高层建筑巨型结构体系顺风效应分析
摘要
近些年，巨型结构组合体系在高层结构设计中得到广泛的应用，对巨型结构体系的研究成为了工程界广泛关注的课题。由于巨型结构的受力与诸多因素有关，使问题研究比较复杂，目前的研究成果还不能完全满足实际工程的需要。
风荷载是高层建筑的主要设计荷载，本文针对巨型结构的顺风响应问题进行了较广泛的讨论。首先根据概率统计理论，对作用于高层建筑的风力进行分析，提出了连续化的数学模型建立巨型柱、巨型梁的等效刚度方程式，采用了较适宜的广义脉动风速样本模拟基础上的风荷载模型。然后，用随机振动理论，按振型分解法将无限自由度体系分解为若干有限自由度体系，导出了顺风反应的位移和加速度关系式。最后，根据一些基本参数的设定，并且对结构的第一振型和质量简化模式提出了较切实际的假设，编制了计算机程序AWCTS。运用此程序对国内外三栋高楼进行了计算，并将已知的工程设计实例与程序模拟结果作了分析比较。例证表明，本文所建议选用的参数和风力所满足的基本关系式以及相应的位移和加速度反应，与实际有较好的吻合性。编制AWCTS时，使用了高斯积分，改进了程序的有效性。本程序适用于高层建筑的抗风计算和参数影响分析等方面的计算工作。
Mega-structure, which is being extensively used, is an important structures system of high-rise buildings. The researches of mega- structure have been being paid close attention to by academic and engineering circles. Though a lot of achievements have been obtained, many problems remain unsolved for their complex nature.
Wind load is a major kind of design load for high-rise buildings, this paper researches on the along-wind problems of mega- structure. The suitable model of wind load is developed by investigating into the wind load acted on mega- structure based on the probability, the mathematical model of an equivalent continuum column and beam is proposed. Then the deflections and accelerations of along-wind effects on mega- structure are derived from the method of disintegration of vibration modes, the infinite degree of freedom system may by resolved into a many number of degree freedom system, by the theory of random vibrations. The assumptions of some fundamental parameters and first model function and the model of mass are presented, and the computer program AWCTS is developed with the measure-mental and analogical results. It is shown that the parameters, computer methods, the responses of deflection and acceleration are fairly good accord with practical results. Gass integrations are used in the AWCTS programs in order to improve the computational efficiency. Furthermore, it is suited for the calculations of the structures resisted wind force and analysis of the structural responses as affected by parameters.
风荷载是高层建筑的主要设计荷载，本文针对巨型结构的顺风响应问题进行了较广泛的讨论。首先根据概率统计理论，对作用于高层建筑的风力进行分析，提出了连续化的数学模型建立巨型柱、巨型梁的等效刚度方程式，采用了较适宜的广义脉动风速样本模拟基础上的风荷载模型。然后，用随机振动理论，按振型分解法将无限自由度体系分解为若干有限自由度体系，导出了顺风反应的位移和加速度关系式。最后，根据一些基本参数的设定，并且对结构的第一振型和质量简化模式提出了较切实际的假设，编制了计算机程序AWCTS。运用此程序对国内外三栋高楼进行了计算，并将已知的工程设计实例与程序模拟结果作了分析比较。例证表明，本文所建议选用的参数和风力所满足的基本关系式以及相应的位移和加速度反应，与实际有较好的吻合性。编制AWCTS时，使用了高斯积分，改进了程序的有效性。本程序适用于高层建筑的抗风计算和参数影响分析等方面的计算工作。
Mega-structure, which is being extensively used, is an important structures system of high-rise buildings. The researches of mega- structure have been being paid close attention to by academic and engineering circles. Though a lot of achievements have been obtained, many problems remain unsolved for their complex nature.
Wind load is a major kind of design load for high-rise buildings, this paper researches on the along-wind problems of mega- structure. The suitable model of wind load is developed by investigating into the wind load acted on mega- structure based on the probability, the mathematical model of an equivalent continuum column and beam is proposed. Then the deflections and accelerations of along-wind effects on mega- structure are derived from the method of disintegration of vibration modes, the infinite degree of freedom system may by resolved into a many number of degree freedom system, by the theory of random vibrations. The assumptions of some fundamental parameters and first model function and the model of mass are presented, and the computer program AWCTS is developed with the measure-mental and analogical results. It is shown that the parameters, computer methods, the responses of deflection and acceleration are fairly good accord with practical results. Gass integrations are used in the AWCTS programs in order to improve the computational efficiency. Furthermore, it is suited for the calculations of the structures resisted wind force and analysis of the structural responses as affected by parameters.
