超高層建筑風重耦合效應及等效靜力風荷載研究.pdf

1、隨著城市化進程的加快，越來越多的超高層建筑往輕柔方向發(fā)展，結構設計也出現(xiàn)許多急需解決的問題，風重耦合效應就是其中之一。風重耦合效應是指高柔結構在風荷載作用下產生的水平位移，重力的存在，使結構彎矩增大，從而進一步增大水平位移，這樣的作用機理在靜力方面表現(xiàn)為結構水平位移的增大，在動力上表現(xiàn)為結構固有頻率的改變和和結構響應的變化。在實際工程中，超高層建筑的風重耦合效應已有報道，進一步細化分析風重耦合效應的影響顯得十分必要。
　　本文主要

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

3、相當于靜力非線性方程，求解容易;另一個脈動風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構響應的解。參數(shù)分析表明，重剛比是影響風重耦合效應最重要的參數(shù)，其值越大，結構振動固有頻率越小，結構響應越大。當結構重剛比較小時，地面粗糙度、結構固有阻尼和平均風速對風重耦合效應影響不大，但當重剛比較大時，風重耦合效應隨著結構固有阻尼和平均風速的增大而減小。
　　等效靜力風荷載是工程設計中常用的方法。本文采用結構恢復力等價的原則

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

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

6、載的變化規(guī)律和順風向類似。
　　對于一般超高層建筑的風重耦合的計算除了考慮順風向和橫風向的風荷載還必須考慮扭轉向的風荷載。為了實現(xiàn)頻域分析一般結構的方法，本文以每層的三個自由度為未知數(shù)建立計入風重耦合效應的有限元方程。分析表明，在質量偏心率較小情況下固有頻率隨著重剛比增大而減小，但當結構質量偏心率較大時，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論。對于偏心結構，風重耦合效應使順風向和橫風向響應增大，但對于扭轉

7、向是減小的。不同角度對風重耦合的影響是發(fā)生周期性變化，偏心率較小時，偏心位置的角度對風重耦合效應影響不大，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)分析表明質量比是減振中一個重要參數(shù)，質量比加大能明顯起到減振作用，實際上只要水體質量達到建筑物質量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)亦是關系減振率的重要參數(shù)。在優(yōu)化設計中要使減振器

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