大型复杂建筑结构风致效应及等效静力风荷载研究

摘要

以超高层及大跨屋盖为代表的大型复杂建筑结构由于质量轻、柔性大、阻尼小等特点使得风荷载往往成为设计控制荷载。对此类风敏感结构风致响应及等效静力风荷载的精细化研究对解决实际设计问题具有重要意义。为此，本文以多个具有代表性的刚性模型测压风洞试验结果为基础，以复杂体型超高层建筑及大型屋盖结构为主要研究对象，开展了以下几个方面的工作:
　　1.研究了单体及群体超高层建筑结构三维风荷载效应。其中在复杂体型单体建筑三维风荷载效应方面，引入了扭转向等效力偶的概念用以比较扭转向风荷载与水平分量间的大小关系，明确了此类建筑风荷载扭转效应的重要性;拟合了不规则截面建筑在典型风向角下的层扭矩规格化功率谱曲线，发现其受截面厚宽比等参数的影响明显。在群体建筑干扰效应方面，以一窄长形直线状建筑群为研究对象，着重考察了在典型正交风向角下受扰建筑表面各测点风压及层三维风荷载的量值分布和变化情况，发现群体建筑间的干扰作用主要表现为狭缝效应和遮挡效应。
　　2.考察了三维时变风荷载作用下具有非规则体型超高层建筑结构风致响应的计算方法及影响因素。引入对数坐标体系下广义荷载谱随频率分布的线性假定，提出了新的广义位移响应共振分量简化计算公式，证明了其相比传统的白噪声假定具有更高的精确性;考察了建筑外型的复杂性及高阶振型的参与等因素对结构不同位置各类风致响应的影响。
　　3.在建立现有单目标等效静力风荷载作用下结构不同位置等效响应与实际结果间相互关系的基础上，提出了可以保证目标位置三维多目标响应等效的静力风荷载计算方法，并进一步综合考虑了峰值因子的非高斯特性及多目标等效折减效应的影响，使得相应的等效静力风荷载计算结果更为合理可靠。
　　4.根据POD法基本原理对传统大跨屋盖结构风致响应的频域算法加以优化，提出了先挑选控制模态再进行精确风致响应计算的“二步法”过程。工程算例表明该计算过程不仅具有提取信息简单、精度高、收敛快等特点，还有利于从原理上了解风激励对大跨屋盖结构风致响应的影响过程。
　　5.针对现有屋盖结构等效静力风荷载受不同节点间的风致响应相关性影响、分布形式极不均匀的特点，提出了针对屋盖结构的多目标等效静力风荷载计算方法。该方法不仅考虑了各目标响应脉动极值的符号选取问题，且静力风荷载量值分布不再受单一节点或局部区域的控制，更趋于均匀、合理。在该组等效静力风荷载作用下，不仅能够保证关键部位等效响应与实际结果高度一致，其它非关键部位响应结果也具有一定的精确性和连续性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 大型复杂建筑结构发展概述及风致效应研究意义

1．1．1 复杂体型超高层建筑结构的发展现状

1．1．2 大跨度屋盖结构的发展现状

1．1．3 大型复杂建筑结构风灾危害

1．2 超高层建筑结构抗风研究进展

1．2．1 超高层建筑结构风荷载研究现状

1．2．2 超高层建筑结构风致响应分析方法概述

1．2．3 超高层建筑结构等效静力风荷载计算方法概述

1．3 大型屋盖结构抗风研究进展

1．3．1 大型屋盖结构风致响应计算方法概述

1．3．2 大型屋盖结构等效静力风荷载研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 单体及群体超高层建筑结构三维风荷载研究

2．1 复杂外型超高层建筑三维风荷载分布特性

2．1．1 工程背景

2．1．2 模型设计与测点布置

2．1．3 测试设备及风场模拟

2．1．4 试验工况及方法

2．1．5 三维风荷载参数的一般定义

2．1．6 扭转向荷载参数的特殊定义

2．1．7 计算结果及分析

2．2 线性排布超高层建筑群体三维风荷载分布特性

2．2．1 工程背景

2．2．2 模型设计与测点布置

2．2．3 风洞试验说明及相关参数定义

2．2．4 计算结果及讨论

2．3 本章小结

第3章 复杂体型超高层建筑三维风致响应分析

3．1 基于频域算法的三维风振计算基本理论

3．1．1 结构动力响应基本计算过程

3．1．2 共振响应分量的简化计算

3．1．3 边角位移和加速度扩大效应

3．1．4 内力响应的计算及高阶振型的影响

3．1．5 三维风荷载相关性对风致响应的影响

3．2 工程背景及动力特性

3．3 风致响应计算结果及分析

3．3．1 共振响应的简化计算结果及分析

3．3．2 位移及加速度响应结果分析

3．3．3 内力响应受高阶振型的影响分析

3．3．4 三维风荷载相关性对风致响应的影响分析

3．4 本章小结

第4章 复杂体型超高层建筑三维多目标等效静力风荷载研究

4．1 不考虑峰值因子影响下的三维多目标等效静力风荷载基本理论

4．2 不考虑峰值因子影响下的三维多目标等效静力风荷载计算结果

4．2．1 以前3阶振型为参与振型下的计算结果及分析

4．2．2 第4-6阶振型为参与振型下的计算结果及分析

4．3 三维多目标等效静力风荷载下峰值因子的有效确定

4．3．1 超高层建筑风致响应时程算法

4．3．2 风致响应极值分布及峰值因子的确定

4．3．3 对应于多目标等效静力风荷载的峰值因子确定方法

4．4 非高斯峰值因子及相应的三维多目标等效静力风荷载计算结果

4．5 本章小结

第5章 大型屋盖结构基于POD法模态选择的风致响应分析

5．1 基于POD法的模态选择理论

5．1．1 脉动风场的本征正交分解

5．1．2 POD法和模态叠加理论相结合的主导模态选择方法

5．1．3 基于ACQC法的风致响应分析

5．2 工程实例分析

5．2．1 风洞试验概况

5．2．2 有限元模型及动力特性

5．2．3 模态选择及风致响应计算结果分析

5．3 本章小结

第6章：大型屋盖结构多目标等效静力风荷载研究

6．1 屋盖结构单目标等效静力风荷载理论

6．2 工程背景及单目标等效静力风荷载分布特性与作用效果考察

6．3 多目标等效静力风荷载分析方法及验证

6．3．1 等效方程的建立

6．3．2 目标响应脉动分量符号的确定

6．3．3 多目标一致等效静力风荷载的求解

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 不足与展望

参考文献

作者攻读博士学位期间完成的学术论文