第六章高層建筑靜動(dòng)力風(fēng)荷載

第六章高層建筑靜動(dòng)力風(fēng)荷載第一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日ν稱(chēng)為脈動(dòng)系數(shù)。在上式中，第一振型坐標(biāo)的取值，按我國(guó)規(guī)范，其經(jīng)驗(yàn)公式為式中，H為建筑物總高，z為建筑離地高度。第二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日峰因子g取2.5，空間相干函數(shù)取發(fā)下兩式的乘積：脈動(dòng)影響系數(shù)經(jīng)計(jì)算和分析處理，列為表格形式，利于查獲。第三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日§6.2規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)簡(jiǎn)化計(jì)算一、靜力風(fēng)荷載按振型分解水平荷載和水平位位移有下式平衡方程第四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第j層可得到靜力風(fēng)荷載用第一振型分解后的等效荷載表達(dá)為：第五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日二、規(guī)則高層建筑風(fēng)振系數(shù)表達(dá)式三、規(guī)則高層建筑脈動(dòng)折算系數(shù)λ1的計(jì)算表格及影響因素分析第六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日四、靜力風(fēng)荷載按第一振型分解后的影響第七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日本節(jié)推導(dǎo)所得風(fēng)振系數(shù)為一常數(shù)的結(jié)果與國(guó)外（加拿大,美國(guó),日本）的風(fēng)荷載規(guī)范或建議的陣風(fēng)影響系數(shù)為常數(shù)值的結(jié)果一致。——第一振型第i層的風(fēng)振動(dòng)位移；——靜力風(fēng)按第一振型分解后第i層的位移。第八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日解：1、脈動(dòng)增大系數(shù)2、本節(jié)簡(jiǎn)化方法風(fēng)振系數(shù)第九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日3、上一節(jié)規(guī)范方法風(fēng)振系數(shù)第十頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日4、各層靜動(dòng)力風(fēng)荷載5、四種高度建筑物基底剪力和彎矩比較方法高度（m)100150200250基底剪力規(guī)范方法簡(jiǎn)化方法1.001.011.001.041.001.131.001.17基底彎矩規(guī)范方法簡(jiǎn)化方法1.000.971.001.001.001.091.001.13第十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日§6.3高層建筑結(jié)構(gòu)人體舒適度驗(yàn)算高層建筑，特別是超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，由于高度的迅速增加，陰尼比變小，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中風(fēng)運(yùn)動(dòng)的人體舒適度則上升為首要控制的因素。一、順風(fēng)向最大加速度計(jì)算順風(fēng)向風(fēng)振動(dòng)力風(fēng)荷載對(duì)于規(guī)則高層建筑，任一高度z的最大加速度為第十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日工程中一般關(guān)心的是建筑物頂部最大加速度ad,φz=0,二、橫風(fēng)向最大加速度計(jì)算建筑物橫風(fēng)向風(fēng)振機(jī)理較為復(fù)雜，現(xiàn)一般是以大量試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，再通過(guò)綜合分析得到。我國(guó)規(guī)程與加拿大規(guī)范結(jié)合考慮：式中第十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日——建筑物橫風(fēng)向第一自振周期，——橫風(fēng)向陰尼比——建筑物平均重度——建筑物頂部的平均風(fēng)速——建筑物的寬度和深度三、扭轉(zhuǎn)加速度響應(yīng)的計(jì)算——建筑物扭轉(zhuǎn)峰因子，取3.8，——建筑物底部動(dòng)力均方根扭矩，——建筑物總質(zhì)量，——建筑物回轉(zhuǎn)半徑第十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)于矩形建筑物，由扭轉(zhuǎn)在邊角產(chǎn)生的水平加速度第十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日四、順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)向最大加速度的向量疊加順風(fēng)向、橫風(fēng)向最大加速度的向量疊加順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)向最大加速度的向量疊加五、人體舒適度限值標(biāo)準(zhǔn)第十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日解：1、順風(fēng)向頂部最大加速度第十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日2、橫風(fēng)向頂部最大加速度3、加速度疊加第十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日6.4不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力風(fēng)荷載分析軟件按規(guī)范所適用的結(jié)構(gòu)只限于150米以下的結(jié)構(gòu)，對(duì)于超高層或結(jié)構(gòu)不規(guī)則的建筑卻難以適用。