引文
[1]张相庭.工程抗风设计计算手册.中国建筑工业出版社.1998年1月第1版
[2]国外高层建筑抗风译文集.上海科学技术文献出版社.1979
[3]陈英俊，于希哲.风荷载计算.中国铁道出版社.1998年5月第1版
[4]李创弟等.高层建筑和高耸结构抗风设计评述.广西大学学报.1996,No.4
[5]Simiu E. Wind spectra and dynamic alongwind response.J Struct Div ASCE,1974,100(9)
[6]黄本才.结构抗风分析原理及应用. 同济大学出版社.2001年2月第1版
[7]张相庭.工程结构风荷载和抗风技术手册.同济大学出版社.1990年10月第1版
[8]向海帆.结构抗风工程研究的现状和展望.振动工程学报.1997年9月
[9]埃米尔.希缪，罗波特.H.斯坎伦著（刘尚培，向海帆译）.风对结构的作用——风工程导论. 同济大学出版社.1992
[10] 赵西安.现代高层建筑结构设计.科学出版社.1994年5月第1版
[11] 谢伟.基于位移法的巨型结构分析.重庆大学硕士学位论文.2001年
[12]张相庭.结构风压和风振计算.同济大学出版社.1985年5月第1版
[13]建筑结构荷载规范GBJ9-87.中国计划出版社.1989
[14]复旦大学.概率论.高等教育出版社.1979
[15]刘军，黄本才.我国规范合理风剖面的建议.结构工程师,2000（2）
[16]W.D.Baines. Effects of Velocity distribution wind loads and flow Patterns on building, proc .symp. Wind Effect on buldings and Structures,1996
[17]Melbourne W H. Turbulence effects on Maximum surface Pressures-a Mechanism and Possibility of reduction, Proc. 5th int.conf.on [2] wind Eng., 1997
[18]张相庭.高层建筑抗风抗震分析计算.同济大学出版社.1997年4月第1版
[19]Simiu E, Scanlan R H. Wind Effects on Structures-An Introductionto Wind Engineering.1978
[20]加拿大规范.The National Building Code of Canade.1990
[21]Kaimal J C, et al. Spectral characteristics of surface -Layer turbulence. J Royal Meteoral Soc, 1972,94
[22]Sockel H.Wind excited vibration of Structure.1994
[23]程志军，楼文娟等.屋面风荷载及风致破坏机理.建筑结构学报,2000（8）
[24]Melboum W H, Cheung J C K. Reducing the wind loading on large Cantilevered roofs , J. wind Eng. Ind. Aerodyn. Vol.28,1988
[25]顾明，王风元等.超高层建筑风荷载的试验.建筑结构学报,2000（8）
[26] S. Murakami. Current status and future trends in computational wind engineering, Journal of Wind Engineering and industrial Aerodynamics, NO.67, 1997
[27]李春和.高层建筑结构动力分析模型的选取.同济大学学报，1999（10）
[28]刘开国.结构简化计算原理及应用.科学出版社.1996
[29]李靖森，王国鼎.换算刚度法及其在结构中的应用.人民交通出版社.1990年3月第1版
[30]周晓峰，董石麟.巨型钢结构自振特性分析.建筑结构,2001（6）
[31]刘开国.巨型结构的二阶分析.建筑结构,2001（6）
[32]刘开国.交错钢桁架结构的侧移分析.建筑结构,2001（7）
[33]向海帆.大跨高耸柔性结构的风致振动.振动与冲击1997（No.4）
[34]是勋刚.湍流.天津大学出版社.1994
[35]欧进萍，王光远.结构随机振动.高等教育出版社.1998年1月第1版
[36]Davenport A G. The spectrum of horizontal gustiness near the ground in high winds. J Royal Meteorol Soc,1961,87
[37]黄本才.随高度变化的脉动风速谱及风振计算.力学与应用论文集. 同济大学出版社.1998
[38]龙驭球，包世华.结构力学.清华大学出版社.1994年5月第2版
[39]Davenport A G. The Relationship of Wind Structure to Wind Loadings. In proc of the Symposium on Wind Effect on Building and Structures.vol.1, London
[40]Davenport A G. Gust loading factors. J Struct Div ,ASCE, 1967,93(3)
[41]高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）.中国建筑工业出版社.1998
[42]向海帆、翟威廉.高层建筑风控控制基于规范的实用设计方法.振动工程学报.1990（6）
[43]本格尼.S.塔拉纳特.罗福午、方鄂华等译.高层建筑钢、混凝土组合结构设计. 中国建筑工业出版社.1999
[44]黄本才.高层钢结构建筑人体舒适度验算. 建筑结构,1998（6）
[45]李春和.TMD-高层钢结构系统风振舒适度控制设计方法.振动与冲击,1999（No.2）
[46]刘开国.结构TLD风振控制设计与计算.建筑结构,1997（7）
[47]李春和、刘春霞.高层建筑受风与地震作用的统一自适应控制.同济大学学报.1998，No.4
[48]李春和等.高层钢结构抗风抗震控制若干问题的探讨.振动与冲击.2000 No.2
[49]刘大海，杨翠如.高层建筑结构方案优选.中国建筑工业出版社.1996
