高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)第三章抗風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載概述本章主要內(nèi)容基本風(fēng)壓風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)載體型系數(shù)順風(fēng)向橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)風(fēng)振不適感的控制風(fēng)工程學(xué)簡(jiǎn)述國(guó)外從1879年塔科馬橋風(fēng)毀以后開(kāi)始風(fēng)工程研究，至今只有60多年，我國(guó)研究不到20年。

風(fēng)工程研究近年在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，已形成一門(mén)新興學(xué)科，國(guó)際風(fēng)工程學(xué)會(huì)和中國(guó)風(fēng)工程學(xué)會(huì)分別于上世紀(jì)60年代和80年代成立。風(fēng)工程學(xué)建筑風(fēng)工程是一門(mén)綜合性學(xué)科，涉及氣象學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)及氣動(dòng)彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程學(xué)、振動(dòng)工程學(xué)等多門(mén)學(xué)科。

風(fēng)工程學(xué)近年來(lái)我國(guó)已建造并將繼續(xù)建造大量的大型風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括大跨橋梁、超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)以及大跨空間結(jié)構(gòu)等。風(fēng)荷載是控制這些大型結(jié)構(gòu)安全性和使用性設(shè)計(jì)的主要因素。風(fēng)工程研究方法

大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)——最直接、最有效

風(fēng)洞數(shù)值模擬——費(fèi)用低、效率高

風(fēng)工程學(xué)橋梁抗風(fēng)、建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、建筑風(fēng)環(huán)境國(guó)內(nèi)風(fēng)工程研究主要集中在高等院校，如同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)、西南交通大學(xué)和汕頭大學(xué)等，國(guó)內(nèi)風(fēng)工程研究在國(guó)際上的影響正在增大。風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞模型試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)研究中的一項(xiàng)重要手段，它與構(gòu)筑物足尺實(shí)例是相輔相成的兩個(gè)方面，當(dāng)結(jié)構(gòu)物未建成或無(wú)條件進(jìn)行實(shí)測(cè)時(shí)，模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)則是進(jìn)行研究的唯一手段。通過(guò)對(duì)各種特殊體型的高層、超高層建筑及建筑群的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，可為設(shè)計(jì)提合理的參數(shù)，使擬建的建筑物安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

風(fēng)洞試驗(yàn)當(dāng)風(fēng)洞尺寸達(dá)到寬度為2～4米、高為2～3米，長(zhǎng)為5～30米時(shí)一般可以滿足要求。風(fēng)洞試驗(yàn)建筑物的風(fēng)洞試驗(yàn)要求在風(fēng)洞中能實(shí)現(xiàn)大氣邊界層范圍內(nèi)的平均風(fēng)剖面、紊流和自然流動(dòng)，即要求模擬風(fēng)速隨高度的變化。風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)洞試試驗(yàn)同濟(jì)大大學(xué)風(fēng)風(fēng)洞實(shí)實(shí)驗(yàn)室室TJ-1號(hào)風(fēng)洞洞：直直流閉閉口式式低速速風(fēng)洞洞。試試驗(yàn)段段尺寸寸為1.8m寬、1.8m高、14m長(zhǎng)。距距試驗(yàn)驗(yàn)段入入口10.5m處設(shè)有有一個(gè)個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)，用用于改改變模模型的的方位位角。。