摘 要

随着社会的进步，高耸结构日益呈现出更高、更柔的趋势，使得其对风荷载变得更加敏感。因此，对于高耸结构的风效应研究就显得十分有意义。

本文通过对武汉航空塔刚性模型进行了同步测压风洞实验，根据所得的数据结果对该结构进行了相关风效应研究。首先研究了结构表面风压分布特性，并从多个角度对其进行了分析。然后得出了结构的基底三维风荷载谱，接着对比了该结构在实验下的等效风荷载值与规范值，并进一步研究了结构的风振响应。

由分析结果可以看出：结构表面测点平均风压系数与多种因素有关；结构表面不同位置测点的脉动风压相关系数变化较规律；该结构短轴迎风面的顺风向体形系数比规定值小，长轴迎风面则相反；结构的基底三维风荷载谱特性不同，由此得到的结构等效静力风荷载与规范值较吻合；结构风致响应与风向角以及相关系数有关联。

本文对于该结构进行的测压风洞实验是比较通用方法，得出的相关结论具有一定的参考价值。

关键词：高耸结构；风压分布；风洞实验；等效风荷载；结构响应

Abstract

With the progress of society, the tall structure is increasingly showing a higher, more soft trend, making it more sensitive to the wind load. Therefore, it is very meaningful to study the wind effect of tall structure.

In this paper, the rigid wind tunnel experiment of Wuhan aviation tower is carried out, and the wind effect is studied based on the obtained data. Firstly, the wind pressure distribution characteristics of the structural surface are studied, and analyzed from several angles. Then the three-dimensional wind load spectrum of the structure is obtained, and then the equivalent wind load value and the gauge value of the structure under the experiment are compared, and the wind-induced response of the structure is further studied.

It can be seen from the analysis results that the average wind pressure coefficient of the structural surface is related to many factors. The variation coefficient of the pulsating wind pressure between the different points of the structural surface is larger than that of the vertical wind The results show that the equivalent static wind load is in agreement with the standard value. The wind response is related to the wind direction angle and the correlation coefficient.

In this paper, the wind pressure tunnel experiment is a general method, and the relevant conclusions have some reference value.

Key Words: High-rise structure; Wind pressure distribution; Wind tunnel experiment; Equivalent wind load; Structural response

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.1.1 高耸结构简介 1

1.2 风及风对结构的作用 1

1.2.1风 1

1.2.2 风对结构的作用 2

1.3 建筑结构风洞实验的研究现状 2

1.4本文研究的目的及意义 3

1.5本文研究的主要内容 3

第2章 风洞实验数据分析原理 5

2.1测压实验及数据处理 5

2.2风荷载和风致响应计算 5

第3章 高耸结构的表面风压分布特性 7

3.1引言 7

3.2风洞实验概况 7

3.2.1工程背景 7

3.2.2风洞实验简介 7

3.3风压系数 10

3.3.1不同风向角下同一测点层测点的风压系数分布 10

3.3.2同一风向角下不同高度测点的风压系数分布 11

3.4表面脉动风压相关性 12

3.4.1横向相关性 13

3.4.2纵向相关性 14

3.5体形系数分析 15

3.6小结 15

第4章 高耸结构等效静力风荷载及风致响应研究 17

4.1引言 17

4.2三维风荷载功率谱 17

4.3等效静力风荷载研究 18

4.4风致响应研究 19

4.4.1加速度响应分析 19

4.4.2位移响应分析 21

4.5小结 22

第5章 结论与展望 23

5.1结论 23

5.2研究展望 23

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪 论

1.1 引言

1.1.1 高耸结构简介

高耸结构相比于一般的建筑结构是一种比较特殊的结构形式，其通常满足高、细、柔等特点。结构主体高度可过百米，而长细比在几十至上百之间。与高层建筑结构相比较，高耸结构往往不以居住为目的，而是主要用于娱乐休闲、观光旅游或其他比较专业的方面。高耸结构主要被用于输电高塔、电视塔、导航塔、通信塔、大气监测塔和石油化工塔等领域，在生活和生产中发挥着不可替代的作用。

在古代，高耸结构的早期代表主要是宗教塔。中国历代都建有各式各样的塔楼，其中如今尚存的且具有代表性的古塔有河南登封的嵩岳寺砖塔，山西应县的佛宫释迦木塔和湖北荆州的玉泉寺铁塔等。近代最具代表性的高耸结构是位于法国巴黎的高三百二十米的埃菲尔铁塔。与此同时，随着通讯、广播的电视等行业的迅速发展，考虑到功能需求，高耸结构慢慢成为电视塔和无线电塔的最佳选择。除此之外，又因为高耸结构工期短、占地面积小、外形丰富等优点，高耸结构已经越来越被人们重视。

高耸结构的截面形式一般都是均匀对称的且大多是采用双轴对称形式。随着社会的进步，人们对于高耸结构的设计要求不再仅限于安全性和经济性方面，对于艺术性方面的要求也越来越受到人们的关注。因此，现在高耸结构在设计的时候除了要满足安全和经济，还要考虑到其外形的美观和新颖，于是许多结构外形比较奇特的高耸结构也慢慢地出现在人们的眼前。例如，广州电视塔，河南电视塔等标志性建筑。这些建筑凭借其高度高、外形复杂新颖的特点，纷纷成为了城市亮丽的一道风景线。而高耸结构的这一发展趋势会造成风荷载对该类建筑的作用也越来越明显，而使得现代设计人员在这方面的要求也越来越高。

1.2 风及风对结构的作用

1.2.1风

风是由空气相对于地面运动而形成的。地球获取能量的主要源泉是太阳辐射，而由于不同地理位置的纬度、海拔高度、地面环境等因素的不同，使得地球表面受到的辐射能也是不均匀的，这就使得地面的加热不均匀，从而产生了温度差和压力差。而同一高度处两点间的压力差就是造成空气运动的原因，这也就形成了风。根据已有的许多对于风的现实观测资料能够得出，在风的时程曲线当中，瞬时风速包含长周期部分和短周期部分。长周期部分通常大于十分钟，称为平均风；短周期部分常在几秒钟，称为脉动风。对于平均风而言，它对建筑物的作用力的方向和其他物理量都可近似看成不随时间变化的量，又考虑到一般结构的自振周期要比其长周期小得多，故将这部分作用当成静力作用。对于脉动风而言，其周期一般只有十几秒。其随时间是随机变化的量，且脉动风自身的频率也与结构自身的频率相接近，因此脉动风被当成动荷载。实际工程中，风对结构的作用可视为两者的共同作用^[3]。

1.2.2 风对结构的作用

对于高耸结构来说在任意高度处受到风力的作用都不是单一的，通常是将风速转变为风压来进行计算，以便更加直观的反映风力的作用结果。在通过相关的数学计算，可以得到三种不同的力的作用，即顺风向力、横风向力以及扭转向作用力。其次由此引起的结构风效应同样有多种类型：（1）顺风向效应是由前面说明的平均风和脉动风引起的，一部分是可当成静力作用，另一部分作为动力看待，这些都是比较主要的方面；（2）横风向振动是由结构背风面的漩涡脱落引起的，对于高耸结构、高层建筑等这一类细长结构，这种类型的振动要特别关注；（3）风经过主建筑旁边的建筑时会产生尾流，而这部分尾流又会对主建筑物造成影响，从而导致振动；（4）由于结构的截面形式或风向的不同，会产生负阻尼，即会助长振动的产生，而引起失稳。