超高层建筑风重耦合效应及等效静力风荷载研究

摘要

随着城市化进程的加快，越来越多的超高层建筑往轻柔方向发展，结构设计也出现许多急需解决的问题，风重耦合效应就是其中之一。风重耦合效应是指高柔结构在风荷载作用下产生的水平位移，重力的存在，使结构弯矩增大，从而进一步增大水平位移，这样的作用机理在静力方面表现为结构水平位移的增大，在动力上表现为结构固有频率的改变和和结构响应的变化。在实际工程中，超高层建筑的风重耦合效应已有报道，进一步细化分析风重耦合效应的影响显得十分必要。
　　本文主要目的是为了分析风重耦合效应的影响因素，发现高柔结构由于重力影响在风振中的特性改变，同时给出一般超高层结构分析计算方法。总体而言主要做了以下几个方面的工作。
　　利用悬臂梁模型，推导出计入结构大变形和重力的作用的风重耦合的动力方程，利用差分法可以求解风振时程响应，时程计算表明风重耦合效应使脉动风的幅值比传统计算的结果要大。
　　结构顺风向随机风振计算可以按平均风荷载和脉动风荷载将方程分解成平均风方程和脉动风方程，其中平均风方程相当于静力非线性方程，求解容易;另一个脉动风方程是非线性动力方程，通过振型分解和等效线性化处理可以得到结构响应的解。参数分析表明，重刚比是影响风重耦合效应最重要的参数，其值越大，结构振动固有频率越小，结构响应越大。当结构重刚比较小时，地面粗糙度、结构固有阻尼和平均风速对风重耦合效应影响不大，但当重刚比较大时，风重耦合效应随着结构固有阻尼和平均风速的增大而减小。
　　等效静力风荷载是工程设计中常用的方法。本文采用结构恢复力等价的原则，经推导可以得到沿高度分布的荷载。结果表明，计入风重耦合效应的等效风荷载表达式比常规高层建筑风荷载多了附加重力等效风荷载项。加入各分项的峰值系数可以得到设计等效静力风荷载。计入风重耦合效应后的顺风向风振系数与规范给出的风振系数存在着差异，风重耦合效应引起在建筑物中风振系数中下部分布值减小和上部分布值增大，结构的重刚比是影响风振系数的重要因素，其他因素影响不大。
　　横风向风重耦合效应与顺风向类似，对横风向风重耦合效应来说重刚比仍旧是一个决定性因素，但横风向作用机理与顺风向不同，其风重耦合效应与顺风向存在一定的差异，特别是平均风速的影响有所不同，当平均风速较小时，结构响应随着重刚比增长而增长，当平均风速加大时，结构响应先是随着重刚比增长而增长，达到峰值后随着重刚比增长而下降。风重耦合效应使整条响应对重刚比曲线左偏。对于矩形截面的超高层结构，风重耦合与截面深宽比有关，当在深宽比小于2时，风重耦合效应先是减小再是增大，当深宽比大于2时，没有确切的规律。横风向静力等效荷载的变化规律和顺风向类似。
　　对于一般超高层建筑的风重耦合的计算除了考虑顺风向和横风向的风荷载还必须考虑扭转向的风荷载。为了实现频域分析一般结构的方法，本文以每层的三个自由度为未知数建立计入风重耦合效应的有限元方程。分析表明，在质量偏心率较小情况下固有频率随着重刚比增大而减小，但当结构质量偏心率较大时，固有频率反而随着重刚比增大而增大，对于刚心偏位的情况也有类似结论。对于偏心结构，风重耦合效应使顺风向和横风向响应增大，但对于扭转向是减小的。不同角度对风重耦合的影响是发生周期性变化，偏心率较小时，偏心位置的角度对风重耦合效应影响不大，而随着偏心率的增大，角度影响就很明显。
　　本文以LCVA作为实例分析调谐减振器在超高层建筑中减振规律。各参数分析表明质量比是减振中一个重要参数，质量比加大能明显起到减振作用，实际上只要水体质量达到建筑物质量1％～2％时就可以起到较好的减振效果。水管截面比、长度比以及水头损失系数亦是关系减振率的重要参数。在优化设计中要使减振器达到较好的减振效果，必须使减振器的振动频率接近或等于主结构的固有基频。当主结构计入风重耦合效应后，计算结果会与传统计算方法产生较大的差异，一般规律是主结构重刚比较小时计入风重耦合效应的结构减振率大，而主结构重刚比较大时风重耦合计算结果就比传统结果要小。对高柔结构减振设计必须考虑风重耦合效应，才能正确分析减振效果。
　　在顺风向和横风向计算结果的对比分析中，本文提出了比规范更为严格的刚度限制要求，供设计者借鉴。
　　超高层结构风重耦合效应研究是一个新的方向，本文只做了部分工作，建议今后进一步深入这一领域相关问题研究。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超高层建筑结构风荷载计算理论的发展与现状

