摘 要

超高层建筑结构在风荷载作用下的响应是非常复杂的，单其横向风荷载和作用响应就和许多因素有关，最为主要的有尾流、絮流、气动反馈等几个方面的激励作用有关。就其相关研究方向早就已受到各国研究人员的深刻重视，也对这方面的问题进行了长达几十年的相关研究工作，但是仍没有获得较为突破性的进展，与之相关的分析理论和研究方法也没有被广泛的接纳采用，至今许多国家的相关设计规范中也没有很好的相关规定。国内以及国外对超高层建筑结构的横向抗风问题研究主要是集中以下几个方向，横向阻尼系数、横向祺动力以及横向风力等效荷载、风洞试验和数据分析技术等方面。本文基于广州珠江新城J2-2项目风洞试验研究，主要分析了横向风荷载随风向的变化关系，同步测量模型表面风压和顶部位移，识别了该建筑结构的气动弹性参数，在这方面的基础上结合刚性模型荷载谱计算和分析考虑结构阻尼比和气动刚度对建筑结构的风致位移响应、风致加速度响应以及等效静力风荷载的影响，得出相关结论。根据风洞试验结果分析了建筑结构的风压随风向角的变化关系，风压随建筑高度的关系，以及各参数对结构风致响应的影响 得出相关结论。

关键词：超高层建筑；风洞试验；风效应；风振效应

Abstract

The response of the tall building structure under wind load is very complex, its lateral wind load and response alone, and many factors, the most main wake flow, pneumatic feedback, there are several aspects of the incentive effect. With respect to its research direction have profound attention by researchers from all over the world, also for this problem for decades of related research work, but there is still no get more breakthroughs, the analysis of the related theory and research method has not been widely accepted, since many countries related design specification is not very good. Domestic and foreign research on lateral wind resistance of tall building structures is mainly focus on the following several direction and transverse damping coefficient, transverse kei power and equivalent lateral wind load, wind tunnel test and data analysis technology, etc. This article is based on guangzhou pearl river new town J2-2 wind tunnel test research projects, mainly analyzes the horizontal wind load and the changes of wind direction surface wind pressure and the displacement of the top of the synchronous measurement model, identification of the pneumatic elastic parameters of the structure, on the basis of the calculation and analysis of rigid model combined with the load spectrum considering structural damping ratio and pneumatic stiffness on the wind-induced displacement response of structures, wind-induced acceleration response and equivalent static wind load, the influence of the relevant conclusions. Building structure are analyzed based on the wind tunnel test results of the relationship between varying with wind directions of wind pressure, wind pressure varies with the relationship between the building height, and the influence of various parameters on the wind-induced response of the relevant conclusions.

Key words: super high-rise building； wind Tunnel Test； wind effect； wind vibration effect

目 录

绪论 3

第1章 超高层结构风效应的研究 4

1.1研究背景及目的 4

1.2研究现状 4

1.3研究方法 5

第2章 风洞试验简介 6

2.1风洞试验的概念 6

2.2大气边界层的概念 7

2.3大气边界层的风特性 7

2.4大气边界层模拟方法研究 7

第3章 超高层建筑表面风压分布的风洞试验研究 9

3.1 工程基本概况 9

3.2 风洞试验设备 9

3.2.1 风洞设备 9

3.2.2 测量及数据采集系统 9

3.3 风洞试验内容 10

3.3.1 大气边界层的模拟与测量 10

3.3.2 实验模型和测点布置 11

3.3.3 风压试验 11

第4章 风洞试验结果分析 13

4.1结构表面风压分析 13

4.1.1 结构表面所受风荷载分析原理 15

4.1.2 风压随各风向的变化关系分析 15

4.1.3 风压随结构高度变化关系分析 16

4.2风致响应分析 16

4.2.1 风振响应分析原理 16

4.2.2 风振响应随风向变化关系分析 16

4.2.3 各参数对结构风振响应的影响分析 17

结论 19

参考文献 21

致谢 22

绪论

随着中国经济的飞速发展，越来越多的高层建筑拔地而起，我国的高层及超高层建筑已经居于世界前列，对于高层建筑结构的安全研究越来越重要。高层建筑结构高度不断增加，对建筑结构的重量和柔度也提出了新的要求，更轻质高强低阻尼的结构开始迅猛发展。但是随着结构相关参数的改变，使得高层结构对风荷载变得更加敏感，风荷载对高层结构产生的影响和危害也越来越大。风荷载也成为高层建筑的安全性、舒适性、经济性的重要控制性因素。国内外的资料表明，风产生的灾害损失是最严重的自然灾害之一，且随着高层建筑的继续发展，风灾的危害也会越来越大，所以展开高层建筑结构的风洞试验是非常有必要的，也具有非常的现实工程意义。风荷载产生的危害非常巨大，在2003年有记录的风暴灾害实例就有300多次，总共造成一千五百多人死亡，并且造成高达200多亿美金的经济损失，这种灾害造成的经济损失占到全球自然灾害经济损失的39%。之后次年的“珍妮”飓风席卷了北美，直接导致超过两千人的死亡和超过数百亿美金的直接经济损失。风灾不仅在国外造成重大的人员伤亡和经济损失，也对我国影响巨大，2005年我国就因为风灾损失了几百亿人民币，并且导致了数百人的人员伤亡。高层建筑结构的抗风设计重要性不言而喻，而风洞试验是研究建筑风振效应的重要方法。