試驗(yàn)驗(yàn)風(fēng)速速范圍圍從0.5m/s～30.0m/s連續(xù)可可調(diào)。。流場(chǎng)場(chǎng)性能能良好好，試試驗(yàn)區(qū)區(qū)流場(chǎng)場(chǎng)的速速度不不均勻勻性小小于2%、湍流流度小小于1%、平均均氣流流偏角角小于于0.2°。風(fēng)洞試試驗(yàn)湖南大大學(xué)風(fēng)風(fēng)洞實(shí)實(shí)驗(yàn)室室湖南大大學(xué)風(fēng)風(fēng)洞實(shí)實(shí)驗(yàn)室室風(fēng)洞試試驗(yàn)同濟(jì)大大學(xué)風(fēng)風(fēng)洞實(shí)實(shí)驗(yàn)室室TJ-2大氣邊邊界層層風(fēng)洞洞：試試驗(yàn)段段尺寸寸為3m寬、2.5m高、15m長(zhǎng)。空空風(fēng)洞洞試驗(yàn)驗(yàn)風(fēng)速速范圍圍為0.5m/s～68m/s，風(fēng)洞洞配有有自動(dòng)動(dòng)調(diào)速速、控控制與與數(shù)據(jù)據(jù)采集集系統(tǒng)統(tǒng)，建建筑結(jié)結(jié)構(gòu)模模型試試驗(yàn)自自動(dòng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)系系統(tǒng)。。轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)直徑徑為1.8m，其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸中中心距距試驗(yàn)驗(yàn)段進(jìn)進(jìn)口為為10.5m。流場(chǎng)場(chǎng)性能能良好好，試試驗(yàn)區(qū)區(qū)均勻勻流場(chǎng)場(chǎng)的速速度不不均勻勻性小小于1%、湍流流度小小于0.46%、平均均氣流流偏角角小于于0.5°。同濟(jì)大大學(xué)風(fēng)風(fēng)洞實(shí)實(shí)驗(yàn)室室TJ-3大氣邊邊界層層風(fēng)洞洞：豎豎向回回流式式低速速風(fēng)洞洞，試試驗(yàn)段段尺寸寸為2m高×15m寬×14m長(zhǎng)，其其規(guī)模模在同同類(lèi)邊邊界層層風(fēng)洞洞中居居世界界第二二位。。在試試驗(yàn)段段底板板上的的轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)直徑徑為4.8m，其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸中中心距距試驗(yàn)驗(yàn)段進(jìn)進(jìn)口為為10.5m。并列列的7臺(tái)風(fēng)扇扇由直直流電電機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)，，每臺(tái)臺(tái)電機(jī)機(jī)額定定功率率為45千瓦，，額定定轉(zhuǎn)速速為750轉(zhuǎn)/分。試試驗(yàn)風(fēng)風(fēng)速范范圍從從0.2m/s～17.6m/s連續(xù)可可調(diào)。。流場(chǎng)場(chǎng)性能能良好好，試試驗(yàn)區(qū)區(qū)流場(chǎng)場(chǎng)的速速度不不均勻勻性小小于2%、湍流流度小小于2%、平均均氣流流偏角角小于于0.2°。汕頭大大學(xué)風(fēng)風(fēng)洞實(shí)實(shí)驗(yàn)室室風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)洞模模型風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)洞模模型剛性壓壓力模模型氣動(dòng)彈彈性模模型剛性高高頻力力平衡衡模型型風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)洞模模型剛性壓壓力模模型最常用用,用來(lái)量量測(cè)表表面風(fēng)風(fēng)壓力力,確定風(fēng)風(fēng)荷載載建建筑比比例約約為1:300~1:500一般采采用有有機(jī)玻玻璃壓壓力力傳感感器測(cè)測(cè)的平平均壓壓力和和波動(dòng)動(dòng)壓力力試試驗(yàn)時(shí)時(shí)間約約為60秒,相應(yīng)實(shí)實(shí)際時(shí)時(shí)間1小時(shí)風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)洞模模型氣動(dòng)彈彈性模型可精確確考慮慮結(jié)構(gòu)構(gòu)的柔柔度和和自振振頻率率，阻阻尼的的影響響．高高寬寬比大大于５５，需需要考考慮舒舒適度度的高高柔建建筑采采用．．模模型制制作麻麻煩，，試驗(yàn)驗(yàn)時(shí)間間長(zhǎng)．．