1．2．1 高层结构顺风向响应

1．2．2 等效静力风荷载

1．2．3 我国规范对于等效静力风荷载的规定

1．3 超高层建筑结构风重效应及其分析方法

1．3．1 两种二阶效应

1．3．2 国内外文献综述

1．3．3 国内规范条文规定

1．3．4 重力二阶效应计算方法

1．4 本文的研究目的与内容

1．4．1 本文的研究目的

1．4．2 本文的研究内容

参考文献

第二章 超高层建筑顺风向风重耦合动力方程与时程计算

2．1 基本假定

2．2 计算模型与方程

2．2．1 分析模型

2．2．2 方程推导

2．3 方程求解与验证

2．3．1 差分离散

2．3．2 方程求解

2．3．3 方程验证

2．4 超高层结构的在风荷载作用下时程算例

2．4．1 算例条件

2．4．2 脉动风荷载风速曲线

2．4．3 结构在风荷载作用下的振动

2．5 小结

参考文献

附录

第三章 计入风重耦合效应超高层建筑顺风向随机风振响应

3．1 风重耦合效应下结构随机响应解

3．1．1 非线性方程求解的方法

3．1．2 方程的分解

3．1．3 脉动动力方程解耦

3．1．4 非线性项的取舍

3．1．5 方程线性化

3．1．6 结构风振响应

3．2 结构参数对顾风向风重耦合效应的影响

3．2．1 相关分析参数

3．2．2 平均风作用下位移的变化

3．2．3 结构体系基频的变化

3．2．4 结构脉动风响应的变化

3．2．5 几何非线性影响程度

3．3 小结

参考文献

第四章 计入风重耦合效应顺风向等效静力风荷载

4．1 计入风重耦合效应的高层建筑结构抗力

4．2 结构恢复力方差

4．3 等效静力风荷载的分布值

4．3．1 背景风荷载分布值

4．3．2 惯性力风荷载分布值

4．3．3 重力风荷载分布值

4．3．4 算例

4．4 等效静力设计风荷载

4．5 计入风重耦合效应后风振系数的变化

4．5．1 结构重刚比的影响

4．5．2 结构固有阻尼的影响

4．5．3 地貌系数的影响

4．5．4 基本风压的影响

4．6 小结

参考文献

第五章 计入风重耦合效应超高层建筑横风向随机风振响应

5．1 超高层建筑横风向风效应

5．1．1 横向风激励机理

5．1．2 各国规范表述

5．1．3 横向风振动计算方法

5．2 结构参数对横风向风重耦合效应的影响

5．2．1 重刚比的影响

5．2．2 结构固有阻尼的影响

5．2．3 地面粗糙度的影响

5．2．4 顺风向平均风速的影响

5．2．5 截面深宽比的影响

5．3 矩形截面高层建筑横向风等效静力风荷载

5．4 小结

参考文献

第六章 计入风重耦合效应超高层建筑三维响应分析

6．1 计入风重耦合效应超高层建筑三维有限元方程

6．1．1 基本假设

6．1．2 层间构建端部力与位移的关系

6．1．3 楼层受力平衡方程

6．1．4 最终矩阵方程

6．1．5 方程的简化

6．2 偏心结构风重耦合效应对结构动力特性的影响

6．2．1 风重耦合效应对频率和模态的影响

6．2．2 三维风振频域计算方法

6．2．3 参数分析

6．3 小结

参考文献

附录

第七章 设置调谐减振器超高层建筑风振响应

7．1 液体调谐阻尼器背景资料

7．1．1 TLCD原理的研究

7．1．2 TLCD实验工作

7．2 设置LCVA超高层结构顺风向减震分析

7．2．1 水箱与主结构动力方程

7．2．2 脉动风荷载作用下的结构响应

7．2．3 LCVA参数特征分析

7．3 计入风重耦合效应超高层结构顺风向LCVA减振分析

7．3．1 主结构运动方程

7．3．2 传递函数封闭解

7．3．3 风重耦合影响参数分析

7．4 计入风重耦合效应超高层结构横风向LCVA减振分析

7．4．1 求解方法

7．4．2 风重耦合影响参数分析

7．5 小结

参考文献

第八章 成果回顾与展望

8．1 本文工作的总结

8．2 本文的创新点

8．3 未来研究工作展望

作者简历

攻读博士研究生期间发表和录用的论文