多国规范超高层建筑风荷载取值及与风洞试验的对比性研究

摘要

随着我国城市化进程的不断推进、建筑结构科学技术的发展，我国高层建筑的数量在近三十年得到了高速增长，对于超高层建筑特别是高、大、细、长等柔性结构，风荷载已经成为决定性的设计荷载。结构的风效应逐步成为控制高层建筑安全性、舒适性和经济性的最重要因素之一，解决这一问题的唯一有效途径就是要进行高层建筑结构风效应的研究。
　　风工程经过几十年的发展，已经形成了一个比较完善的体系，归纳起来主要有四大类研究手段:理论分析、风洞实验、现场实测及数值模拟。风洞试验是在实验室中模拟大气边界层的实际风环境和实际建筑结构，它是目前采用最普遍的研究手段。首先确定建筑整体动态气动力，再计算结构动力响应的高频测力天平试验方法，是一种较为实用的风洞试验方法。
　　随着风工程研究的逐步发展，世界上各国都对结构的抗风设计制定了专门的风荷载规范。我国最新荷载规范(GB50009-2012)在已有荷载规范基础上，总结了近年来的设计经验，参考了国外规范和国际标准的有关内容并已于2012年10月颁布实施。
　　本文对我国最新风荷载规范及国外发达国家风荷载规范进行了比较与分析，并针对具体实例，结合风洞试验数据与结合规范所得数据进行对比分析。主要内容包括:
　　(1)基于我国最新荷载规范(GB50009-2012)、美国荷载规范(ASCE7-05)、美国荷载规范(ASCE7-10)、日本荷载规范(AIJ2004)以及ISO标准荷载规范，对基本风速、风压、风速剖面、暴露系数（地面粗糙度类别）、体型系数、风振系数以及顺风向、横风向等效风荷载、加速度的定义及公式分别进行了介绍和比较。
　　(2)依据(1)中所列三个国家风荷载规范和国际标准化协会风荷载规范结合实例进行取值计算，将各计算结果分类进行比较分析。
　　(3)对目前风洞试验常用的高频测力天平试验技术进行了原理介绍;然后依据风洞实验结合实例进行取值，将得到的实例结构总底部弯矩和顶点加速度值与(2)中所列各分类结果进行比较分析。
　　从上述(2)、(3)的对比分析，得出以下结论:
　　(1)与其它三类风荷载规范相比，中国最新风荷载规范关于基本风压、地面粗糙度类别、风荷载体型系数、风速剖面的定义及公式相对合理。
　　(2)我国风荷载规范关于峰值因子的取值较以往规范大，但是最新版风荷载规范取值仍然比美、日、ISO标准规范值要小28％左右，导致依据规范计算得到的风振极值响应值（等效风荷载、风致响应加速度）偏小。
　　(3)我国最新风荷载规范给出了圆形以及矩形和方形截面的超高层建筑的横风向和扭转风振等效风荷载的计算公式，且考虑高宽比和地貌的影响，并给出了削角或凹角的修正系数，较国外先进国家的规范有了很大的扩展。
　　(4)我国最新风荷载规范关于横风向风振作用的计算式中对无量纲横风向广义风力功率谱的取值，以图示的形式列出;这对受风荷载作用极为敏感的超高层柔性建筑而言，计算结果会产生一定的偏差。横风向等效风荷载公式亟待在理论公式结合工程实践的过程中得以改进。
　　(5)依据我国最新荷载规范评估典型超高层建筑顺风向风荷载作用较为准确，评估横风向风荷载作用则偏于不安全，对于横风向荷载作用起控制作用的超高层建筑，目前仍需依据风洞试验来进行准确评估风荷载作用。
　　(6)依据我国最新荷载规范评估典型超高层建筑风振响应加速度将偏小，此时需要依据风洞试验或也可以依据日本荷载规范来进行风振响应加速度的评估。
　　最后，在总结本文研究结论的基础上，提出了本课题尚待深入研究的地方。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 高层建筑风荷载计算研究现状及趋势分析