對(duì)此作者開(kāi)發(fā)研制了《不規(guī)則高層結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力風(fēng)荷載分析和舒適度驗(yàn)算軟件》。一、軟件的分析內(nèi)容1、順風(fēng)向水平風(fēng)荷載分析2、高層建筑人體舒適度驗(yàn)算3、前后處理功能第二十頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日6.5高層建筑橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及動(dòng)力風(fēng)荷載高層建筑的橫風(fēng)向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的機(jī)理比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外已作過(guò)一些試驗(yàn)與理論分析，取得了一定的成果，但真正達(dá)到工程應(yīng)用的程度還有相當(dāng)?shù)墓ぷ饕?。我?guó)對(duì)這方面內(nèi)容的研究更少，有關(guān)規(guī)范還未規(guī)定相關(guān)內(nèi)容（渦激共振除外），常有無(wú)處下手分析計(jì)算之感。到目前多是應(yīng)用日本的理論和方法。一、何時(shí)需考慮橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)向的振動(dòng)高層建筑橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)向的動(dòng)力風(fēng)荷載計(jì)算準(zhǔn)則由比較順風(fēng)向和橫風(fēng)向的研究結(jié)構(gòu)而確定。通常，低層建筑物的順風(fēng)向荷載大于橫風(fēng)向荷載，但隨著建筑物高度的增加，設(shè)計(jì)風(fēng)速逐步接近于共振風(fēng)速。由此橫風(fēng)向風(fēng)荷載在高層建筑中起支配作用，這是因?yàn)楦邔咏ㄖ臋M風(fēng)向響應(yīng)是由建筑物尾流中產(chǎn)生的旋渦引起的。第二十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日由分析，對(duì)于滿足下式的高柔建筑，應(yīng)考慮湍流引起的橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)向風(fēng)振動(dòng)力荷載：式中：——建筑物總高；——建筑物迎風(fēng)面寬度；——建筑物深度；——建筑物頂部平均風(fēng)速；——建筑物橫風(fēng)向第一水平自振頻率或第一扭轉(zhuǎn)自振頻率二、橫風(fēng)向振動(dòng)及其動(dòng)力風(fēng)荷載當(dāng)建筑物的高寬比，且長(zhǎng)寬比計(jì)算橫風(fēng)向z高處的動(dòng)力荷載第二十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日式中上式假定橫風(fēng)向第一振型為直線型。Z高度處橫風(fēng)向最大加速度的計(jì)算公式為：第二十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日三、扭轉(zhuǎn)風(fēng)向振動(dòng)及其動(dòng)力風(fēng)荷載扭轉(zhuǎn)風(fēng)向的振動(dòng)是由迎風(fēng)面、側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面的不對(duì)稱(chēng)風(fēng)壓分布引起的，其扭轉(zhuǎn)動(dòng)力風(fēng)荷載與計(jì)算橫風(fēng)向動(dòng)力風(fēng)荷載相同。當(dāng)風(fēng)向垂直于建筑物正面時(shí)，在陣風(fēng)中由建筑物尾流湍流引起的z高度處等效扭轉(zhuǎn)靜力扭矩為：第二十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第七章高聳結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力風(fēng)荷載7.1我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算方法高聳結(jié)構(gòu)與高層建筑的最大區(qū)別是其高度遠(yuǎn)大于寬度，結(jié)構(gòu)非常細(xì)長(zhǎng)，一般可不考慮水平方向脈動(dòng)風(fēng)的空間相關(guān)性,只考慮豎向空間相關(guān)性。——脈動(dòng)增大系數(shù)——脈動(dòng)影響系數(shù)其在z處的順風(fēng)向風(fēng)荷載第二十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日脈動(dòng)增大系數(shù)的取值與高層結(jié)構(gòu)相同,振型函數(shù)按結(jié)構(gòu)的振型選取,或按彎曲的第一振型,風(fēng)壓高度變化系數(shù)與前相同.