建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載技術(shù)T

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(lèi)。一類(lèi)是試驗(yàn)段長(zhǎng)度達(dá)20m~30m的邊界層風(fēng)洞，亦稱(chēng)為長(zhǎng)風(fēng)洞；另一類(lèi)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(jiǎn)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(lèi)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(wú)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(guó)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(lèi)大氣邊界層湍流度剖面

C））試驗(yàn)結(jié)果果1)風(fēng)風(fēng)壓系數(shù)數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)就是在在利用在在風(fēng)洞與與結(jié)構(gòu)實(shí)實(shí)物的無(wú)無(wú)量綱數(shù)數(shù)如風(fēng)壓壓系數(shù)相相似來(lái)確確定實(shí)物物的風(fēng)壓壓值。模模型試驗(yàn)驗(yàn)中各測(cè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓壓系數(shù)的的計(jì)算方方法系按按目前國(guó)國(guó)內(nèi)外風(fēng)風(fēng)工程慣慣用的方方法。風(fēng)壓系數(shù)數(shù)計(jì)算公公式：式中：是是建筑筑物表面面某測(cè)點(diǎn)點(diǎn)i的風(fēng)壓系系數(shù)；是測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓值值；參考點(diǎn)靜靜壓力值值；是參考點(diǎn)點(diǎn)的風(fēng)速速。（1.3）2）體型型系數(shù)與與風(fēng)壓系系數(shù)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換根據(jù)《建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)荷載規(guī)規(guī)范》（（GBJ5009-2001））的規(guī)定，，在不考考慮陣風(fēng)風(fēng)脈動(dòng)和和風(fēng)振效效應(yīng)時(shí)，，作用在在建筑物物表面某某一點(diǎn)““i”的風(fēng)壓計(jì)計(jì)算公式式為：式中為為標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)地貌的的基本風(fēng)風(fēng)壓；為為i點(diǎn)的風(fēng)載載體型系系數(shù)；為為i點(diǎn)的風(fēng)壓壓高度變變化系數(shù)數(shù)。（1.4）而由風(fēng)洞洞試驗(yàn)得得出的風(fēng)風(fēng)壓計(jì)算算公式為為：參考點(diǎn)處處的的風(fēng)壓壓高度變變化系數(shù)數(shù)，，因此此有，代入有有：對(duì)比式（（1.4）與式式（1.6）便便可得體體型系數(shù)數(shù)與風(fēng)壓壓系數(shù)的的轉(zhuǎn)換公公式：（1.5）（1.6）（1.7）3)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)風(fēng)洞洞試驗(yàn)，，可得以以下有關(guān)關(guān)風(fēng)荷載載參數(shù)：：1.各測(cè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)風(fēng)壓系數(shù)數(shù)、風(fēng)壓壓以及體體型系數(shù)數(shù)；2.局部部體型系系數(shù)和整整體體型型系數(shù)；；3.結(jié)構(gòu)構(gòu)最不利利受風(fēng)的的位置；；4.受風(fēng)風(fēng)最不利利的風(fēng)向向角；5.