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1、第六章高层建筑静动力风荷载本讲稿第一页，共五十一页 称为脉动系数。在上式中，第一振型坐标的取值，按我国规范，其经验公式为式中，H为建筑物总高，z为建筑离地高度。本讲稿第二页，共五十一页 峰因子g取2.5，空间相干函数 取发下两式的乘积：脉动影响系数经计算和分析处理，列为表格形式，利于查获。本讲稿第三页，共五十一页6.2 规则高层建筑结构风振系数简化计算一、静力风荷载按振型分解 水平荷载 和水平位位移 有下式平衡方程 本讲稿第四页，共五十一页第j层可得到静力风荷载用第一振型分解后的等效荷载表达为：本讲稿第五页，共五十一页二、规则高层建筑风振系数表达式三、规则高层建筑脉动折算系数1的计算表格及影响
2、因素分析本讲稿第六页，共五十一页四、静力风荷载按第一振型分解后的影响本讲稿第七页，共五十一页 本节推导所得风振系数为一常数的结果与国外（加拿大,美国,日本）的风荷载规范或建议的阵风影响系数为常数值的结果一致。第一振型第i层的风振动位移；静力风按第一振型分解后第i层的位移。本讲稿第八页，共五十一页解：1、脉动增大系数2、本节简化方法风振系数本讲稿第九页，共五十一页3、上一节规范方法风振系数本讲稿第十页，共五十一页本讲稿第十一页，共五十一页4、各层静动力风荷载5、四种高度建筑物基底剪力和弯矩比较方法高度（m)100150200250基底剪力规范方法简化方法1.001.011.001.041.001
3、.131.001.17基底弯矩规范方法简化方法1.000.971.001.001.001.091.001.13本讲稿第十二页，共五十一页6.3 高层建筑结构人体舒适度验算 高层建筑，特别是超高层建筑钢结构，由于高度的迅速增加，阴尼比变小，高层建筑钢结构中风运动的人体舒适度则上升为首要控制的因素。一、顺风向最大加速度计算顺风向风振动力风荷载对于规则高层建筑，任一高度z的最大加速度为本讲稿第十三页，共五十一页 工程中一般关心的是建筑物顶部最大加速度ad,z=0,二、横风向最大加速度计算 建筑物横风向风振机理较为复杂，现一般是以大量试验结果为基础，再通过综合分析得到。我国规程与加拿大规范结合考虑：式
4、中本讲稿第十四页，共五十一页建筑物横风向第一自振周期，横风向阴尼比建筑物平均重度建筑物顶部的平均风速建筑物的宽度和深度三、扭转加速度响应的计算建筑物扭转峰因子，取3.8，建筑物底部动力均方根扭矩，建筑物总质量，建筑物回转半径本讲稿第十五页，共五十一页对于矩形建筑物，由扭转在边角产生的水平加速度本讲稿第十六页，共五十一页四、顺风向、横风向和扭转风向最大加速度的向量叠加顺风向、横风向最大加速度的向量叠加顺风向、横风向和扭转风向最大加速度的向量叠加五、人体舒适度限值标准本讲稿第十七页，共五十一页解：1、顺风向顶部最大加速度本讲稿第十八页，共五十一页2、横风向顶部最大加速度3、加速度叠加本讲稿第十九页
5、，共五十一页6.4 不规则高层建筑结构静动力风荷载分析软件 按规范所适用的结构只限于150米以下的结构，对于超高层或结构不规则的建筑却难以适用。对此作者开发研制了不规则高层结构静动力风荷载分析和舒适度验算软件。一、软件的分析内容1、顺风向水平风荷载分析2、高层建筑人体舒适度验算3、前后处理功能本讲稿第二十页，共五十一页6.5 高层建筑横风向、扭转振动及动力风荷载 高层建筑的横风向振动、扭转振动的机理比较复杂，国内外已作过一些试验与理论分析，取得了一定的成果，但真正达到工程应用的程度还有相当的工作要作。我国对这方面内容的研究更少，有关规范还未规定相关内容（涡激共振除外），常有无处下手分析计算之感