1．2 本论文研究的主要内容

1．3 本论文研究意义及主要解决的问题

2 各国荷载规范基本定义及计算公式对比

2．1 中国建筑结构荷载规范(GB50009—2012)

2．1．1 风荷载标准值及基本风压

2．1．2 风压高度变化系数

2．1．3 风荷载体型系数

2．1．4 顺风向风振和风振系数

2．1．5 顺风向风振加速度

2．1．6 横风向风荷载作用和扭转作用

2．1．7 横风向风振加速度

2．2 美国规范基本定义及计算公式

2．2．1 美国规范相关定义和规定

2．2．2 风速分布图

2．2．3 风向

2．2．4 暴露类别

2．2．5 内部压力系数

2．2．6 风荷载体型系数

2．2．7 阵风效应

2．2．8 开敞程度分类

2．2．9 作用在建筑物主要抗风体系MWFRS(直接法)

2．3 日本规范基本定义及计算公式

2．3．1 风速和速度压力

2．3．2 风力系数和风压力系数

2．3．3 顺风向风振效应系数

2．3．4 横风向振动和风致响应

2．3．5 振型修正系数

2．3．6 顺风向风致响应加速度

2．3．7 横风向最大加速度

2．4 国际标准化协会ISO风荷载标准

2．4．1 风力公式及基本风压

2．4．2 曝露系数

2．4．3 空气动力体型系数

2．4．4 顺风向风振响应系数

2．4．5 顺风向风荷载计算式

2．4．6 横风向风荷载计算式

2．4．7 顺风向、横风向加速度峰值计算式

2．5 基于多国风荷载规范的对比分析

2．5．1 基本风速、风压

2．5．2 地面粗造度类别

2．5．3 风压高度变化系数

3 基于多国风荷载规范典型超高层建筑的风荷载评估

3．1 塔楼平面尺寸及质量特性

3．2 塔楼结构特性

3．3 中国建筑结构荷载规范(GB50009-2012)取值计算

3．3．1 横风向风致响应计算

3．3．2 横风向风致响应计算

3．4 针对美国建筑结构荷载规范取值计算

3．4．1 速度压力q的确定

3．4．2 设计风压p的确定及风荷载P的确定

3．4．3 最大位移计算

3．4．4 最大加速度计算

3．5 日本风荷载规范取值计算

3．5．1 顺风向风荷载计算

3．5．2 横风向风荷载计算

3．5．3 风致响应加速度

3．6 国际标准化协会ISO风荷载标准实例取值计算

3．6．1 平均风速压计算

3．6．2 顺风向风振响应系数计算

3．6．3 顺风向风荷载计算

3．6．4 横风向风荷载计算

3．7 中、美、日、ISO四类风荷载规范结合实例取值结果对比

3．7．1 风压高度变化系数(风速剖面)

3．7．2 风荷载体型系数

3．7．3 湍流强度与湍流尺度

3．7．4 风振系数

3．7．5 顺风向风荷载产生的底部剪力及弯矩

3．7．6 最大位移

3．7．7 顺风向加速度

3．7．8 横风向风荷载计算结果分析

4 风洞试验

4．1 风洞试验概述

4．2 高频测力天平试验原理介绍

4．3 风洞试验简介

4．3．1 研究对象

4．3．2 研究目的

4．3．3 研究内容

4．3．4 模型制作

4．4 风洞试验内容及结果

4．4．1 大气边界层的模拟与测量

4．4．2 动态测力试验

4．4．3 整体五分力试验结果

4．4．4 结构顶部峰值加速度

4．4．5 风洞试验研究结果

4．5 中国风荷载规范计算值与风洞试验结果对比分析

4．5．1 风荷载产生的结构底部总弯矩值对比

4．5．2 风荷载产生的结构顶点加速度值对比

5 本文结论与展望

5．1 本文主要结论

5．2 未来研究工作展望

5．2．1 本文研究不足之处

5．2．2 未来研究工作展望

致谢

参考文献