各測(cè)測(cè)點(diǎn)的脈脈動(dòng)風(fēng)壓壓；1.2大大跨度度屋蓋結(jié)結(jié)構(gòu)的風(fēng)風(fēng)荷載隨著科學(xué)學(xué)技術(shù)的的發(fā)展和和建筑技技術(shù)的進(jìn)進(jìn)步，大大跨屋蓋蓋結(jié)構(gòu)越越來(lái)越廣廣泛地被被應(yīng)用于于航站樓樓、大劇劇院以及及足球運(yùn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等等大型公公共建筑筑中。這這些建筑筑通常采采用自重重小、柔柔度大的的全鋼結(jié)結(jié)構(gòu)作為為屋蓋的的支撐體體系，致致使風(fēng)荷荷載成為為其主要要的控制制荷載，，大跨結(jié)結(jié)構(gòu)的屋屋面遭強(qiáng)強(qiáng)風(fēng)破壞壞的例子子時(shí)有報(bào)報(bào)道。1.2.1平屋面的的風(fēng)壓平屋面作作為屋蓋蓋結(jié)構(gòu)最最基本的的形式，，其風(fēng)壓壓分布可可以作為為一般大大跨結(jié)構(gòu)構(gòu)的參考考。當(dāng)風(fēng)風(fēng)遇到平平屋面尖尖銳的屋屋面棱角角時(shí)，會(huì)會(huì)形成流流動(dòng)分離離，然后后在分離離層形成成離散的的旋渦，，脫落于于屋面下下方的尾尾流中。。當(dāng)風(fēng)向向同分離離線垂直直時(shí)，會(huì)會(huì)沿著分分離線形形成一個(gè)個(gè)柱狀渦渦；當(dāng)風(fēng)風(fēng)向與分分離線傾傾斜時(shí)，，會(huì)形成成兩個(gè)錐錐形渦。。圖1.5柱狀狀渦示意意圖圖1.6錐形形渦示意意圖圖1.7平屋屋面在柱柱狀渦作作用下的的風(fēng)壓系系數(shù)分布布圖1.8平屋屋面在錐錐狀渦作作用下的的風(fēng)壓系系數(shù)分布布平屋面的的風(fēng)壓分分布特點(diǎn)點(diǎn)為：1.在迎迎風(fēng)邊緣緣由于受受柱狀渦渦或錐形形渦作用用而產(chǎn)生生極大的負(fù)風(fēng)風(fēng)壓；2.在其其他區(qū)域域由于尾尾流作用用風(fēng)壓較較小。因此在平平屋面的的設(shè)計(jì)中中，尤其其要注意意由柱狀狀渦和錐錐形渦產(chǎn)產(chǎn)生的極極大負(fù)壓壓區(qū)，一一般屋面面板及其其同主體體連接件件的破壞壞均發(fā)生生于此。。1.2.2復(fù)雜屋面面的風(fēng)壓壓某航站樓樓，縱向向長(zhǎng)約190m，進(jìn)深約120m，高約32m。航站樓為為左右對(duì)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)構(gòu)，陸側(cè)側(cè)面為雙雙層式立立交橋通通道，空空側(cè)有兩兩個(gè)橢圓圓形的登登機(jī)指廊廊。航站站樓屋面面連綿起起伏，變變化不一一。對(duì)于大跨跨結(jié)構(gòu)，，復(fù)雜的的屋面形形狀對(duì)屋屋面的風(fēng)風(fēng)壓分布布的影響響很大，，現(xiàn)以某某航站樓樓為例。。圖1.9某某航航站樓模模型圖1.10航航站樓屋屋面高度度示意圖圖（m）注：圖中中上三角角表高度度極大值值，下三三角表極極小值0°圖1.11航航站樓上上表面在在0o風(fēng)向的的風(fēng)壓系系數(shù)分布布圖1.12航航站樓上上表面在在45o風(fēng)向的的風(fēng)壓系系數(shù)分布布45°可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)以下分分布特點(diǎn)點(diǎn)：在0o風(fēng)向，，較大負(fù)負(fù)壓等壓壓線的形形狀與屋屋面輪廓廓線的形形狀相似似，尤其其在輪廓廓線的兩兩個(gè)缺口口處風(fēng)壓壓等壓線線的形狀狀基本上上等同于于缺口形形狀。在45o風(fēng)向，兩個(gè)錐形形渦基本上上形成。在尾流區(qū)，，凸出的屋屋面（風(fēng)滑過(guò)））呈現(xiàn)局部部負(fù)風(fēng)壓的最大值，凹進(jìn)進(jìn)的屋面呈現(xiàn)局部負(fù)風(fēng)壓的最小值。風(fēng)洞試驗(yàn)可可以準(zhǔn)確反反應(yīng)復(fù)雜屋屋面的風(fēng)荷荷載分布，，因此對(duì)于于重要的建建筑物宜采采用風(fēng)洞試試驗(yàn)確定風(fēng)風(fēng)荷載。