高层建筑抗风若干基础问题及数据库研究

摘要

虽然国内外风工程学者已经对高层建筑的风致响应和等效静力风荷载进行了大量的研究工作，但仍有一些基础问题亟待进一步的解决。针对高层建筑抗风规范中的若干问题，本文在复杂高层建筑的风荷载特性、高层建筑顺风向气动力的竖向相干特性、顺横扭三个方向上的背景等效静力风荷载分布规律、典型高层建筑的风向因子、两建筑物间的综合干扰因子等方面展开了较为详细的研究。 高层建筑抗风数据库将大量建筑模型的风洞试验数据进行整理、存储、在线计算，进而得到结构设计所需的风荷载，并通过Internet向公众开放，可以大大减少传统规范中运用表格、图表以及拟合公式所带来的误差，将作为结构抗风设计的有效手段。本文构建了具有自主产权的高层建筑抗风数据库平台，并给出了具体的操作界面。 全文共分八章和一个附录，主要内容如下： 第一章为绪论，主要介绍了多个高层建筑等效静力风荷载模型的理论框架和研究现状、各国风荷载规范的主要内容以及本文的主要工作。 第二章完成了对称双塔建筑、立面不规则建筑等三个高层建筑模型的同步测压风洞试验，并根据风洞试验结果分别从幅值和频域两个方面对复杂高层建筑的表面风压、层三分力系数以及基底弯(扭)矩系数进行了研究和阐述。详细分析了对称双塔建筑的风致干扰效应以及立面不规则结构的风荷载特性。 第三章通过分析典型高层建筑同步测压试验的数据结果，拟合了顺风向气动力的竖向相干函数公式，并与其它几种常见的风速相干函数公式进行了对比，结果表明，根据本文给出的顺风向气动力相干函数能比其它相干函数得到更为准确的风致响应结果。本章最后还给出了适合于工程应用的风振系数表格。 第四章首先根据风洞试验结果对荷载响应相关(LRC)法、准平均荷载(QML)法和阵风荷载包络(GLE)法在顺、横风向以及扭转方向背景等效风荷载描述方法上的实用性进行了验证，结果表明对应于基底弯(扭)矩的LRC法能较其它方法更为准确地表述背景等效风荷载的分布规律。本章最后拟合出了顺、横风向以及扭转方向的背景等效风荷载沿高度的分布公式。 第五章以上海地区的风速风向联合概率密度函数为例，针对典型高层建筑在不同风向角下的关键风致响应，介绍了计算典型高层建筑风向因子的方法，并给出了上海地区高层建筑风向因子的具体数值。 第六章以作者所在课题组已有的风致干扰效应的研究成果为基础，给出了两建筑物间顺风向风致干扰效应的综合干扰因子，并进行了详细的参数分析。结合顺风向的静力、动力干扰因子及横风向的动力干扰因子，计算出了两栋建筑物之间的总体干扰因子，本章最后给出了适合于工程应用的风致干扰效应条款。 第七章首先介绍了高层建筑抗风数据库构建的背景知识，包括网络数据库语言及基底弯矩阵风荷载因子法的表达公式，最后介绍了《高层建筑抗风数据库》的主要界面。 第八章总结了本文的主要内容，并对今后的工作提出了展望。 附录为《上海高层钢结构技术规程》风荷载部分的具体条文和条文说明，该部分在原有规程的基础上增加了风致干扰因子和横风向等效静力风荷载方面的内容，将指导上海地区高层钢结构建筑的抗风设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1高层建筑等效静力风荷载方法综述

1.1.1阵风荷载因子(GLF)法

1.1.2惯性风荷载(IWL)法

1.1.3平均荷载+背景等效风荷载+共振等效风荷载方法(三分量法)

1.1.4基底弯矩阵风荷载因子(MGLF)法

1.1.5三维振型耦合高层建筑等效静力风荷载

1.2国内外高层建筑风荷载规范概述

1.2.1 日本风荷载规范(AIJ(2004))

1.2.2澳大利亚/新西兰风荷载规范(AS/NZS 1170.2：2002(2002))