6、。到目前多是应用日本的理论和方法。一、何时需考虑横风向和扭转风向的振动 高层建筑横风向和扭转风向的动力风荷载计算准则由比较顺风向和横风向的研究结构而确定。通常，低层建筑物的顺风向荷载大于横风向荷载，但随着建筑物高度的增加，设计风速逐步接近于共振风速。由此横风向风荷载在高层建筑中起支配作用，这是因为高层建筑的横风向响应是由建筑物尾流中产生的旋涡引起的。本讲稿第二十一页，共五十一页 由分析，对于满足下式的高柔建筑，应考虑湍流引起的横风向和扭转风向风振动力荷载：式中：建筑物总高；建筑物迎风面宽度；建筑物深度；建筑物顶部平均风速；建筑物横风向第一水平自振频率或第一扭转自振频率二、横风向振动及其动力风荷
7、载 当建筑物的高宽比，且长宽比计算横风向z高处的动力荷载本讲稿第二十二页，共五十一页式中 上式假定横风向第一振型为直线型。Z高度处横风向最大加速度的计算公式为：本讲稿第二十三页，共五十一页三、扭转风向振动及其动力风荷载 扭转风向的振动是由迎风面、侧风面和背风面的不对称风压分布引起的，其扭转 动力风荷载与计算横风向动力风荷载相同。当风向垂直于建筑物正面时，在阵风中由建筑物尾流湍流引起的z高度处等效扭转静力扭矩为：本讲稿第二十四页，共五十一页第七章 高耸结构的静动力风荷载 7.1 我国现行规范的计算方法高耸结构与高层建筑的最大区别是其高度远大于宽度，结构非常细长，一般可不考虑水平方向脉动风的空间相
8、关性,只考虑竖向空间相关性。脉动增大系数脉动影响系数其在z处的顺风向风荷载本讲稿第二十五页，共五十一页脉动增大系数 的取值与高层结构相同,振型函数 按结构的振型选取,或按弯曲的第一振型,风压高度变化系数与前相同.所不同的是高耸结构的脉动影响系数 的空间相干函数只考虑竖向变化。本讲稿第二十六页，共五十一页上式计算脉动影响系数是按质量和刚度沿高度比较均匀分布推导而得，大多数高耸结构的质量和水平宽度沿高度是变化的，在计算时可进行修正。本讲稿第二十七页，共五十一页7.2 高耸结构风振系数简化分析方法第一振型脉动增大系数第一振型脉动折减系数本讲稿第二十八页，共五十一页脉动折减系数可由常见结构制成表格，供
9、计算设计选用。现以钢筋混凝土烟囱和钢塔架结构来说明本讲稿第二十九页，共五十一页两种结构的宽度沿高度变化为烟囱塔架两种结构的第一振型函数为烟囱塔架本讲稿第三十页，共五十一页7.3 电视塔结构顺风向静动力风荷载 电视塔属极不规则的结构体系,沿高度方向其外形变化复杂,在塔楼位置的质量和迎风面积骤然增加,天线段的刚度相当柔弱且细长,这种结构体系顺风向的静动力风荷载是难以用规范方法和表格数据计算,只能采用较准确的风荷载计算公式,编制软件由计算机完成。上海东方明珠电视塔塔高459.0m,分别在93.0m和272.5m处设置两个大球体,在348.5m处设置小观光球体,其中观光球以上为钢结构天线,以下为钢筋混
10、凝土结构,93.0m以下设置了三根巨大的圆截面钢筋混凝土斜撑。本讲稿第三十一页，共五十一页本讲稿第三十二页，共五十一页 将电视塔结构处理为16个质点，通过计算和分析，得出如下结果：（1）第一振型风振力沿高度的分布见左图。由于该结构上部是钢结构、下部为钢筋混凝土结构，选取的等效阻尼比为0.025和0.035。在第九质点风振力特别大，其余位置的风振力相对较小。这种风振力沿高度的真实规律是规范方法难以反映的。本讲稿第三十三页，共五十一页（2）高振型的影响 以顶点，观光塔（10质点）和上塔楼（9质点）的水平风振位移进行分析。从表可知，第一振型的水平位移占有绝对优势，除第二振型在顶部有较大影响外，观光塔