1.2.3四周敞敞開(kāi)的體育育場(chǎng)屋面體育場(chǎng)挑篷篷為敞開(kāi)結(jié)結(jié)構(gòu)，上下下表面均受受風(fēng)作用，，因此采用用風(fēng)壓合力力來(lái)表示挑挑篷結(jié)構(gòu)所所受的總風(fēng)風(fēng)載：Cpu(t)，Cpd(t)分別對(duì)應(yīng)測(cè)測(cè)點(diǎn)上、下下表面的風(fēng)風(fēng)壓系數(shù)時(shí)時(shí)程。（1.8））合成風(fēng)壓系系數(shù)時(shí)程的的統(tǒng)計(jì)值計(jì)計(jì)算：風(fēng)對(duì)挑篷的的整體作用用主要是向向上的升力力作用，引引入總體升力力系數(shù)CF概念：A為挑篷的整整體面積，，α為測(cè)點(diǎn)表面面的法線方方向。（1.9））（1.10）（1.11）某體育場(chǎng)實(shí)實(shí)例：某體育場(chǎng)東東西看臺(tái)等等高，兩側(cè)側(cè)罩棚對(duì)稱(chēng)稱(chēng)布置，看看臺(tái)和罩棚棚均采用由由東西中軸軸線向南北北兩側(cè)跌落落的方式。。東西向長(zhǎng)長(zhǎng)約200m，南北向長(zhǎng)約約220m，建筑面積17910m2，可容納觀眾眾20000人。挑篷采用輕輕鋼結(jié)構(gòu)，，支撐于鋼鋼筋混凝土土立柱上挑挑篷各處沿沿軸線方向向均有10o朝外的排排水坡度，，挑篷的最最高處為26.8m。在距體育場(chǎng)場(chǎng)邊緣約50m處，有一座座小山包，，其最高處處約為50m。圖1.13溫溫嶺市體育場(chǎng)風(fēng)洞洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ托蛨D1.14西看臺(tái)剖面面簡(jiǎn)圖圖1.15體育場(chǎng)場(chǎng)風(fēng)向角及及干擾體示示意圖A）單體建筑的的風(fēng)壓和升升力（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)向向角下挑篷篷：1.上表面面呈現(xiàn)很大大的負(fù)壓，，并由迎風(fēng)風(fēng)方向向背背風(fēng)方向遞遞減，是由由于沿挑篷篷的迎風(fēng)跡跡線產(chǎn)生氣氣流分離所所致。2.下表面面可以觀察察到明顯的的兜風(fēng)效應(yīng)應(yīng)，主要是是看臺(tái)與挑挑篷形成相相對(duì)較封閉閉的空間，，使氣流受受阻，形成成正壓。3.風(fēng)壓合合力的大小小與上表面面接近，僅僅比上表面面略大，而而分布模式式也幾乎相相同。圖1.17各風(fēng)向向角下R挑篷的升力力系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：：1.上表面面的升力系系數(shù)全為負(fù)負(fù)值，風(fēng)向向角在0oo和180o時(shí)升力力達(dá)到最小小值。2.下表面面的升力系系數(shù)有正有有負(fù)。風(fēng)向向在0o與與180oo之間為正正，在180o與360o之之間為負(fù)。。3.風(fēng)壓合合力，整體體表現(xiàn)為向向上的升力力作用。在在0o與180o之之間，“上上吸下頂””，為大大的升力系系數(shù)。在180o和和360oo之間，上上下表面風(fēng)風(fēng)壓抵消，，升力系數(shù)數(shù)較小。4.所有的的風(fēng)向角下下，上表面面的升力系系數(shù)比下表表面大出許許多，風(fēng)壓壓合力主要要是由上表表面的風(fēng)壓壓控制。.B）考慮山體的的干擾作用用圖1.18有、無(wú)干擾擾下R挑篷上下表表面的升力力系數(shù)圖1.19有、無(wú)干擾擾下R挑篷風(fēng)壓合合力的升力力系數(shù)定義風(fēng)向角角：0o－105o之間，，干擾體位位于R挑篷的下方方，稱(chēng)為下下游位置；；120o－－195oo之間，干干擾體位于于R挑篷的右側(cè)側(cè)，風(fēng)從兩兩者中間穿穿過(guò)，稱(chēng)為為平行位置置；210o－－360oo之間，干干擾體位于于R挑篷的上方方，稱(chēng)為上上游位置。。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(wú)干擾擾體時(shí)升力力系數(shù)之比比表1.1R挑篷的升力力系數(shù)隨干干擾體位置置的變化結(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(jiǎn)單單干擾情況況可參考過(guò)過(guò)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(lái)確確定。