所不同的是高聳結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)影響系數(shù)的空間相干函數(shù)只考慮豎向變化。第二十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日上式計(jì)算脈動(dòng)影響系數(shù)是按質(zhì)量和剛度沿高度比較均勻分布推導(dǎo)而得，大多數(shù)高聳結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和水平寬度沿高度是變化的，在計(jì)算時(shí)可進(jìn)行修正。第二十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日7.2高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)簡(jiǎn)化分析方法——第一振型脈動(dòng)增大系數(shù)——第一振型脈動(dòng)折減系數(shù)第二十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日脈動(dòng)折減系數(shù)可由常見(jiàn)結(jié)構(gòu)制成表格，供計(jì)算設(shè)計(jì)選用?，F(xiàn)以鋼筋混凝土煙囪和鋼塔架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明第二十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日兩種結(jié)構(gòu)的寬度沿高度變化為煙囪塔架兩種結(jié)構(gòu)的第一振型函數(shù)為煙囪塔架第三十頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日§7.3電視塔結(jié)構(gòu)順風(fēng)向靜動(dòng)力風(fēng)荷載電視塔屬極不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系,沿高度方向其外形變化復(fù)雜,在塔樓位置的質(zhì)量和迎風(fēng)面積驟然增加,天線段的剛度相當(dāng)柔弱且細(xì)長(zhǎng),這種結(jié)構(gòu)體系順風(fēng)向的靜動(dòng)力風(fēng)荷載是難以用規(guī)范方法和表格數(shù)據(jù)計(jì)算,只能采用較準(zhǔn)確的風(fēng)荷載計(jì)算公式,編制軟件由計(jì)算機(jī)完成。上海東方明珠電視塔塔高459.0m,分別在93.0m和272.5m處設(shè)置兩個(gè)大球體,在348.5m處設(shè)置小觀光球體,其中觀光球以上為鋼結(jié)構(gòu)天線,以下為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),93.0m以下設(shè)置了三根巨大的圓截面鋼筋混凝土斜撐。第三十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第三十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日將電視塔結(jié)構(gòu)處理為16個(gè)質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算和分析，得出如下結(jié)果：（1）第一振型風(fēng)振力沿高度的分布見(jiàn)左圖。由于該結(jié)構(gòu)上部是鋼結(jié)構(gòu)、下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，選取的等效阻尼比為0.025和0.035。在第九質(zhì)點(diǎn)風(fēng)振力特別大，其余位置的風(fēng)振力相對(duì)較小。這種風(fēng)振力沿高度的真實(shí)規(guī)律是規(guī)范方法難以反映的。第三十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日（2）高振型的影響以頂點(diǎn)，觀光塔（10質(zhì)點(diǎn)）和上塔樓（9質(zhì)點(diǎn)）的水平風(fēng)振位移進(jìn)行分析。從表可知，第一振型的水平位移占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，除第二振型在頂部有較大影響外，觀光塔以下各點(diǎn)高振型的影響得小。第三十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日（3）天線鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)振鞭稍效應(yīng)對(duì)于頂部四個(gè)質(zhì)點(diǎn)的大約50米區(qū)段內(nèi)，平均風(fēng)連同第一振型風(fēng)振力占總內(nèi)力的92%，第二、第三振型風(fēng)振力約占8%。因此為計(jì)及電視塔天線鋼結(jié)構(gòu)高振型的影響，宜在考慮第一振型風(fēng)振力的基礎(chǔ)上至少再增加10%的荷載效應(yīng)。（4）塔樓位置的峰值加速度響應(yīng)下表一列出了觀光塔和上塔樓位置處經(jīng)三個(gè)振型組合后的峰值加速度，表二列出了第二、第三振型峰值加速度的影響。第三十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日觀光塔和上塔樓處的峰值加速度響應(yīng)（m/s2)高振型對(duì)峰值加速度的影響（%）第三十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第一振型峰值加速度占主要地位，觀光塔加速度遠(yuǎn)比上塔樓大，若采用0.25m/s2最大加速度限值,在阻尼比為0.025和0.030時(shí)較勉強(qiáng)。