1.2.3美国风荷载规范(ASCE7-2002(2002))

1.2.4英国风荷载规范(BS6399-2：1997,(2002))

1.2.5欧洲风荷载规范(EN 1991-1-4：2004(2004))

1.2.6中国风荷载规范(GB50009-2001(2006)：JGJ3-2002(2002)；JGJ99-98(1998))

1.3本文研究背景与内容布局

1.3.1本文研究背景

1.3.2本文研究内容及布局

参考文献

第二章复杂高层建筑模型同步测压风洞试验研究

2.1引言

2.2风洞试验介绍

2.2.1风洞设备与风场模拟

2.2.2同步测压刚体试验模型

2.3复杂高层建筑表面风压特性

2.3.1双塔建筑模型风压系数幅值特性

2.3.2双塔建筑模型风压系数频域特性

2.3.3沿高度阶梯变化和收缩变化建筑模型风压系数幅值特性

2.3.4沿高度阶梯变化和收缩变化建筑模型风压系数频域特性

2.4复杂高层建筑三分力特性研究

2.4.1复杂高层建筑模型层三分力系数幅值特性

2.4.2复杂高层建筑模型层三分力系数频域特性

2.5复杂高层建筑基底弯(扭)矩特性

2.5.1复杂高层建筑基底弯(扭)矩的幅值特性

2.5.2复杂高层建筑基底弯(扭)矩的频域特性

2.6本章小结

参考文献

第三章高层建筑顺风向荷载分布相干性及其影响

3.1引言

3.2用于荷载相干性分析的高层建筑刚性模型试验概况

3.3典型高层建筑阻力竖向相干性分析

3.3.1阻力竖向相干性分析及其参数拟合

3.3.2典型高层建筑风致响应算例

3.4典型高层建筑顺风向等效风荷载实用表格

3.4.1现行中国荷载规范风振系数βz的推导过程

3.4.2风振系数βz的实用表格

3.4.3数值算例

3.5本章小结

附图

附表

参考文献

第四章高层建筑背景等效静力风荷载分布方法的比较及实用公式

4.1引言

4.2试验数据分析

4.3不同背景等效静力风荷载分布精确性的验证

4.3.1相关公式定义

4.3.2顺风向背景等效静力风荷载分布方法比较

4.3.3横风向背景等效静力风荷载分布方法比较

4.3.4扭转方向背景等效静力风荷载分布方法比较

4.4背景等效静力风荷载分布的拟合公式及其验证

4.5本章小结

附图

附表

参考文献

第五章矩形高层建筑抗风设计的风向因子研究

5.1引言

5.2上海地区考虑风向因素时矩形高层建筑的风向因子

5.2.1上海地区考虑风向因素时的基本风速

5.2.2矩形高层建筑的响应风向系数

5.2.3矩形高层建筑的基本风速风向因子

5.3本章小结

参考文献

第六章矩形高层建筑风致总体干扰因子研究

6.1引言

6.2高层建筑顺风向综合干扰因子

6.2.1 基本方柱配置下的顺风向综合干扰因子

6.2.2受扰高层建筑高度的影响

6.2.3施扰高层建筑几何参数的影响

6.3高层建筑风致总体干扰因子

6.4适用于规范应用的有关干扰效应条文

6.4.1顺风向综合干扰因子

6.4.2横风向综合干扰因子

6.4.3总体干扰因子

6.5本章小结

参考文献

第七章高层建筑抗风数据库平台的构建

7.1引言

7.2高层建筑抗风网络数据库构建的背景知识

7.2.1动态网页服务器技术和数据库

7.2.2基底弯矩阵风荷载因子法(MGLF)(Zhou,2003)

7.3《高层建筑抗风数据库》介绍

7.3.1 《高层建筑抗风数据库》包含的试验工况

7.3.2《高层建筑抗风数据库》基本框架

7.4本章小结

参考文献

第八章结论与展望

8.1本文的工作总结

8.2研究工作展望

附录《上海高层钢结构技术规程(风荷载部分)》(2007年稿)

致谢

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果