[50]王光远.建筑结构的震动.中国科学出版社.1978
[51]上海八十年代高层建筑结构设计.上海科学普及出版社1994年5月第1版
[52]日本建议.AIJ Recommendation for Loads on Buildings，1996
[2]国外高层建筑抗风译文集.上海科学技术文献出版社.1979
[3]陈英俊，于希哲.风荷载计算.中国铁道出版社.1998年5月第1版
[4]李创弟等.高层建筑和高耸结构抗风设计评述.广西大学学报.1996,No.4
[5]Simiu E. Wind spectra and dynamic alongwind response.J Struct Div ASCE,1974,100(9)
[6]黄本才.结构抗风分析原理及应用. 同济大学出版社.2001年2月第1版
[7]张相庭.工程结构风荷载和抗风技术手册.同济大学出版社.1990年10月第1版
[8]向海帆.结构抗风工程研究的现状和展望.振动工程学报.1997年9月
[9]埃米尔.希缪，罗波特.H.斯坎伦著（刘尚培，向海帆译）.风对结构的作用——风工程导论. 同济大学出版社.1992
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[11] 谢伟.基于位移法的巨型结构分析.重庆大学硕士学位论文.2001年
[12]张相庭.结构风压和风振计算.同济大学出版社.1985年5月第1版
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[14]复旦大学.概率论.高等教育出版社.1979
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[16]W.D.Baines. Effects of Velocity distribution wind loads and flow Patterns on building, proc .symp. Wind Effect on buldings and Structures,1996
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[18]张相庭.高层建筑抗风抗震分析计算.同济大学出版社.1997年4月第1版
[19]Simiu E, Scanlan R H. Wind Effects on Structures-An Introductionto Wind Engineering.1978
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[23]程志军，楼文娟等.屋面风荷载及风致破坏机理.建筑结构学报,2000（8）
[24]Melboum W H, Cheung J C K. Reducing the wind loading on large Cantilevered roofs , J. wind Eng. Ind. Aerodyn. Vol.28,1988
[25]顾明，王风元等.超高层建筑风荷载的试验.建筑结构学报,2000（8）
[26] S. Murakami. Current status and future trends in computational wind engineering, Journal of Wind Engineering and industrial Aerodynamics, NO.67, 1997
[27]李春和.高层建筑结构动力分析模型的选取.同济大学学报，1999（10）
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[29]李靖森，王国鼎.换算刚度法及其在结构中的应用.人民交通出版社.1990年3月第1版
[30]周晓峰，董石麟.巨型钢结构自振特性分析.建筑结构,2001（6）
[31]刘开国.巨型结构的二阶分析.建筑结构,2001（6）
[32]刘开国.交错钢桁架结构的侧移分析.建筑结构,2001（7）
[33]向海帆.大跨高耸柔性结构的风致振动.振动与冲击1997（No.4）
[34]是勋刚.湍流.天津大学出版社.1994
[35]欧进萍，王光远.结构随机振动.高等教育出版社.1998年1月第1版
[36]Davenport A G. The spectrum of horizontal gustiness near the ground in high winds. J Royal Meteorol Soc,1961,87
[37]黄本才.随高度变化的脉动风速谱及风振计算.力学与应用论文集. 同济大学出版社.1998
[38]龙驭球，包世华.结构力学.清华大学出版社.1994年5月第2版
[39]Davenport A G. The Relationship of Wind Structure to Wind Loadings. In proc of the Symposium on Wind Effect on Building and Structures.vol.1, London
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[41]高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）.中国建筑工业出版社.1998
[42]向海帆、翟威廉.高层建筑风控控制基于规范的实用设计方法.振动工程学报.1990（6）
[43]本格尼.S.塔拉纳特.罗福午、方鄂华等译.高层建筑钢、混凝土组合结构设计. 中国建筑工业出版社.1999
[44]黄本才.高层钢结构建筑人体舒适度验算. 建筑结构,1998（6）
[45]李春和.TMD-高层钢结构系统风振舒适度控制设计方法.振动与冲击,1999（No.2）
[46]刘开国.结构TLD风振控制设计与计算.建筑结构,1997（7）
[47]李春和、刘春霞.高层建筑受风与地震作用的统一自适应控制.同济大学学报.1998，No.4
[48]李春和等.高层钢结构抗风抗震控制若干问题的探讨.振动与冲击.2000 No.2
[49]刘大海，杨翠如.高层建筑结构方案优选.中国建筑工业出版社.1996
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[51]上海八十年代高层建筑结构设计.上海科学普及出版社1994年5月第1版
[52]日本建议.AIJ Recommendation for Loads on Buildings，1996