計(jì)算算流體力學(xué)的內(nèi)容容。計(jì)算風(fēng)工程是CFD的重要內(nèi)容氣流在大氣邊界層層中的流動(dòng)屬湍流流（turbulence）,湍湍流又稱紊流。湍湍流很難給出一個(gè)個(gè)完整明確的定義義，通常將具有大大小不等的旋渦的的流動(dòng)稱為湍流，，大渦從主流中獲獲得能量，旋渦運(yùn)運(yùn)動(dòng)使旋渦拉伸而而不斷分解為小渦渦，小渦的流動(dòng)處處于高頻的運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)，流動(dòng)的瞬時(shí)時(shí)速度在時(shí)間和空空間上都處于高度度的不規(guī)則的劇烈烈脈動(dòng)，高度隨機(jī)機(jī)，將能量耗散。。湍流及其其數(shù)值模模擬方法法1.直直接模擬擬（directnumencalsimulation,DNS）用三位非非穩(wěn)的navier-stokes方程進(jìn)進(jìn)行直接接的數(shù)值值計(jì)算，，需要很很小的時(shí)時(shí)間和空空間步長長，需要要計(jì)算代代價(jià)極大大，難以以用于工工程數(shù)值值計(jì)算。。湍流的模模擬方法法2.大渦模擬擬（largeeddysimulation,LES））大渦從主主流中獲獲得能量量，旋渦渦運(yùn)動(dòng)使使旋渦拉拉伸而不不斷分解解為小渦渦，小渦渦的流動(dòng)動(dòng)處于高高頻的運(yùn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)態(tài)，流動(dòng)動(dòng)的瞬時(shí)時(shí)速度在在時(shí)間和和空間上上都處于于高度的的不規(guī)則則的劇烈烈脈動(dòng)，，高度隨隨機(jī)，將將能量耗耗散。具體的計(jì)計(jì)算模型型Zero-EquationModelsOne-EquationModelsSpalart-AllmarasTwo-EquationModels(工程應(yīng)應(yīng)用最多多的模型型)Standardk-eRNGk-eRealizablek-eStandardk-wSSTk-wReynolds-StressModelCFD中中不同湍湍流模型型有不同同的優(yōu)缺缺點(diǎn)，選選擇一個(gè)個(gè)適當(dāng)