1.2.4已完成的大大跨結(jié)構(gòu)的的風(fēng)洞試驗(yàn)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(guó)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上上海明珠會(huì)會(huì)議展覽中中心風(fēng)洞試試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.31紹興興藝術(shù)中心心風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.32杭杭州大劇院院風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.33西西湖文化廣廣場(chǎng)風(fēng)洞試試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D1.34杭杭州客運(yùn)中中心站風(fēng)洞洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ托?.3雙雙塔樓高層層建筑的風(fēng)風(fēng)荷載雙塔樓高層層建筑由于于具有優(yōu)美美的建筑造造型和較高高的土地使使用率，是是一種較常常見(jiàn)的高層層建筑形式式。由于雙雙塔之間風(fēng)風(fēng)通道變窄窄而產(chǎn)生的的狹縫效應(yīng)應(yīng)以及兩個(gè)個(gè)塔樓的相相互氣動(dòng)干干擾，致使使該類(lèi)建筑筑的風(fēng)荷載載變得非常常復(fù)雜?，F(xiàn)在常用的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)軟件如PKPM、SATWE等，結(jié)構(gòu)的的風(fēng)荷載主主要是通過(guò)過(guò)基本風(fēng)壓壓和一個(gè)整整體的體型型系數(shù)來(lái)干干預(yù)，但是是不能在同同一結(jié)構(gòu)層層上分面或或者分區(qū)域域輸入體型型系數(shù)。雙塔樓建筑筑的風(fēng)洞試試驗(yàn)可以給給出各個(gè)風(fēng)風(fēng)向下雙塔塔樓的風(fēng)壓壓分布，但但是由于各各個(gè)測(cè)點(diǎn)是是分散的，，難于直接接把風(fēng)洞試試驗(yàn)的結(jié)果果輸入到設(shè)設(shè)計(jì)軟件中中。高層建筑結(jié)結(jié)構(gòu)，一般般由兩向正正交的柱網(wǎng)網(wǎng)構(gòu)成，通通常把水平平荷載在這這兩個(gè)方向向上進(jìn)行分分解，以便便于內(nèi)力計(jì)計(jì)算。對(duì)于于風(fēng)荷載，，迎風(fēng)面和和背風(fēng)面的的合力為為式中、、為為迎風(fēng)面面和背風(fēng)面面的體型系系數(shù)，為為迎風(fēng)方方向上的整整體體型系系數(shù)，為為風(fēng)壓高高度系數(shù)，，為基基本風(fēng)壓。。（1.12）工程設(shè)計(jì)軟軟件中如PKPM、SATWE等，采用的的體型系數(shù)數(shù)就是上式式定義的整整體體型系系數(shù)。。實(shí)際上風(fēng)荷荷載合力相相當(dāng)于順風(fēng)風(fēng)方向上的的風(fēng)載合力力，即考慮慮在同一高高度截面上上布置的所所有測(cè)點(diǎn)，，其所測(cè)得得的風(fēng)壓按按面積積分分并沿縱向向和橫向分分解，求得得這兩個(gè)方方向上的合合力如果在在風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)中求出某某個(gè)方向的的合力，反反過(guò)來(lái)就可可以推算出出該方向上上的整體體體型系數(shù)。。根據(jù)風(fēng)洞試試驗(yàn)原理，，可得某測(cè)測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓計(jì)算算公式為式中為為風(fēng)洞試試驗(yàn)所得的的i點(diǎn)的風(fēng)壓系系數(shù)，為為參考點(diǎn)點(diǎn)風(fēng)壓，為為試驗(yàn)驗(yàn)參考點(diǎn)高高度所對(duì)應(yīng)應(yīng)風(fēng)壓高度度系數(shù)。