11、以下各点高振型的影响得小。本讲稿第三十四页，共五十一页（3）天线钢结构的风振鞭稍效应 对于顶部四个质点的大约50米区段内，平均风连同第一振型风振力占总内力的92%，第二、第三振型风振力约占8%。因此为计及电视塔天线钢结构高振型的影响，宜在考虑第一振型风振力的基础上至少再增加10%的荷载效应。（4）塔楼位置的峰值加速度响应 下表一列出了观光塔和上塔楼位置处经三个振型组合后的峰值加速度，表二列出了第二、第三振型峰值加速度的影响。本讲稿第三十五页，共五十一页观光塔和上塔楼处的峰值加速度响应（m/s)高振型对峰值加速度的影响（%）本讲稿第三十六页，共五十一页第一振型峰值加速度占主要地位，观光塔加速度远
12、比上塔楼大，若采用0.25m/s最大加速度限值,在阻尼比为0.025和0.030时较勉强。若观光塔在八级大风时（20.7m/s）关闭不上人,可满足人体舒适度要求。同时要注意,第三振型的影响比第二振型的大，主要是振型分布的原因，观光塔式起重机和上塔楼正好处于第二振型节点处。本讲稿第三十七页，共五十一页第八章 大型悬挑屋盖上的风荷载 屋盖通常要受到前缘分离流的作用悬挑屋盖还要受到尾流的影响，因此，屋盖风荷载特性与水平风荷载大不相同。目前我国尚未对大型屋盖的动力风荷载计算作出规定，现有的研究多以气弹性模型的风洞试验结果为基础，这是由于大型屋盖上脉动风作用的机理比较复杂。8.1 体育场主看台大悬挑屋盖
13、风荷载 体育场主看台大悬挑到盖是在主台上方布置悬挑钢屋盖，而体育场其它地方只有看台，不设置屋盖或同时在主看台正对面也设置悬挑屋盖。本讲稿第三十八页，共五十一页 对这类屋盖结构，已有大量的刚性模型风试验，风也有少量的气弹性模型的风洞试验。试验研究表明，这类屋盖结构系横风向（竖向）风荷载起控制作用。本节结合国内外试验和理论研究成果，提出了可用于我国设计体育场主看台大悬挑屋盖风荷载的计算方法。本讲稿第三十九页，共五十一页 对悬挑屋盖，上表面形成分离区，当风正前方流来时，有一个较大的负压区，而在下表面由于屋盖封闭，少有分离发生。对于悬挑屋盖，实际上屋盖上、下表面均承受脉动压力，在测定压力时以上、下面的
14、压力差进行，以解决竖向脉动谱测试的困难。竖向脉动相干关系按下式计算：对屋盖动力风荷载的研究，其中一个目的是分析脉动风的临界频率。设计时，主看台屋盖刚度不能太低，以免屋盖高度处的设计风速达到临界风速，临界风速按下式计算：本讲稿第四十页，共五十一页 风作用下主看台悬挑屋盖的响应是随机低频率响应的组合，主要是由前缘再附着剪切流脱落的脉动压力再加上一个共振响应引起。本讲稿第四十一页，共五十一页 澳在利亚规范在气弹性模型风洞试验的基础上，规定了悬挑长度大于5m时体育场主看台屋盖横风向动力风荷载的计算公式：本讲稿第四十二页，共五十一页本讲稿第四十三页，共五十一页 我国对体育场主看台悬挑屋盖动力风荷载的研究
15、较少，前述是澳大利亚规范规定，可供我国参考借鉴。因澳国与我国在基本风速、高度变化系数、风速风压换算方面均有不同，可建议用下式应用。本讲稿第四十四页，共五十一页泉州市海峡体育中心体育场本讲稿第四十五页，共五十一页本讲稿第四十六页，共五十一页本讲稿第四十七页，共五十一页 体育场屋盖随着建造技术的发展，结构形式呈多种多样。除了片式悬挑外，常见的有悬挂式屋盖、环状悬挑等。主看台屋盖的悬挂式布置本讲稿第四十八页，共五十一页上海八万人体育场立面图本讲稿第四十九页，共五十一页 下面就上海虹口足球场屋盖结构自振特性和风振动力响应进行分析屋盖结构前十阶自振周期阶数 T1 T1 T1 T1 T1 T1 T1 T1 T1 T1自振周期（S）2.53 2.32 2.07 2.00 1.82 1.67 1.64 1.63 1.46 1.29 从上表可知，大跨结构的自振频谱是较密集的，在结构动力风荷载分析时，一定要考虑高振型的影响。本讲稿第五十页，共五十一页 第一振型（视图向西）第二振型（视图向西）第三振型（视图向西）第四振型（视图向西）本讲稿第五十一页，共五十一页