超高層建筑風(fēng)重耦合效應(yīng)及等效靜力風(fēng)荷載研究.pdf

1、隨著城市化進(jìn)程的加快，越來越多的超高層建筑往輕柔方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計也出現(xiàn)許多急需解決的問題，風(fēng)重耦合效應(yīng)就是其中之一。風(fēng)重耦合效應(yīng)是指高柔結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的水平位移，重力的存在，使結(jié)構(gòu)彎矩增大，從而進(jìn)一步增大水平位移，這樣的作用機(jī)理在靜力方面表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)水平位移的增大，在動力上表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)固有頻率的改變和和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的變化。在實際工程中，超高層建筑的風(fēng)重耦合效應(yīng)已有報道，進(jìn)一步細(xì)化分析風(fēng)重耦合效應(yīng)的影響顯得十分必要。
　　本文主要

2、目的是為了分析風(fēng)重耦合效應(yīng)的影響因素，發(fā)現(xiàn)高柔結(jié)構(gòu)由于重力影響在風(fēng)振中的特性改變，同時給出一般超高層結(jié)構(gòu)分析計算方法。總體而言主要做了以下幾個方面的工作。
　　利用懸臂梁模型，推導(dǎo)出計入結(jié)構(gòu)大變形和重力的作用的風(fēng)重耦合的動力方程，利用差分法可以求解風(fēng)振時程響應(yīng)，時程計算表明風(fēng)重耦合效應(yīng)使脈動風(fēng)的幅值比傳統(tǒng)計算的結(jié)果要大。
　　結(jié)構(gòu)順風(fēng)向隨機(jī)風(fēng)振計算可以按平均風(fēng)荷載和脈動風(fēng)荷載將方程分解成平均風(fēng)方程和脈動風(fēng)方程，其中平均風(fēng)方程

3、相當(dāng)于靜力非線性方程，求解容易;另一個脈動風(fēng)方程是非線性動力方程，通過振型分解和等效線性化處理可以得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的解。參數(shù)分析表明，重剛比是影響風(fēng)重耦合效應(yīng)最重要的參數(shù)，其值越大，結(jié)構(gòu)振動固有頻率越小，結(jié)構(gòu)響應(yīng)越大。當(dāng)結(jié)構(gòu)重剛比較小時，地面粗糙度、結(jié)構(gòu)固有阻尼和平均風(fēng)速對風(fēng)重耦合效應(yīng)影響不大，但當(dāng)重剛比較大時，風(fēng)重耦合效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)固有阻尼和平均風(fēng)速的增大而減小。
　　等效靜力風(fēng)荷載是工程設(shè)計中常用的方法。本文采用結(jié)構(gòu)恢復(fù)力等價的原則

4、，經(jīng)推導(dǎo)可以得到沿高度分布的荷載。結(jié)果表明，計入風(fēng)重耦合效應(yīng)的等效風(fēng)荷載表達(dá)式比常規(guī)高層建筑風(fēng)荷載多了附加重力等效風(fēng)荷載項。加入各分項的峰值系數(shù)可以得到設(shè)計等效靜力風(fēng)荷載。計入風(fēng)重耦合效應(yīng)后的順風(fēng)向風(fēng)振系數(shù)與規(guī)范給出的風(fēng)振系數(shù)存在著差異，風(fēng)重耦合效應(yīng)引起在建筑物中風(fēng)振系數(shù)中下部分布值減小和上部分布值增大，結(jié)構(gòu)的重剛比是影響風(fēng)振系數(shù)的重要因素，其他因素影響不大。
　　橫風(fēng)向風(fēng)重耦合效應(yīng)與順風(fēng)向類似，對橫風(fēng)向風(fēng)重耦合效應(yīng)來說重剛比仍舊

5、是一個決定性因素，但橫風(fēng)向作用機(jī)理與順風(fēng)向不同，其風(fēng)重耦合效應(yīng)與順風(fēng)向存在一定的差異，特別是平均風(fēng)速的影響有所不同，當(dāng)平均風(fēng)速較小時，結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨著重剛比增長而增長，當(dāng)平均風(fēng)速加大時，結(jié)構(gòu)響應(yīng)先是隨著重剛比增長而增長，達(dá)到峰值后隨著重剛比增長而下降。風(fēng)重耦合效應(yīng)使整條響應(yīng)對重剛比曲線左偏。對于矩形截面的超高層結(jié)構(gòu)，風(fēng)重耦合與截面深寬比有關(guān)，當(dāng)在深寬比小于2時，風(fēng)重耦合效應(yīng)先是減小再是增大，當(dāng)深寬比大于2時，沒有確切的規(guī)律。橫風(fēng)向靜力等效荷

6、載的變化規(guī)律和順風(fēng)向類似。
　　對于一般超高層建筑的風(fēng)重耦合的計算除了考慮順風(fēng)向和橫風(fēng)向的風(fēng)荷載還必須考慮扭轉(zhuǎn)向的風(fēng)荷載。為了實現(xiàn)頻域分析一般結(jié)構(gòu)的方法，本文以每層的三個自由度為未知數(shù)建立計入風(fēng)重耦合效應(yīng)的有限元方程。分析表明，在質(zhì)量偏心率較小情況下固有頻率隨著重剛比增大而減小，但當(dāng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量偏心率較大時，固有頻率反而隨著重剛比增大而增大，對于剛心偏位的情況也有類似結(jié)論。對于偏心結(jié)構(gòu)，風(fēng)重耦合效應(yīng)使順風(fēng)向和橫風(fēng)向響應(yīng)增大，但對于扭轉(zhuǎn)

7、向是減小的。不同角度對風(fēng)重耦合的影響是發(fā)生周期性變化，偏心率較小時，偏心位置的角度對風(fēng)重耦合效應(yīng)影響不大，而隨著偏心率的增大，角度影響就很明顯。
　　本文以LCVA作為實例分析調(diào)諧減振器在超高層建筑中減振規(guī)律。各參數(shù)分析表明質(zhì)量比是減振中一個重要參數(shù)，質(zhì)量比加大能明顯起到減振作用，實際上只要水體質(zhì)量達(dá)到建筑物質(zhì)量1％～2％時就可以起到較好的減振效果。水管截面比、長度比以及水頭損失系數(shù)亦是關(guān)系減振率的重要參數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計中要使減振器

8、達(dá)到較好的減振效果，必須使減振器的振動頻率接近或等于主結(jié)構(gòu)的固有基頻。當(dāng)主結(jié)構(gòu)計入風(fēng)重耦合效應(yīng)后，計算結(jié)果會與傳統(tǒng)計算方法產(chǎn)生較大的差異，一般規(guī)律是主結(jié)構(gòu)重剛比較小時計入風(fēng)重耦合效應(yīng)的結(jié)構(gòu)減振率大，而主結(jié)構(gòu)重剛比較大時風(fēng)重耦合計算結(jié)果就比傳統(tǒng)結(jié)果要小。對高柔結(jié)構(gòu)減振設(shè)計必須考慮風(fēng)重耦合效應(yīng)，才能正確分析減振效果。
　　在順風(fēng)向和橫風(fēng)向計算結(jié)果的對比分析中，本文提出了比規(guī)范更為嚴(yán)格的剛度限制要求，供設(shè)計者借鑒。
　　超高層結(jié)構(gòu)