考虑风速风向联合分布的超高层建筑风致振动研究1

论文摘要

对于矩形超高层建筑,若不考虑风速风向联合分布,一般认为建筑正面迎风时风致响应最大,且以此进行结构设计偏于安全。正是基于上述考虑,建筑正面迎风工况下的顺风向、横风向和扭转方向的风荷载和风振响应研究较多,而其他非正面迎风工况下的建筑风荷载和风致响应研究很少。但是对于其他复杂截面的超高层建筑,是否仍然符合这一情况,还需要进行详细的验证。事实上,偏于安全的设计等同于偏保守的设计,是以大量人力、财力和物力为代价的。对于造价昂贵的超高层建筑,这种代价是非常可观的。显然考虑风速风向联合分布下的全风向风振响应分析是更为合理,更为精细的分析设计方法,是解决上述矛盾的有效手段之一。而且日益完善的风速风向观测技术和逐步积累的观测资料,则为全风向风振分析提供了可靠的基础。本文以重庆农村商业银行大厦实际工程为例,通过风洞试验系统的研究了超高层建筑在典型风向角下的风荷载;然后基于概率论的乘法定理,推导了风速风向联合分布模型;再结合风速风向数据,建立了重庆地区风速风向的连续型联合概率密度模型,同时给出了基于重现期的考虑风速风向联合分布的各风向基本风速;最后结合风振响应和各风向基本风速,提出了可供设计参考的各响应基本风速风向因子。基于此,本文主要开展了以下几个方面的工作:①通过超高层建筑的刚性模型风洞试验,研究了在典型风向角下角部凹角方形截面超高层建筑的表面风压幅值特性、频域特性以及相关性。与一般规则方形截面超高层建筑相比,在正面迎风时,此类截面超高层建筑的力系数平均值要小。②在刚性模型风洞试验基础上,详细研究了此截面超高层建筑在典型风向角下的层风荷载幅值特征、频域特征以及空间相关性。分析了风力系数平均值、根方差、层风力系数谱和竖向相关性随风向角的变化情况,建立了超高层建筑在各典型风向角下的层风荷载幅值模型、风荷载谱模型和竖向相干函数模型。③基于概率论的乘法定理,推导了风速风向联合分布模型。结合重庆地区30年日极值风速风向样本,建立了重庆地区风速风向的连续型联合概率密度模型。其中,对风速条件概率密度模型采用多种典型概率分布模型进行了对比分析,发现采用对数正态分布概率模型效果较好。对风向变量的处理采用了修正的风向概率直方图,采用3参数Weibull分布和均匀分布叠加的混合概率密度模型进行了拟合,经检验混合概率密度模型能满足概率相容原理。④根据典型风向角的风荷载模型,用随机振动分析方法,在频域上求解了超高层建筑在典型风向角下的位移响应,并与时域计算结果进行对比,验证了荷载模型的准确性。超高层建筑在某些非0风向角的响应大于正面迎风工况下的响应,验证了此类截面超高层建筑按传统设计方法仅考虑正面迎风工况是不够的。最后讨论了建筑动力特性和风场参数变化对响应比的影响,其中建筑基阶周期的影响较大。⑤根据风速风向联合分布模型计算了各风向100年一遇基本风速,结合超高层建筑典型风向角的响应比,分析了超高层建筑在不同朝向下各风向的响应风向系数,并取最大的响应风向系数反向推导了此朝向下建筑按正面迎风计算的等效基本风速,由此得出了各响应的基本风速风向因子。最后在风向因子中考虑了周围建筑的干扰效应,计算了超高层建筑在确定朝向下的基本风速综合风向因子。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超高层建筑风荷载研究概述
• 1.2.1 顺风向风荷载
• 1.2.2 横风向风荷载
• 1.2.3 扭转向风荷载
• 1.3 超高层建筑风致响应研究概述
• 1.3.1 频域计算方法
• 1.3.2 时域计算方法
• 1.4 风速风向联合分布研究概述
• 1.5 风向因子研究概述
• 1.6 本文研究内容
• 2 超高层建筑模型同步测压风洞试验研究
• 2.1 风洞试验概况
• 2.1.1 风洞试验设备
• 2.1.2 风场四要素模拟
• 2.1.3 风洞试验模型设计与测点布置
• 2.1.4 试验工况
• 2.2 高层建筑表面风压分布特性
• 2.2.1 风压系数幅值特性
• 2.2.2 风压系数频域特征
• 2.2.3 风压系数相关性
• 2.3 本章小结
• 3 超高层建筑各风向角风荷载特性
• 3.1 层风力系数幅值特征
• 3.1.1 风力系数随高度的变化
• 3.1.2 三分力系数随风向角的变化
• 3.2 层风荷载频域特征
• 3.2.1 层风荷载谱随高度的变化
• 3.2.2 层风荷载谱随风向角的变化
• 3.3 层风荷载空间相关性
• 3.3.1 竖向相关性系数
• 3.3.2 竖向相干函数
• 3.3.3 不同风向角各轴之间相干函数
• 3.4 层风荷载幅值数学模型
• 3.4.1 力系数平均值数学模型
• 3.4.2 力系数根方差数学模型
• 3.5 层风荷载谱数学模型
• 3.5.1 X 轴层风力系数谱
• 3.5.2 Y 轴层风力系数谱
• 3.5.3 扭转向层风力系数谱
• 3.5.4 谱拟合公式验证
• 3.6 相干函数数学模型
• 3.6.1 X 轴层风力系数竖向相干函数
• 3.6.2 Y 轴层风力系数竖向相干函数
• 3.6.3 扭转向层风力系数竖向相干函数
• 3.6.4 相干函数拟合公式验证
• 3.7 本章小结
• 4 风速风向联合分布模型研究
• 4.1 基于乘法定理的2 维联合分布
• 4.2 风速的条件概率密度分析与建模
• 4.3 风向变量的处理
• 4.3.1 离散型风向区间
• 4.3.2 连续型风向角
• 4.4 风速风向联合分布模型
• 4.4.1 风速条件概率密度模型参数的连续化
• 4.4.2 风速风向的离散-连续混合联合分布模型
• 4.4.3 风速风向的连续型联合分布模型
• 4.5 本章小结
• 5 超高层建筑各风向角风振响应分析
• 5.1 风振响应计算理论
• 5.1.1 频域方法
• 5.1.2 时域方法
• 5.2 各风向角风振响应计算
• 5.2.1 建筑动力特性
• 5.2.2 风振响应时频分析对比
• 5.3 各风向角响应比
• 5.4 响应比参数研究
• 5.4.1 基阶周期的影响
• 5.4.2 周期比的影响
• 5.4.3 阻尼比的影响
• 5.4.4 振型指数的影响
• 5.4.5 基本风压的影响
• 5.4.6 平均风剖面的影响
• 5.5 本章小结
• 6 考虑风速风向联合分布的风向因子研究
• 6.1 基于重现期的各风向基本风速
• 6.2 各风向基本风速比
• 6.3 响应风向系数
• 6.4 基本风速风向因子
• 6.5 考虑周围建筑干扰的综合风向因子
• 6.5.1 建筑群体干扰下风振响应分析
• 6.5.2 建筑群体干扰下风振响应干扰因子
• 6.5.3 综合风向因子
• 6.6 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目