（1.13）對(duì)于某個(gè)z高度的塔樓樓截面，沿沿外輪廓布布置n個(gè)測(cè)點(diǎn)，則則單位高度度上沿縱向向和橫向的的合力為式中，，分分別為塔樓樓建筑縱向向和橫向的的風(fēng)荷載合合力，為為測(cè)點(diǎn)的法法向與縱向向的夾角，，為測(cè)測(cè)點(diǎn)i控制的水平平方向上的的長(zhǎng)度。（1.14）（1.15）式中、、分分別為縱向向和橫向的的整體體型型系數(shù)，、、分分別為縱向向和橫向的的參考長(zhǎng)度度，可取塔塔樓建筑在在縱向和橫橫向上的迎迎風(fēng)面寬度度。（1.16）（1.17）對(duì)稱(chēng)雙塔樓樓建筑的實(shí)實(shí)例某對(duì)稱(chēng)雙塔塔樓為28層建筑，，總高度為為113.4m，結(jié)構(gòu)層最高高處為99.9m。由于該雙塔塔樓建筑的的對(duì)稱(chēng)性，，取其中的的一個(gè)塔樓樓布置測(cè)點(diǎn)點(diǎn)，分別在在23m、43m、63m、80m、95m高度處布置置相同的測(cè)測(cè)點(diǎn)，圖1.35雙雙塔樓立面面示意圖圖1.36雙塔樓樓測(cè)點(diǎn)及風(fēng)風(fēng)向角示意意圖風(fēng)壓合力的的計(jì)算圖1.37縱向合力Fa沿風(fēng)向角分分布圖1.38橫向合力Fc沿風(fēng)向角分分布結(jié)論：縱向合力，，關(guān)于90°和270°風(fēng)向向?qū)ΨQ(chēng)，橫橫向合力關(guān)關(guān)于0°和和180°°風(fēng)向角對(duì)對(duì)稱(chēng)。縱向和橫向向合力，各各高度截面面上的風(fēng)壓壓合力值相相差不大。。縱向合力，，最大值不不是出現(xiàn)在在90°和和270°°風(fēng)向，而而是出現(xiàn)在在225°°和315°風(fēng)向，，說(shuō)明了雙雙塔結(jié)構(gòu)的的相互干擾擾作用。整體體型系系數(shù)的計(jì)算算圖1.39縱向體型系系數(shù)μsa沿風(fēng)向角分分布圖1.40橫向體型系系數(shù)μsc沿風(fēng)向角分分布圖1.41平均整體體體型系數(shù)沿沿風(fēng)向角分分布注：平均整整體體型系系數(shù)為沿高高度方向取取算術(shù)平均均。結(jié)論：縱向體型系系數(shù)的最大大值在225°和315°風(fēng)向，橫橫向體型系系數(shù)的最大大值在0°和180°風(fēng)向。規(guī)范給出的的矩形截面面高層建筑筑的整體體體型系數(shù)為為1.3。對(duì)照上圖圖，由風(fēng)洞洞試驗(yàn)結(jié)果果反算的平平均整體體體型系數(shù)較較規(guī)范數(shù)據(jù)據(jù)為小，主主要是由于于未考慮整整個(gè)受風(fēng)面面上風(fēng)壓分分布不均勻勻，同時(shí)規(guī)規(guī)范中的數(shù)數(shù)據(jù)一般均均有一定的的富余度。。由于高層結(jié)結(jié)構(gòu)上風(fēng)壓壓分布的不不平均，風(fēng)風(fēng)會(huì)對(duì)高層層結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作作用，扭矩矩：其中Di是扭力臂，，為測(cè)點(diǎn)到到扭心的距距離。扭矩的計(jì)算算（1.18）圖1.42扭矩T沿風(fēng)向角分分布結(jié)論：在90°和270°風(fēng)向，由由于對(duì)稱(chēng)性性，扭矩接接近于零，，同時(shí)關(guān)于于90°和270°風(fēng)向反對(duì)對(duì)稱(chēng)。在0°和180°風(fēng)向，扭扭矩達(dá)到最最大值。扭矩的處理理方法，在在設(shè)計(jì)中直直接考慮或或采用等效效扭矩荷載進(jìn)行處處理。已完成的雙雙塔樓風(fēng)洞洞試驗(yàn)：蕭山國(guó)際商商務(wù)中心、、舟山新露露亭花園、、合肥政務(wù)務(wù)中心等圖1.42蕭山國(guó)國(guó)際商務(wù)中中心立面圖圖圖1.43合肥政政務(wù)中心風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)ＤＰ蛨D1.44舟山新新露亭花園園立面圖二、計(jì)算機(jī)機(jī)分析技術(shù)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(xún)。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(méi)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。