風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)洞模模型剛性高高頻力力平衡衡模型型一輕質(zhì)質(zhì)材料料的模模型固固定在在高頻頻反應(yīng)應(yīng)的力力平衡衡系統(tǒng)統(tǒng)上，，可得得到風(fēng)風(fēng)產(chǎn)生生的動(dòng)動(dòng)力效效應(yīng)．．需需要有有能模模擬結(jié)結(jié)構(gòu)剛剛度的的基座座桿或或高頻頻力平平衡系系統(tǒng)．．風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)洞試試驗(yàn)香港青青馬大大橋全全橋氣氣動(dòng)彈彈性模模型風(fēng)風(fēng)洞試試驗(yàn)英國(guó)千千年橋橋橋址址風(fēng)環(huán)環(huán)境風(fēng)風(fēng)洞試試驗(yàn)香港火火車(chē)站站風(fēng)環(huán)環(huán)境風(fēng)風(fēng)洞試試驗(yàn)風(fēng)壓數(shù)數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)數(shù)值模模擬風(fēng)壓數(shù)數(shù)值模模擬風(fēng)對(duì)構(gòu)構(gòu)筑物物的破破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)構(gòu)筑物物的作作用從從自然然風(fēng)所所包含含的成成分看看包括括平均均風(fēng)作作用和和脈動(dòng)動(dòng)風(fēng)作作用，，從結(jié)結(jié)構(gòu)的的響應(yīng)應(yīng)來(lái)看看包括括靜態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)和風(fēng)風(fēng)致振振動(dòng)響響應(yīng)。。平均均風(fēng)既既可引引起結(jié)結(jié)構(gòu)的的靜態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)，又又可引引起結(jié)結(jié)構(gòu)的的橫風(fēng)風(fēng)向振振動(dòng)響響應(yīng)。。脈動(dòng)動(dòng)風(fēng)引引起的的響應(yīng)應(yīng)則包包括了了結(jié)構(gòu)構(gòu)的準(zhǔn)準(zhǔn)靜態(tài)態(tài)響應(yīng)應(yīng)、順順風(fēng)向向和橫橫風(fēng)向向的隨隨機(jī)振振動(dòng)響響應(yīng)。。當(dāng)這這些響響應(yīng)的的綜合合結(jié)果果超過(guò)過(guò)了結(jié)結(jié)構(gòu)的的承受受能力力時(shí)，，結(jié)構(gòu)構(gòu)將發(fā)發(fā)生破破壞。。對(duì)房屋屋建筑筑結(jié)構(gòu)構(gòu)的破破壞橋梁結(jié)結(jié)構(gòu)的的破壞壞對(duì)輸電電系統(tǒng)統(tǒng)等生生命線線工程程的破破壞對(duì)廣告告牌、、標(biāo)語(yǔ)語(yǔ)牌等等的破破壞對(duì)港口設(shè)施施的破壞對(duì)海洋工程程結(jié)構(gòu)的破破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞被颶風(fēng)卡特特里娜嚴(yán)重重?fù)p壞的新新奧爾良多多層建筑風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞窗戶被颶風(fēng)風(fēng)卡特里娜娜嚴(yán)重?fù)p壞壞的新奧爾爾良凱悅酒酒店風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞臺(tái)風(fēng)約克造造成的香港港灣仔數(shù)幢幢大廈玻璃璃幕墻損壞壞情況風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)對(duì)構(gòu)筑物物的破壞風(fēng)荷載概述述結(jié)構(gòu)風(fēng)工程程研究對(duì)象象和內(nèi)容廣廣泛。從結(jié)結(jié)構(gòu)方面來(lái)來(lái)看，涉及及到低矮建建筑、大跨跨度建筑結(jié)結(jié)構(gòu)、高層層建筑、高高聳結(jié)構(gòu)、、橋梁、海海洋工程結(jié)結(jié)構(gòu)等；從研究?jī)?nèi)容容來(lái)看，涉涉及到風(fēng)對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜靜力作用、、風(fēng)致振動(dòng)動(dòng)響應(yīng)、風(fēng)風(fēng)振控制等等，不同的的研究?jī)?nèi)容容在不同的的結(jié)構(gòu)上往往往又有不不同的體現(xiàn)現(xiàn)。