若觀光塔在八級(jí)大風(fēng)時(shí)（20.7m/s）關(guān)閉不上人,可滿足人體舒適度要求。同時(shí)要注意,第三振型的影響比第二振型的大，主要是振型分布的原因，觀光塔式起重機(jī)和上塔樓正好處于第二振型節(jié)點(diǎn)處。第三十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第八章大型懸挑屋蓋上的風(fēng)荷載屋蓋通常要受到前緣分離流的作用懸挑屋蓋還要受到尾流的影響，因此，屋蓋風(fēng)荷載特性與水平風(fēng)荷載大不相同。目前我國(guó)尚未對(duì)大型屋蓋的動(dòng)力風(fēng)荷載計(jì)算作出規(guī)定，現(xiàn)有的研究多以氣彈性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，這是由于大型屋蓋上脈動(dòng)風(fēng)作用的機(jī)理比較復(fù)雜。§8.1體育場(chǎng)主看臺(tái)大懸挑屋蓋風(fēng)荷載體育場(chǎng)主看臺(tái)大懸挑到蓋是在主臺(tái)上方布置懸挑鋼屋蓋，而體育場(chǎng)其它地方只有看臺(tái)，不設(shè)置屋蓋或同時(shí)在主看臺(tái)正對(duì)面也設(shè)置懸挑屋蓋。第三十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)這類(lèi)屋蓋結(jié)構(gòu)，已有大量的剛性模型風(fēng)試驗(yàn)，風(fēng)也有少量的氣彈性模型的風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)研究表明，這類(lèi)屋蓋結(jié)構(gòu)系橫風(fēng)向（豎向）風(fēng)荷載起控制作用。本節(jié)結(jié)合國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)和理論研究成果，提出了可用于我國(guó)設(shè)計(jì)體育場(chǎng)主看臺(tái)大懸挑屋蓋風(fēng)荷載的計(jì)算方法。第三十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)懸挑屋蓋，上表面形成分離區(qū)，當(dāng)風(fēng)正前方流來(lái)時(shí)，有一個(gè)較大的負(fù)壓區(qū)，而在下表面由于屋蓋封閉，少有分離發(fā)生。對(duì)于懸挑屋蓋，實(shí)際上屋蓋上、下表面均承受脈動(dòng)壓力，在測(cè)定壓力時(shí)以上、下面的壓力差進(jìn)行，以解決豎向脈動(dòng)譜測(cè)試的困難。豎向脈動(dòng)相干關(guān)系按下式計(jì)算：對(duì)屋蓋動(dòng)力風(fēng)荷載的研究，其中一個(gè)目的是分析脈動(dòng)風(fēng)的臨界頻率。設(shè)計(jì)時(shí)，主看臺(tái)屋蓋剛度不能太低，以免屋蓋高度處的設(shè)計(jì)風(fēng)速達(dá)到臨界風(fēng)速，臨界風(fēng)速按下式計(jì)算：第四十頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日風(fēng)作用下主看臺(tái)懸挑屋蓋的響應(yīng)是隨機(jī)低頻率響應(yīng)的組合，主要是由前緣再附著剪切流脫落的脈動(dòng)壓力再加上一個(gè)共振響應(yīng)引起。第四十一頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日澳在利亞規(guī)范在氣彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，規(guī)定了懸挑長(zhǎng)度大于5m時(shí)體育場(chǎng)主看臺(tái)屋蓋橫風(fēng)向動(dòng)力風(fēng)荷載的計(jì)算公式：第四十二頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第四十三頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日我國(guó)對(duì)體育場(chǎng)主看臺(tái)懸挑屋蓋動(dòng)力風(fēng)荷載的研究較少，前述是澳大利亞規(guī)范規(guī)定，可供我國(guó)參考借鑒。因澳國(guó)與我國(guó)在基本風(fēng)速、高度變化系數(shù)、風(fēng)速風(fēng)壓換算方面均有不同，可建議用下式應(yīng)用。第四十四頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日泉州市海峽體育中心體育場(chǎng)第四十五頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第四十六頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日第四十七頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日體育場(chǎng)屋蓋隨著建造技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)形式呈多種多樣。除了片式懸挑外，常見(jiàn)的有懸掛式屋蓋、環(huán)狀懸挑等。主看臺(tái)屋蓋的懸掛式布置第四十八頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日上海八萬(wàn)人體育場(chǎng)立面圖第四十九頁(yè)，共五十一頁(yè)，2022年，8月28日下面就上海虹口足球場(chǎng)屋蓋結(jié)構(gòu)自振特性和風(fēng)振動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析屋蓋結(jié)構(gòu)前十階自振周期階數(shù)T1T1T1T1T1T1T1T1T1T1自