下面采采用差分法求求解。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(zhǎng)，、、、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]和之之后后，如已知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)刻的節(jié)點(diǎn)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)州州體體育育中中心心主主體體育育場(chǎng)場(chǎng)屋屋蓋蓋采采用用四四角角錐錐體體系系，，四四周周為為鋼鋼環(huán)環(huán)梁梁，，網(wǎng)網(wǎng)殼殼分分別別用用8根巨巨型型立立柱柱支支撐撐，，每每根根立立柱柱用用8條鋼鋼索索拉拉住住網(wǎng)網(wǎng)殼殼。。采用用ANSYS軟件件進(jìn)進(jìn)行行有有限限元元建建模模計(jì)計(jì)算算，，模模型型具具體體參參數(shù)數(shù)如如下下：：1.上上下下弦弦和和腹腹桿桿采采用用3-DSpar單元，，共共8611個(gè)單單元元；；2.鋼鋼環(huán)環(huán)梁梁采采用用3-DElasticBeam單元元，，共共218個(gè)單單元元；；3.拉拉索索采采用用Tension-onlySpar單元元，，共共64個(gè)單單元元。。共8893個(gè)單單元元，，節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)2522個(gè)，，基基頻頻率率為為1.88Hz。圖2.1臺(tái)臺(tái)州州體體育育中中心心主主體體育育場(chǎng)場(chǎng)的的建建筑筑模模型型圖2.2體體育育場(chǎng)場(chǎng)測(cè)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)布布置置和和風(fēng)風(fēng)向向角角示示意意圖圖圖2.3體育育場(chǎng)場(chǎng)的的有有限限元元模模型型0o風(fēng)風(fēng)向向下下的的結(jié)結(jié)論論：：計(jì)算算其其平平均均值值和和方方差差，，發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)屋屋蓋蓋外外側(cè)側(cè)的的位位移移值值不不大大，，屋屋蓋蓋內(nèi)內(nèi)側(cè)側(cè)位位移移值值達(dá)達(dá)到到最最大大，，響響應(yīng)應(yīng)的的均均方方根根與與平平均均值值的的分分布布很很相相近近，，可給出了了上弦節(jié)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)風(fēng)振系數(shù)數(shù)，設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)可偏偏安全地地取整體體位移風(fēng)風(fēng)振系數(shù)數(shù)為1.6。圖2.4屋蓋上弦弦節(jié)點(diǎn)豎豎直響應(yīng)應(yīng)的平均均值（厘厘米）圖2.5屋蓋上弦弦節(jié)點(diǎn)豎豎直響應(yīng)應(yīng)的均方方值（厘厘米）圖2.6屋蓋上弦弦節(jié)點(diǎn)的的風(fēng)振系系數(shù)已完成的的風(fēng)振系系數(shù)計(jì)算算有：臺(tái)州體育育中心主主體育場(chǎng)場(chǎng)、廣州州白云機(jī)機(jī)場(chǎng)機(jī)庫(kù)庫(kù)、廣州州會(huì)展中中心等圖2.7廣廣州新白白云機(jī)場(chǎng)場(chǎng)機(jī)庫(kù)風(fēng)風(fēng)向角示示意圖圖2.8機(jī)機(jī)庫(kù)ZONE12區(qū)鋼架的的有限元元模型注：節(jié)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)5285個(gè)個(gè)，單元元數(shù)15257個(gè)表2.1ZONE12區(qū)鋼架各各風(fēng)向角角下的風(fēng)風(fēng)振系數(shù)數(shù)值圖2.9ZONE31區(qū)鋼架的的有限元元模型表2.2ZONE31區(qū)鋼架各各風(fēng)向角角下的風(fēng)風(fēng)振系數(shù)數(shù)值圖2.10ZONE32區(qū)鋼架的的有限元元模型表2.3ZONE32區(qū)鋼架各各風(fēng)向角角下的風(fēng)風(fēng)振系數(shù)數(shù)值圖2.11廣廣州國(guó)國(guó)際會(huì)展展中心風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)照片圖2.12廣廣州州會(huì)展中中心風(fēng)洞洞試驗(yàn)風(fēng)風(fēng)向角示示意圖圖2.13展展覽廳廳屋蓋鋼鋼結(jié)構(gòu)有有限元模模型圖2.14展展覽覽廳屋蓋蓋分塊示示意圖表2.4展展覽廳廳第5塊塊屋架在在各個(gè)風(fēng)風(fēng)向角的的風(fēng)振系數(shù)數(shù)值表2.5展展覽覽廳在0o風(fēng)向向角下第第1～第第5塊屋屋架風(fēng)振系數(shù)數(shù)值圖2.15東東入口鋼鋼架的有有限元模模型圖2.16東東入口口鋼架風(fēng)風(fēng)振系數(shù)數(shù)分塊示示意圖通過(guò)分析析發(fā)現(xiàn)，，兩個(gè)相相鄰支撐撐之間的的風(fēng)振系系數(shù)值比比較接近近，故分分區(qū)給出出風(fēng)振系系數(shù)值。。表2.6東東入口口鋼架各各區(qū)的風(fēng)風(fēng)振系數(shù)數(shù)2.2頻頻域分分析法由于大跨跨網(wǎng)架屋屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)頻率密密集，阻阻尼較小小，結(jié)構(gòu)構(gòu)較柔，，對(duì)此類(lèi)結(jié)結(jié)構(gòu)的風(fēng)風(fēng)振響應(yīng)應(yīng)計(jì)算必必須考慮慮高階振振型的影影響，但但是如果采用用常規(guī)的的模態(tài)疊疊加法進(jìn)進(jìn)行計(jì)算算，很難難確定到到底該取取多少階階模態(tài)才才能得到到比較滿(mǎn)滿(mǎn)意的結(jié)結(jié)果。因此通過(guò)過(guò)背景模模態(tài)法從從能量角角度整體考慮慮結(jié)構(gòu)的的振動(dòng)特特性從而而反映結(jié)結(jié)構(gòu)的高高階模態(tài)態(tài)對(duì)振動(dòng)動(dòng)的貢獻(xiàn)獻(xiàn)2.2.1基基本理論論風(fēng)致動(dòng)力力位移響響應(yīng)的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差差可以表表示成：：其中，和和分分別為結(jié)結(jié)構(gòu)i節(jié)點(diǎn)背景景響應(yīng)和和共振響響應(yīng)的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差差。為為節(jié)點(diǎn)i上考慮風(fēng)壓壓脈動(dòng)和和空間相相關(guān)性的的風(fēng)振動(dòng)動(dòng)力系數(shù)數(shù)：(2.9)(2.10)結(jié)構(gòu)的脈脈動(dòng)響應(yīng)應(yīng)：擬靜力風(fēng)風(fēng)荷載作作用下，，網(wǎng)架結(jié)結(jié)構(gòu)的平平衡方程程為：為擬靜力力風(fēng)荷載載向量為對(duì)角陣陣，為為其元素素，為為負(fù)荷荷面積，，為為體體型系數(shù)數(shù)，為為風(fēng)高系系數(shù)，為為空氣氣密度，，為為基本本風(fēng)速。。為為擬靜靜力隨機(jī)機(jī)風(fēng)速向向量。(2.11)(2.12)(2.13)經(jīng)過(guò)整理理計(jì)算可可得：為表面阻阻力系數(shù)數(shù)。兩邊轉(zhuǎn)置置相乘再再取期望望值，得得位移協(xié)協(xié)方差矩矩陣：相對(duì)應(yīng)該該模態(tài)的的的圓頻頻率為：：(2.14)(2.15)(2.16)(2.17)2.2.2頻頻域法的的計(jì)算實(shí)實(shí)例圖2.17臺(tái)臺(tái)州體育場(chǎng)的的有限元元模型和和分塊示示意圖表2.7體體育場(chǎng)屋屋蓋的背背景模態(tài)態(tài)頻率表2.8270°°豎向分分塊位移移風(fēng)振系系數(shù)及與與時(shí)程法法比較結(jié)論：模態(tài)分析析法根據(jù)據(jù)模態(tài)對(duì)對(duì)系統(tǒng)應(yīng)應(yīng)變能的的貢獻(xiàn)，，取背景景位移響響應(yīng)作為為脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)下結(jié)構(gòu)構(gòu)的綜合合貢獻(xiàn)模模態(tài),可可以考慮慮到高階階模態(tài)的的影響，，彌補(bǔ)了了通常使使用的模模態(tài)疊加加法不知知道如何何選取幾幾階模態(tài)態(tài)進(jìn)行的的疊加的的不足。。計(jì)算方便便，計(jì)算算結(jié)果基基本能反反映出結(jié)結(jié)構(gòu)的風(fēng)風(fēng)振特性性，但是是不能考考慮非線線性的影影響。三、計(jì)算算風(fēng)工程程技術(shù)計(jì)算風(fēng)工工程（ComputingWindEngineering）簡(jiǎn)稱(chēng)CWE，，其核心內(nèi)內(nèi)容是計(jì)計(jì)算流體體動(dòng)力學(xué)學(xué)（ComputationalFluidDynamics）,簡(jiǎn)稱(chēng)CFD。。計(jì)算風(fēng)工工程（數(shù)數(shù)值風(fēng)洞洞），相相對(duì)于風(fēng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：可以按照照實(shí)尺模模型計(jì)算算，避免免了風(fēng)洞洞實(shí)驗(yàn)只只能進(jìn)行行縮尺實(shí)實(shí)驗(yàn)的不不足；成本低，，速度快快；資料完備備；計(jì)算風(fēng)工工程在城城市和土土木工程程領(lǐng)域是是發(fā)展最最快的，，已經(jīng)由由基礎(chǔ)研研究進(jìn)入入應(yīng)用階階段：1.繞繞鈍體（（建筑結(jié)結(jié)構(gòu)或橋橋面板））的速度度和壓力力場(chǎng)的分分析；2.繞繞建筑物物近地面面的步行行風(fēng)問(wèn)題題研究；；3.城城市市和區(qū)區(qū)域氣氣候分分析；；4.市市區(qū)區(qū)戶(hù)外外氣候候分析析；5.繞繞建建筑物物或城城區(qū)大大氣擴(kuò)擴(kuò)散分分析；；6.繞繞人人體的的溫度度和速速度場(chǎng)場(chǎng)分析析；7.流流體體和結(jié)結(jié)構(gòu)的的耦合合分析析；計(jì)算風(fēng)風(fēng)工程程的發(fā)發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀土木工工程研研究的的重點(diǎn)點(diǎn)是鈍鈍體（（bluffbody））空氣動(dòng)動(dòng)力學(xué)學(xué),鈍鈍體周周?chē)牡牧鲌?chǎng)場(chǎng)很復(fù)復(fù)雜包包括了了撞擊擊，分分離，，再附附，環(huán)環(huán)繞和和旋渦渦等，計(jì)算風(fēng)風(fēng)工程程幾乎乎包含含了當(dāng)當(dāng)今世世界上上公認(rèn)認(rèn)的最最困難難的有有關(guān)計(jì)計(jì)算流流體力力學(xué)的的內(nèi)容容。計(jì)算風(fēng)風(fēng)工程程是CFD的重要要內(nèi)容容氣流在在大氣氣邊界界層中中的流流動(dòng)屬屬湍流流（turbulence））,湍流又又稱(chēng)紊紊流。。湍流流很難難給出出一個(gè)個(gè)完整整明確確的定定義，，通常常將具具有大大小不不等的的旋渦渦的流流動(dòng)稱(chēng)稱(chēng)為湍湍流，，大渦渦從主主流中中獲得得能量量，旋旋渦運(yùn)運(yùn)動(dòng)使使旋渦渦拉伸伸而不不斷分分解為為小渦渦，小小渦的的流動(dòng)動(dòng)處于于高頻頻的運(yùn)運(yùn)動(dòng)狀狀態(tài)，，流動(dòng)動(dòng)的瞬瞬時(shí)速速度在在時(shí)間間和空空間上上都處處于高高度的的不規(guī)規(guī)則的的劇烈烈脈動(dòng)動(dòng)，高高度隨隨機(jī)，，將能能量耗耗散。。湍流及及其數(shù)數(shù)值模模擬方方法1.直直接接模擬擬（directnumencalsimulation,DNS））用三位位非穩(wěn)穩(wěn)的navier-stokes方程進(jìn)進(jìn)行直直接的的數(shù)值值計(jì)算算，需需要很很小的的時(shí)間間和空空間步步長(zhǎng)，，需要要計(jì)算算代價(jià)價(jià)極大大，難難以用用于工工程數(shù)數(shù)值計(jì)計(jì)算。。湍流的的模擬擬方法法2.大渦模模擬（（largeeddysimulation,LES）大渦從從主流流中獲獲得能能量，，旋渦渦運(yùn)動(dòng)動(dòng)使旋旋渦拉拉伸而而不斷斷分解解為