風(fēng)荷載概述述當(dāng)風(fēng)以一定定速度吹響響建筑物時(shí)時(shí)，建筑物物將對(duì)其產(chǎn)產(chǎn)生阻塞和和擾動(dòng)作用用，從而改改變?cè)摻ㄖ镏車(chē)L(fēng)風(fēng)的流動(dòng)特特性。反過(guò)過(guò)來(lái)，風(fēng)的的這種流動(dòng)動(dòng)特性改變變引起的空空氣動(dòng)力效效應(yīng)將對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作作用。由于自然風(fēng)風(fēng)的紊流特特性，因此此風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)的這種作作用包含了了靜力作用用和動(dòng)力作作用兩個(gè)方方面，使結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相相應(yīng)的靜力力和動(dòng)力響響應(yīng)。風(fēng)荷載概述述風(fēng)不僅對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜靜力作用，，還會(huì)產(chǎn)生生動(dòng)力作用用，引起高高層建筑、、各類(lèi)高塔塔和煙囪等等高聳結(jié)構(gòu)構(gòu)、大跨度度纜索承重重橋梁、大大跨度屋頂頂或屋蓋、、燈柱等許許多柔性結(jié)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)動(dòng)力荷載，，甚至引起起破壞。結(jié)構(gòu)的風(fēng)致致振動(dòng)在很很大程度上上依賴(lài)于結(jié)結(jié)構(gòu)的外形形、剛度（（或柔度））、阻尼和和質(zhì)量特性性。不同的外形形將引起不不同的風(fēng)致致動(dòng)力荷載載。結(jié)構(gòu)剛度越越小，柔性性越大，則則其風(fēng)致振振動(dòng)響應(yīng)就就越大。結(jié)構(gòu)的阻尼尼越高，其其風(fēng)致振動(dòng)動(dòng)的響應(yīng)也也就越小。。風(fēng)致振動(dòng)減減振措施研研究一般也也是從這四四方面著手手。風(fēng)荷載概述述風(fēng)壓基本特特點(diǎn)紊亂性和隨隨機(jī)性迎風(fēng)面壓力力，背風(fēng)面面吸力風(fēng)壓的不確確定性風(fēng)荷載概述述風(fēng)荷載概述述風(fēng)荷載概述述風(fēng)荷載概述述風(fēng)壓對(duì)高樓樓的危害1.隔墻開(kāi)裂,甚至主體結(jié)結(jié)構(gòu)破壞2.疲勞,失穩(wěn)破壞3.裝飾物和玻玻璃幕墻破破壞4.擺動(dòng)使居住住者感到不不適不安風(fēng)荷載概述述風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作作用順風(fēng)向:平均風(fēng)(靜力)和陣風(fēng)脈動(dòng)動(dòng)風(fēng)(動(dòng)力)橫風(fēng)向:周期性振動(dòng)動(dòng)（周期荷荷載)和隨機(jī)性振振動(dòng)(隨機(jī)荷載））風(fēng)的雙重性性細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)結(jié)構(gòu),橫風(fēng)向可能能產(chǎn)生很大大的動(dòng)力效效應(yīng).風(fēng)荷載概述述風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)作作用計(jì)算方法穩(wěn)定風(fēng)--靜力即結(jié)構(gòu)構(gòu)力學(xué)理論論脈動(dòng)風(fēng)（順順風(fēng)向和橫橫風(fēng)向）--動(dòng)力隨機(jī)振振動(dòng)理論橫風(fēng)向周期期性風(fēng)力--動(dòng)力計(jì)算(確定性荷載載)基本風(fēng)壓采用較長(zhǎng)時(shí)時(shí)間的平均均風(fēng)速而不不是瞬時(shí)風(fēng)風(fēng)速，作為為確定風(fēng)壓壓和衡量風(fēng)風(fēng)災(zāi)的依據(jù)據(jù)。基本風(fēng)速：：針對(duì)特定定高度處并并按特定條條件來(lái)分析析平均風(fēng)速速。標(biāo)準(zhǔn)高度：：10米。標(biāo)準(zhǔn)地貌：：空曠平坦坦地面。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)距：：10分鐘。重現(xiàn)期：30年和50年。基本風(fēng)壓基本風(fēng)速：：取當(dāng)?shù)乇缺容^空曠平平坦地面上上離地10米高處，統(tǒng)統(tǒng)計(jì)所得30年一遇的10分鐘平均最最大風(fēng)速。。基本風(fēng)壓：：風(fēng)壓高度變變化系數(shù)地表對(duì)風(fēng)的的摩擦作用用，使接近近地表的風(fēng)風(fēng)速隨離地地面高度的的降低而減減小。300~500米以上后影影響不大.