第1章 超高层结构风效应的研究

1.1研究背景及目的

随着高层建筑及超高层建筑结构的迅猛发展，风灾产生的危害已经成为各种自然灾害之首，在2003年有记录的风暴灾害实例就有300多次，总共造成一千五百多人死亡，并且造成高达200多亿美金的经济损失，这种灾害造成的经济损失占到全球自然灾害经济损失的39%。之后次年的“珍妮”飓风席卷了北美，直接导致超过两千人的死亡和超过数百亿美金的直接经济损失。风灾不仅在国外造成重大的人员伤亡和经济损失，也对我国影响巨大，2005年我国就因为风灾损失了几百亿人民币，并且导致了数百人的人员伤亡。

随着科学技术的不断发展，建造技术的不断完善和改进，越来越多的高层建筑出现在现代城市中，在我国改革开放这几十年以来。仅在上海陆家嘴这一块地区，就有4栋超过400米的超高建筑，200米以上的建筑就有十多栋，中国在建的及已经完工的大跨度桥梁结构居世界前列。斜拉桥跨度也早已超过一千多米，大跨度桥梁建造技术愈发成熟，但是随之而来的是这种大跨结构在风荷载的作用下安全性极大降低。不仅如此，国外的发达国家还提出了空中城市的建筑概念，这种空中城市高度在千米以上，所以风荷载成为这种空中城市结构的最重要控制参数。造成这种情况的原因一方面是由于科学技术的发展，建造技术也有了较大的发展进步。几十年前，世界第一高楼还是只有443米的芝加哥西尔斯大厦，但是现在世界第一在运行高楼哈利法塔已经达到828米，并且这一记录即将被打破，在建中的王国大厦高度已经超过一千米，高楼向天空发展的趋势越来越明显。但是随着结构相关参数的改变，使得高层结构对风荷载变得更加敏感，风荷载对高层结构产生的影响和危害也越来越大。

1.2研究现状

国内外对高层建筑在不同风场下的响应进行了很多相关研究，通过进行风洞试验，顾明等对不同外形构造的建筑结构进行研究，并且模拟B,D两种风场，进而研究两种风场下不同的建筑结构其风振响应的幅值特性，基于这一实验研究，其提出了具有实际工程意义的研究结论。谢壮宁进行了复杂截面尾流干扰试验，来分析其尾流受到下部结构干扰的风压分布，其试验结果表明施扰物体可以降低尾流的分离速度，从而降低负压系数。测量风特性参数是研究风荷载影响的重要部分，但是进行超高建筑结构的风振实测也是非常重要的。基于实测结果，Jeary进行了结构阻尼比的非线性研究，在此基础上提出了非常有名的三线型阻尼模型。进行现场实测的还有英国的Ellis，通过测量多栋英国高层建筑，他进行了高层建筑的动力特性分析。在芝加哥，Kare和Ki以四栋高层建筑为基础，进行了结构风振响应的相关研究。 Tamu对日本建筑的原型实测，进行了结构自振周期和阻尼特性的研究。进行结构风振试验的方式主要有三种，但是现在应用最广泛和成熟就是风洞试验。风洞试验的原理就是用人工的风洞流场来模拟天然风场，然后进行缩尺模型的实测研究。这种试验方法可以全面方便的研究不同风场对结构的各种影响，能进行可靠度极高的安全性评估试验，对实际建设工程提供可信的数据依据。所以，风洞试验成为目前研究结构的风致振动和响应的最主要的研究手段。

1.3研究方法

结构抗风性能研究的主要方法有风洞试验、CFD数值模拟、理论分析和现场实测四种。早期所开展的风洞试验并没有在试验室内模拟自然界真实的风场，然而进入 20 世纪上半叶，人们逐渐认识到大气边界层风场的模拟对结构风荷载评估具有决定性的影响，并对边界层风场的模拟及结构风荷载测量开展了深入细致的研究。不仅如此，国外的发达国家还提出了空中城市的建筑概念，这种空中城市高度在千米以上，所以风荷载成为这种空中城市结构的最重要控制参数。目前世界上的超高层建筑正在以史无前例的速度向前发展，其建筑高度不断被新的记录所打破，造成这种情况的原因一方面是由于科学技术的发展，建造技术也有了较大的发展进步，另一方面，由于土地资源的日益稀缺，不断逼迫着人类向更高的空中发展。几十年前，世界第一高楼还是只有443米的芝加哥西尔斯大厦，但是现在世界第一在运行高楼哈利法塔已经达到828米，并且这一记录即将被打破，在建中的王国大厦高度已经超过一千米，高楼向天空发展的趋势越来越明显。高层建筑结构高度不断增加，对建筑结构的重量和柔度也提出了新的要求，更轻质高强低阻尼的结构开始迅猛发展。刚性模型测压试验是建立实际结构以一定的比例缩小的测压模型，进行风洞测压试验。刚性模型测压试验是在结构表面同时测试所有的测试点的方法。这种方法考虑了多模态对结构动力响应的作用，因为结构表面所有的测试点都需要被测试，因此需要较好的仪器来进行试验。

第2章 风洞试验简介

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