地表粗糙度度不同，風(fēng)風(fēng)速變化的的快慢也不不相同開(kāi)闊場(chǎng)地比比城市中心心更快達(dá)到到梯度風(fēng)速速同一高度處處風(fēng)速，城城市中心比比開(kāi)闊場(chǎng)地地小根據(jù)地面粗粗糙類(lèi)別和和離地面高高度確定風(fēng)風(fēng)壓高度變變化系數(shù)風(fēng)載體形系系數(shù)為把近地風(fēng)風(fēng)的風(fēng)速壓轉(zhuǎn)換為建筑筑物表面的的風(fēng)壓-氣流繞過(guò)需要采用一一定的修正正系數(shù)－風(fēng)風(fēng)載體形系系數(shù)。要完全理論論上來(lái)確定定受氣流影影響的物體體表面的壓壓力,目前還做不不到.體型復(fù)雜、、高柔建筑筑物的風(fēng)載載體形系數(shù)數(shù)需要通過(guò)過(guò)試驗(yàn)確定定周?chē)h(huán)境復(fù)復(fù)雜應(yīng)按風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)確確定風(fēng)載體形系系數(shù)－主要要與建筑物物體形有關(guān)關(guān):建筑物平面面形狀和建建筑物立面面平整度.自學(xué)順、橫風(fēng)向向振動(dòng)順風(fēng)向振動(dòng)動(dòng):用概率論的的法則來(lái)描描述,雖不能夠定定出某一時(shí)時(shí)刻反應(yīng)的的確定值,卻可以分析析出該時(shí)刻刻取某值的的保證率的的可能性.橫風(fēng)向振動(dòng)動(dòng):由不穩(wěn)定的的空氣動(dòng)力力引起,比較復(fù)雜,高樓和高塔塔影響較大大.隨著房屋高高度增加，，在強(qiáng)風(fēng)作作用下，高高樓(高層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu))所產(chǎn)生的振振動(dòng)，使人人不舒適，所以高樓樓的抗風(fēng)設(shè)設(shè)計(jì)，不僅僅要滿足強(qiáng)度、變形形和傾覆穩(wěn)穩(wěn)定方面的要求求，而且還還要使高樓樓在順風(fēng)向振動(dòng)動(dòng)、橫風(fēng)向向振動(dòng)和扭扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制在不使使居住者產(chǎn)產(chǎn)生不適感感的容許限限度內(nèi)。風(fēng)振不適感感的控制世界上首先先提出舒適感與房屋頂層層加速度關(guān)關(guān)系的是加加拿大的達(dá)達(dá)文波特教教授，國(guó)內(nèi)的研究究很少。風(fēng)振不適感感的控制目前的計(jì)算算建筑物頂頂層加速度度的經(jīng)驗(yàn)公公式。通過(guò)過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)認(rèn)。一、衡量不不適感的尺尺度1、人體對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的承受1970年，美國(guó)波波士頓一座座高樓在0.98KN/m2風(fēng)壓下，△/H《1/700，人卻感到到不適。說(shuō)說(shuō)明用△/H來(lái)控制側(cè)移移，并不能能概括人體體對(duì)運(yùn)動(dòng)的的反應(yīng)和耐耐受程度。。風(fēng)振不適感感的控制研究表明：：人體感覺(jué)覺(jué)器官不能能覺(jué)察所在在位置的絕絕對(duì)位移和和速度，只只能感受到到它們的相相對(duì)變化。。線線性加加速度是由由人內(nèi)耳中中的耳石察察覺(jué)到的，，局部加速速度則是耳耳內(nèi)的半規(guī)規(guī)官感覺(jué)的的。所所以以，加速度（線性加速度度和角加速度）是衡量人人體對(duì)高樓樓風(fēng)振感受受的最好尺尺度。風(fēng)振不適感感的控制而α=4π*πA/(T*T)所以A(振幅)和T(自振周期)是表征加速速度的重要要指標(biāo)。風(fēng)振不適感感的控制2、人體風(fēng)振反反應(yīng)的分級(jí)級(jí)a、按振幅和周周期分級(jí)A、無(wú)感覺(jué)B、有感覺(jué)C、令人煩躁躁D、令人非常常煩躁E、無(wú)法承受受b、按加速度分分級(jí)A、B、C、D、E風(fēng)振不適感感的控制二、實(shí)際建建筑物的加加速度響應(yīng)應(yīng)1.紐約帝國(guó)大大廈（103層，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)）2.紐約世貿(mào)大大廈（110層，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)）3.芝加哥湖濱濱廣場(chǎng)大廈廈4.金貿(mào)大廈10年重現(xiàn)期加加速度為0.009g~0.013g1年重現(xiàn)期加加速度為0.003g~0.005g風(fēng)振不適感感的控制三、風(fēng)振加速度度限值1.歐洲: